路橋過渡段路基病害特征與處治技術(shù)2課件

●路橋過渡段路基沉降特征●車輛動荷載作用性狀●路基填土動力特性●路橋過渡段路基模型試驗(yàn)研究●路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理路橋過渡段路基沉降特征路基沉降主要由兩部分組成，即地基沉降和路堤填土的沉降。對軟土地基來說地基沉降占主要部分，而對高填路堤則路堤本身的沉降占相當(dāng)大的比例，不可忽略。由于臺后填土往往較高，地基沉降與路堤本身的壓縮變形都十分明顯，可能產(chǎn)生較大的不均勻沉降。從目前的狀況來看，針對地基沉降的研究相對較多，而對于路堤本身的壓縮變形研究相對較少。因此，研究路橋過渡段路基沉降特征，對把握工后沉降量、正確選擇相應(yīng)的處治方法十分關(guān)鍵；再則從研究處治技術(shù)對地基沉降的適應(yīng)性出發(fā)，其沉降特征也是大比尺模型試驗(yàn)地基變形有效模擬的前提。本項(xiàng)目通過有限元分析、室內(nèi)壓縮試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測，分別針對路橋過渡段地基的沉降特征、路堤的沉降特征和路基工后沉降的計算方法開展了深入研究。路橋過渡段路基沉降特征地基沉降特征分析分析條件：河灘相和湖海相軟土地基分析內(nèi)容：(1）地基固結(jié)沉降變化特性(2）地基沉降曲線變化特征

◎

曲線斜率與割線轉(zhuǎn)角特征

◎

最大值沉降與斜率及割線角度變化關(guān)系關(guān)系曲線圖最大值沉降與斜率及割線角度變化特征路堤沉降特征分析

◎路堤沉降構(gòu)成

◎路堤變形階段

◎地形條件對路堤沉降的影響◎路堤沉降與填土高度的關(guān)系◎路堤沉降與時間的關(guān)系◎路堤沉降與分層填筑的關(guān)系路橋過渡段路基沉降特征路堤變形過程可分為三個階段（1）塑性－彈性變形階段：填筑過程中，土經(jīng)過攤鋪、灑水、分層碾壓而被壓縮，塑性變形是主體。隨著填土高度的增加，下層土受上層土的荷載作用，開始發(fā)生壓縮變形，這一階段的變形明顯地表現(xiàn)出填土高度與壓縮量正相關(guān)，故路堤橫斷面方向中間變形大，兩側(cè)變形量小。（2）不均勻變形階段：在變形過程中，在橫斷面上，由于填方的不均勻及側(cè)向無約束，應(yīng)力分布不同于自重應(yīng)力，出現(xiàn)邊坡應(yīng)力下降，堤內(nèi)應(yīng)力集中，易產(chǎn)生剪切變形，這就造成橫向不均勻變形，這種變形在施工后期和使用期內(nèi)比較明顯。（3）蠕變變形階段：蠕變過程復(fù)雜，蠕變過程中仍有彈塑性變形存在。路橋過渡段路基沉降特征路堤內(nèi)部沉降變化曲線

逐級加荷與一次加荷比較沉降與填土高度關(guān)系曲線施工期沉降與填土高度關(guān)系曲線路橋過渡段路基沉降特征路基工后沉降計算路堤填筑用土大多是經(jīng)過開挖、重塑、搬運(yùn)和再壓實(shí)的土，屬于非飽和土，而非飽和土的固結(jié)理論迄今為止尚不成熟。因此，如何計算路基填土體本身未完成的沉降量是一個很難解決的問題。在總結(jié)大量的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場測試成果的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目采用改進(jìn)的分層總和法計算路堤填土的總沉降，建立了力、變形和時間的路堤沉降計算模型，從而較好地解決了路堤填土的工后沉降計算問題。車輛動荷載作用性狀車輛動荷載的影響車輛動載對道路的損傷遠(yuǎn)大于車輛靜載的影響，傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)公式認(rèn)為，道路結(jié)構(gòu)的損壞大體與輪載的四次方成正比。路面與路基的損壞是由數(shù)百輛重型卡車駛過引起的，而非同一時間內(nèi)數(shù)千輛轎車或輕型車經(jīng)過而造成。由此可以明顯看出，加劇橋頭跳車的主要因素是重型車輛和交通流量。因此，要想正確地在試驗(yàn)臺上模擬真實(shí)道路的受力情況，必須對不同車輛，尤其是重型車輛，作用于路面的載荷進(jìn)行準(zhǔn)確測量，然后根據(jù)交通流量統(tǒng)計，合理構(gòu)成載荷譜，再通過模擬加載裝置，實(shí)現(xiàn)道路荷載模擬的真實(shí)再現(xiàn)。通常車輛動載信號都是以正弦波來模擬，但實(shí)際上車輛動載是一連串的脈沖信號，也即一連串的瞬態(tài)沖擊。尤其是當(dāng)遇到路面突起，如橋頭沉降，這種瞬態(tài)沖擊將變得更大。因此，在模擬試驗(yàn)臺上，不應(yīng)以正弦波信號加以模擬，而應(yīng)該準(zhǔn)確得到車輛對路面的沖擊波形，并對車輛信號的出現(xiàn)周期進(jìn)行較為準(zhǔn)確地測量，從而對加載裝置提出合理、科學(xué)的指導(dǎo)。

道路載荷測量系統(tǒng)示意圖

典型輪載曲線車輛觸發(fā)紅外傳感器安裝稱重傳感器試驗(yàn)車輛后輪通過稱重傳感器

試驗(yàn)車輛轎車動態(tài)載荷曲線車速10km/h

車速50km/h

車速40km/h

車速20km/h

模擬載荷譜的構(gòu)成

每一車輛對路面的作用都是一個含有兩個以上脈沖的沖擊信號，因此，模擬載荷的基本構(gòu)成應(yīng)該根據(jù)軸數(shù)、車速和交通量來進(jìn)行。例如，對中型車而言，模擬載荷應(yīng)以兩個不同幅值的半正弦脈沖組成，兩脈沖之間的時間間隔，取決于車速。假設(shè)根據(jù)交通量統(tǒng)計，該型車的年通過量為1000輛，則模擬載荷周期為1000/年，也即以上述兩脈沖信號為基信號，脈沖數(shù)為1000，構(gòu)造模擬加載信號。

N=1000

模擬荷載譜組成T=2*前后軸時間差車輛動荷載作用性狀載荷譜模擬由以下三元素構(gòu)成：

（1）幅值：取決于車型（小型、大客、載重、超大型），選取代表性的車輛測量得到；（2）雙軸、三軸或多軸不同車速下的軸載測量時間差：選取代表性的車輛測量得到；（3）交通流量：不同車型的統(tǒng)計，決定載荷譜的作用時間。對于三軸車輛或多軸車輛而言，由于后軸到第三軸的距離很短，在較高車速下作用于路面的脈沖間隔就很短，這對模擬加載裝置提出了較高要求，即在很短的時間里，產(chǎn)生兩個較高的脈沖。根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)水平，還無法做到。因此，通過考慮載荷的實(shí)際作用性狀和模擬加載裝置的實(shí)現(xiàn)能力，將第二、三軸的載荷加權(quán)疊加，以一個半正弦脈沖來表達(dá)，載荷幅值為兩者之和，作用時間為兩者的算術(shù)平均值。而對于特大型載貨列車，由于載荷大，車速慢，對橋頭跳車不敏感，且交通流量小，故在加載模擬中不加考慮。車輛動荷載作用性狀路基填土動力特性研究目的土體在往復(fù)動荷載作用下將產(chǎn)生隨時間而發(fā)展的振動變形（含塑性振陷變形和彈性變形）往往容易被忽略，實(shí)際上，有些工程問題的振動變形是不能被忽略的，如路橋過渡段路基，車輛動荷引起的彈塑性變形就不應(yīng)被忽略。土在動荷載作用下的變形受許多因素的影響。如：動荷幅值的大?。粍雍刹ㄐ蔚牟煌?；動荷頻率的大?。粍雍勺饔脮r間的長短。土的動變形也受土材料的影響，即土體干密度的大?。煌梁康拇笮?，土材料的區(qū)別等。本項(xiàng)目研究的目標(biāo)就是通過室內(nèi)GDS動三軸試驗(yàn)，探求動荷作用下公路壓實(shí)土的工程特性。試驗(yàn)研究主要成果

通過試驗(yàn)研究高密度壓實(shí)黃土、石灰土的動本構(gòu)關(guān)系，動阻尼特性，動強(qiáng)度特性和動變形特性，主要結(jié)論如下：（1）一般情況下，土的動應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈雙曲線形態(tài)，高含水量時，特別是含水量接近飽和時，土的動應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈軟化特性。（2）土的動模量隨著固結(jié)應(yīng)力、干密度的增大而增大，隨著含水量的增大而減小，且偏壓時的動模量較均勻時大。（3）土的動阻尼隨動應(yīng)變、含水量的增大而增大，隨干密度和固結(jié)應(yīng)力的增大而減小。（4）土的振陷系數(shù)一般呈弱線性關(guān)系，但對含水量特別敏感，隨含水量的增大，振陷系數(shù)曲線趨向非線性。（5）土破壞時的動應(yīng)變一般不會超過3％，對石灰土，其破壞時的動應(yīng)變基本都小于1％。路基填土動力特性路橋過渡段路基模型試驗(yàn)研究

為了深入分析楔形柔性搭板技術(shù)的作用機(jī)理，也為了比較不同處治方法對地基沉降的適應(yīng)性、加固效果等，首次從跳車處治措施對地基沉降的適應(yīng)性出發(fā)，應(yīng)用沉降模擬平臺，開展室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)與大比例原型試驗(yàn)研究、共進(jìn)行了九種不同工況的對比試驗(yàn)。填土中埋設(shè)壓力盒，分析楔形柔性搭板加固體應(yīng)力的變化規(guī)律，分層觀測土層的沉降，繪出相應(yīng)的沉降曲線。通過對試驗(yàn)成果的分析，得出楔形柔性搭板加固臺背的適應(yīng)性及布置形式。試驗(yàn)研究目的小比例模型試驗(yàn)的九種工況：

①細(xì)砂填料，格室呈上密下疏、上長下短布置，底板兩端同時分級下降至8cm,此工況實(shí)際應(yīng)用最為廣泛。②細(xì)砂填料，未放置土工格室，底板兩端同時分級下降至8cm，此工況是對比有無土工格室的影響。③實(shí)際工程用土填料，其他與第一工況同，此工況是對比不同填料的加固效果。④細(xì)砂填料，格室盡量布置在臺后填土頂面，底板兩端同時分級下降至8cm，此工況是對比格室布置不同時的加固效果。⑤細(xì)砂填料，格室等間距布置，底板兩端同時分級下降至8cm，此工況也是對比格室布置不同時的加固效果。⑥細(xì)砂填料，格室均雙層布置，底板兩端同時分級下降至8cm，此工況是對比在增加格室用量情況下的加固效果。⑦細(xì)砂填料，格室布置同第一工況，底板沉降近橋臺側(cè)分級降至8cm，遠(yuǎn)橋臺一側(cè)不下降。此工況是對比不同地基沉降情況下的加固效果。⑧基本同第七工況，但底板沉降的一端在遠(yuǎn)橋臺處。⑨實(shí)際工程用土填料，格室盡量布置在臺后填土頂面，底板兩端同時分級下降至8cm，此工況是對比第四工況。路橋過渡段路基模型試驗(yàn)研究小比例模型試驗(yàn)的主要結(jié)論

（1）土工格室的布置以上密下疏的形式最為有利，這樣既節(jié)省材料，又可得到良好效果。（2）采用雙層土工格室加固臺后填土效果顯著，在經(jīng)濟(jì)條件容許的情況下可適當(dāng)加大格室用量。（3）對于近橋臺端沉降較大的情況，格室的加固效果最好，而此工況在工程實(shí)際中最為常見。（4）土工格室對于砂土和黃土均有明顯的加固作用。（5）臺后填土高度越高，土工格室的削減因地基沉降而導(dǎo)致路面下沉的作用越明顯。路橋過渡段路基模型試驗(yàn)研究路橋過渡段路基模型試驗(yàn)研究大比例模型試驗(yàn)的七種組合工況：

①重力式橋臺＋土工格室楔形柔性搭板＋砂礫填料；②重力式橋臺＋土工格室楔形柔性搭板＋黃土填料；③重力式橋臺＋土工格柵＋砂礫填料，格柵間距50cm，邊坡坡率1：1.5，采用土工格柵包邊；④輕型肋板式橋臺＋土工格室楔形柔性搭板＋砂礫填料；⑤輕型肋板式橋臺＋土工格室楔形柔性搭板＋黃土填料；⑥輕型肋板式橋臺＋土工格柵＋砂礫填料，格柵間距50cm，邊坡坡率1：1.5，并采用土工格柵包邊；⑦重力式橋臺采用灰土換填，邊坡坡率為1：1。

大比例模型試驗(yàn)的主要結(jié)論（1）利用柔性搭板處治路橋過渡段，可有效改善橋頭路堤的不均勻沉降，路基頂面沉降曲線平順，差異沉降減小，最大值僅為3mm。（2）通過模型試驗(yàn)研究，得出三種不同處治方式的適應(yīng)性：

①當(dāng)?shù)鼗两悼刂圃跒?2cm時，采用土工格室柔性搭板結(jié)合砂礫料處治效果較好；②當(dāng)?shù)鼗两递^小時，三種情況處治效果相差不大，采用何種方式可根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕げ牧系姆N類來決定。（3）利用數(shù)值技術(shù)建立試驗(yàn)仿真模型可有效補(bǔ)充模型試驗(yàn)工況組合，擴(kuò)大試驗(yàn)范圍。路橋過渡段路基模型試驗(yàn)研究路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理背景分析

公路橋頭跳車處治中，設(shè)置搭板、換填路堤材料、加筋是常用的處治方法。這些手段對減小路堤總沉降、緩和橋臺與路堤的沉降差起到了一定作用，且不乏成功的工程實(shí)例。但從目前橋頭跳車病害反映的情況來看，這些處治措施也存在不少問題，如搭板斷裂和二次跳車，橋頭錯臺等，針對這些問題，雖然也開展了不少研究，取得了一些成果，但都沒有起到治本的效果。究其原因，是因?qū)μ幹畏椒ǖ倪m應(yīng)性和作用機(jī)理沒搞清楚，從而在處治方法的選用上帶有一定的盲目性，造成其在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了較多病害。如前所述，對一種處治措施的適應(yīng)性研究實(shí)際是分析其消化地基沉降變形的能力，這里通過模擬不同的地基沉降模式，分析其變形與力學(xué)性狀，從而研究路橋過渡段處治措施對地基沉降的適應(yīng)性能力大小和作用機(jī)理，以期對實(shí)際工程應(yīng)用有所指導(dǎo)。路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理剛性搭板的適應(yīng)性分析

（1）通過搭板與路基不同接觸狀態(tài)時的力學(xué)性狀分析表明，當(dāng)搭板彈性支承于路基土上時，板底彎拉應(yīng)力較??；當(dāng)脫空區(qū)長度小于1.08m時，其對搭板受力沒有影響，隨著脫空區(qū)長度的繼續(xù)增加，板底彎拉應(yīng)力顯著增加，當(dāng)搭板與路基土完全脫空時，其受力狀態(tài)與簡支板相似。因此，搭板脫空長度是影響搭板受力狀態(tài)的主要因素。設(shè)計時，可保守地按簡支板進(jìn)行搭板的內(nèi)力計算。（2）搭板對地基沉降的適應(yīng)性分析表明，地基沉降的增大將引起搭板縱坡變化率的增大，從而產(chǎn)生橋頭跳車現(xiàn)象。因此，地基沉降是影響搭板縱坡變化率的主要因素。搭板對地基沉降的適應(yīng)性表現(xiàn)為：長度6m的搭板適用于處理地基沉降在3cm以內(nèi)的橋頭路段；8m長度的搭板適用于處理地基沉降在4cm以內(nèi)的橋頭路段，而10m搭板適用于處理地基沉降在5cm以內(nèi)的橋頭路段。

路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理

換填路基適應(yīng)性分析

（1）橋頭路堤換填壓縮模量大的填料可以明顯減小路堤的壓縮變形，同時沿路堤高度1：1的楔性“剛?cè)徇^渡”換填方式不僅可大大減少換填量，更有利于協(xié)調(diào)其沉降差。（2）當(dāng)?shù)鼗鶠榫鶆虺两的Ｊ綍r，路堤沉降量主要體現(xiàn)在地基沉降值的大小，換填方式無法起到消化地基沉降的作用。（3）當(dāng)橋頭地基存在局部軟弱區(qū)域時，橋頭路堤換填抗剪強(qiáng)度高、具有一定整體性的填料（如灰土），能夠較好地消化地基的不均勻沉降，而砂粒填料次之，粘土最差。但換填灰土一定要保證施工壓實(shí)，使其形成為一個整體。路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理平面加筋技術(shù)適應(yīng)性分析（1）土工格柵利用其較大的拉伸模量，通過其與土體的界面摩擦和咬合作用，限制路堤填土的側(cè)向位移，提高土體的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力，從而減小路堤的壓縮變形值。且隨路堤變形模量的減小，作用更顯著。（2）土工格柵變形后也存在“網(wǎng)兜效應(yīng)”，從而使荷載的分布趨于均勻；（3）土工格柵一端錨固于橋臺上，利用其抗拉伸能力，阻止橋臺附近土體的向下沉降，同時也減小橋頭路基和地基的豎向應(yīng)力。針對橋頭路堤平面加筋處治技術(shù)提出建議：（1）平面加筋材料應(yīng)選用具有較大拉伸剛度的筋材，同時應(yīng)換填內(nèi)摩擦角較大的填料；（2）平面加筋材料對于減小路堤自身的壓縮變形較為有效，但消化地基沉降變形的能力較差，因此，土工格柵加筋技術(shù)適用于處治地基條件較好的橋頭過渡段。當(dāng)?shù)鼗^差時，應(yīng)結(jié)合其它方法進(jìn)行綜合處治。計算模型圖路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理楔形柔性搭板適應(yīng)性分析

楔形柔性搭板處理區(qū)的沉降特征

路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理

楔形柔性搭板處理區(qū)的位移特征

(△=10cm)

(△=5cm)

(△=0cm)路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理應(yīng)力云圖(△=10cm)

應(yīng)力云圖(△=5cm)

應(yīng)力云圖(△=0cm)

楔形柔性搭板處理區(qū)的應(yīng)力特征路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理不同地基條件下路基底部應(yīng)力曲線

路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理路橋過渡段處治技術(shù)適應(yīng)性及作用機(jī)理適應(yīng)性分析結(jié)論（1）土工格室較大的限制側(cè)向變形能力不僅限制了其中填料的側(cè)脹，同時其構(gòu)成的復(fù)合體具有較大的剛度和拉伸強(qiáng)度，通過界面摩阻力和粘附力也限制了周圍土體的側(cè)向變形,提高了土體的抗剪強(qiáng)度，從而減小了路堤本身的壓縮變形。（2）由于土工格室復(fù)合體具有較大的壓拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和一定的彎拉強(qiáng)度特性,通過其一端錨固于橋臺,一端伸入路基中，能有效地阻止了上層土體的向下沉降,從而在復(fù)合層下面產(chǎn)生松動區(qū)。同時由于土工格室的多層連續(xù)布置,使得路堤的沉降在每一層中都得到消減,使得橋臺與路堤之間的沉降差在較長的范圍內(nèi)得到平緩過渡。（3）由于松動區(qū)的存在,路基豎向應(yīng)力明顯減小，橋臺附近一定范圍內(nèi)地基的附加應(yīng)力也得到減小,這樣不僅減小了路基的壓縮變形,也減小了地基的沉降形。（4）格室變形后產(chǎn)生的”網(wǎng)兜支承效應(yīng)”使荷載分布趨于均勻。★柔性搭板的設(shè)計原則技術(shù)可行、施工方便、造價經(jīng)濟(jì)、效果明顯★柔性搭板的適用范圍適用性主要體現(xiàn)在對地基條件的要求上：即臺背地基的工后沉降要滿足公路軟土地基設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定≤10cm的要求;計算不符合要求時，必須對臺背地基進(jìn)行處理。工程應(yīng)用★柔性搭板的設(shè)計要素間距：布置上密下疏，頂層間距1m左右，底層間距2m左右，中間距從1m到2m逐漸過渡層數(shù)：布置層數(shù)視地基條件與路堤高度而定，當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差、填土較高時，布置3～5層，地基條件較好時，布置2～3層。長度：按楔形布置，自上而下長度逐漸減短，頂層8～12m，底層3～4m,中間幾層逐漸過渡。布置寬度為整個路基橫斷面。

厚度：地基較差時，柔性搭板頂部須連續(xù)布置4～5層，可把下面2～3層長度減短為4m,地基較好時布置2～3層。

工程應(yīng)用★柔性搭板的設(shè)計優(yōu)化

●路基填料的影響

●柔性搭板布置間距的影響

●柔性搭板布置長度的影響

●柔性搭板頂層厚度的影響

●柔性搭板厚度的影響

●柔性搭板布置層數(shù)的影響工程應(yīng)用土工格室材料檢查驗(yàn)收整平地面并振壓土工格室與臺背固定件安裝張拉鋪設(shè)土工格室裝載機(jī)或汽車填料推土機(jī)初平填料人工掛線整平填料壓路機(jī)碾壓檢查驗(yàn)收★柔性搭板的施工工藝工程應(yīng)用

該項(xiàng)技術(shù)已在甘肅柳忠高速、古永高速、劉白高速、臨清高速、蘭臨高速、武威過境段、陜西靖王高速、山西祁臨高速及福建廈門等路橋過渡段中得到成功應(yīng)用。通過實(shí)體工程的實(shí)施，進(jìn)一步完善了楔形柔性搭板處治技術(shù)整套的施工工藝和質(zhì)量保證措施。

工程應(yīng)用

針對實(shí)體工程，開展了大規(guī)模的承載板與彎沉試驗(yàn)，并進(jìn)行工后沉降觀測。承載板與彎沉試驗(yàn)結(jié)果表明，楔形柔性搭板布置區(qū)的強(qiáng)度和剛度相對于未布置區(qū)均有較大提高，從而改善了臺背填土擴(kuò)散荷載和降低沉降的能力，減小橋頭的不均勻沉降。路面工后沉降觀測表明，楔形柔性搭板處治技術(shù)很好地協(xié)調(diào)了路橋過渡段的沉降差，減小了總沉降值，從而消除了橋頭跳車病害，達(dá)到處治目的。

工程應(yīng)用實(shí)體工程應(yīng)用實(shí)體工程實(shí)景

柳忠高速于2002年6月建成通車，兩年多的運(yùn)營，經(jīng)楔型柔性搭板處治后的臺后路堤與橋臺的沉降差得到很好協(xié)調(diào)，路線縱坡過渡平緩，橋頭跳車病害沒有發(fā)生。實(shí)踐表明，楔型柔性搭板技術(shù)可較好地解決橋頭跳車病害，研究成果能對黃土地區(qū)的高等級公路建設(shè)提供借鑒；經(jīng)測算，根據(jù)課題研究提出的臺后楔型柔性搭板處治方法較優(yōu)化前采用剛性搭板＋土工格柵＋換填處治方法節(jié)約工程造價約30％，依托工程中6個臺后處治共節(jié)約工程費(fèi)44萬元。同時，也大大減少了