路橋過渡段路基病害特征與處治技術(shù)第一頁，共46頁。路橋過渡段路基病害特征與處治技術(shù)—楔型柔性搭板技術(shù)的應用實踐第二頁，共46頁。講授大綱★背景材料★病害特征★處治技術(shù)★相關(guān)研究★工程應用第三頁，共46頁。

改革開放以來，我國的公路建設(shè)飛速發(fā)展，全國高速公路可達3萬余公里，二級以上公路30萬公里。但從已交付的高等級公路特別是高速公路來看，存在著一定問題。其中較為普遍的是，在橋臺構(gòu)筑物與臺后填土銜接處存在差異沉降，使得路面形成臺階或顯著的縱坡變化，高速行駛的車輛通過時產(chǎn)生顛簸跳躍，從而導致橋頭跳車現(xiàn)象的產(chǎn)生，這種現(xiàn)象幾乎在每條高速公路上都有，只是數(shù)量多少和程度輕重的差別。

背景材料亟待解決的難題第四頁，共46頁。

“橋頭跳車”是公路中的常見病害,也是多年來困擾公路行業(yè)的一大難題。橋頭跳車輕則使車輛通過時產(chǎn)生跳動,對橋梁和路面造成附加沖擊,使司乘人員感到不適。嚴重的橋頭跳車,尤其在高速公路上,不僅使行車的不適感大大增加,車速大幅降低,甚至導致車輛失控而發(fā)生交通事故。同時，對路橋過渡段路面的大量維修養(yǎng)護不僅花費大量人力、物力和財力,而且也產(chǎn)生了不良的社會影響。背景材料第五頁，共46頁。

滬嘉高速公路在建成一年后即開始進行橋頭引道沉降處理，六年共五次對大多數(shù)橋頭進行處理，工程總費用982.6萬元。杭甬高速通車以來，花費在橋頭路面治理的費用也十分驚人。在美國，大約25%的路橋過渡段受到“橋頭跳車”的影響，每年為此花費的維修費用預計在1億美元以上。因此，橋頭跳車病害已成為高速公路建設(shè)質(zhì)量改善和提高的“攔路虎”，也是擺在各國工程技術(shù)人員面前的一大難題。背景材料第六頁，共46頁。

背景材料

橋頭跳車的表現(xiàn)形式有兩種，一是橋頭不設(shè)搭板時橋臺與路堤銜接處的錯臺現(xiàn)象；二是橋頭設(shè)置搭板時由于搭板路基端沉降引起的路橋過渡段縱坡變化。第一種形式，車速在60～140km/h時，臺階高度在1.5cm以上車輛行駛速度將受到影響，同時產(chǎn)生顛簸而形成跳車。第二種形式判定其嚴重與否的決定因素是搭板沉降前后的縱坡變化率。國內(nèi)外多數(shù)根據(jù)現(xiàn)場行車調(diào)查確定搭板容許坡差，瑞典的標準是4‰，法國規(guī)定為3.8～6‰。一些行車調(diào)查表明，對90～100km/h的車速，搭板縱坡變化值在4～6‰以下時，不會影響行車舒適性。京石公路使用狀況調(diào)查顯示，60km/h的車速，橋頭縱坡變化率在5‰以下時沒有跳車感覺。第七頁，共46頁。

背景材料

就目前我國的公路建設(shè)水平，要想徹底解決橋頭跳車現(xiàn)象是很困難的。但若采取一些行之有效的措施，使這一現(xiàn)象得以較大程度的緩解則是可以實現(xiàn)的。我們曾針對西南、西北地區(qū)（主要是云南、四川、陜西、甘肅等）具有代表性的高速公路進行了比較細致的調(diào)查研究工作，調(diào)研的主要線路：①四川省以達州為基點對重慶、成都方向的高速公路及210國道的路橋過渡段進行調(diào)研；②陜西省以西安市為基點對西寶、西銅、西臨高速進行調(diào)研；③甘肅省以天巉、巉柳、柳忠、尹中、古永、白蘭高速沿線路橋過渡段為重點；④云南省對昆玉、昆石、玉元、元磨及大保線進行了調(diào)研。第八頁，共46頁。

背景材料調(diào)研的主要內(nèi)容：

（1）線路名稱、橋的里程。

（2）橋臺類型：重力式、輕型（樁柱式、肋板式）及其它類型。

（3）填土類型及填筑方式：地基處理程度、壓實度、工期及填土高度。

（4）病害類型及破壞程度：整體側(cè)向滑移、路堤與橋臺間形成錯臺、地面凹陷、搭板斷裂、搭板與路堤形成縱向坡度差等。

（5）所采取的防治措施及相應的處治方法。第九頁，共46頁。

背景材料

調(diào)研結(jié)果（1）：四川地處我國西南地區(qū)，高速公路多位于山嶺重丘區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)和地形條件復雜，地下、地表水豐富，溝谷切割劇烈。據(jù)鉆孔調(diào)查發(fā)現(xiàn)已建成的橋臺臺背在處治前填土普遍存在以下問題：路段內(nèi)臺背填土的主要材料為塊狀泥巖夾土混合填料，碎石夾素填土，塊狀泥巖強度較高，但不易于壓實，且未經(jīng)很好處理的塊狀片石和土混合填料具有大空隙和局部架空結(jié)構(gòu)。一旦浸水或在車輛振動荷載的長期作用下可能失穩(wěn)，造成填方土體的不均勻沉降。該區(qū)橋臺分重力式U型臺和輕型臺兩種，其中重式U型臺多為料石漿砌而成，基礎(chǔ)多為弱風化基巖。臺背填料為就近的碎石、塊石和粘土混合料。輕型橋臺為樁柱式橋臺，地基一般為黃褐色粉質(zhì)粘土，鉆孔資料表明在注漿前橋頭回填料的壓實效果不是很好，回填段在處置前孔隙較多。第十頁，共46頁。

背景材料搭板未端形成錯臺。該橋路堤填土為碎石土，填高13m，重力式U型臺，搭板長5m，基礎(chǔ)為弱風化基巖，瀝青混凝土路面，搭板末端出現(xiàn)3.5cm垂直錯臺。臺背路面局部沉降較大。該橋為輕型臺，地基為沖填土，臺背換碎石、塊石混合土，未設(shè)搭板，橋頭有3cm不均勻沉降，最大沉降距橋臺4m處。第十一頁，共46頁。

背景材料調(diào)研結(jié)果（2）：陜西地處黃土高原腹地，西寶、西潼、西黃高速公路大多數(shù)路段處在渭河左岸一級階地上，其上堆積著第四紀新黃土，路基也多以這類黃土填筑而成，由于黃土地基的濕陷性沉陷、地下水較豐富，軟基較多，且部分路段路基施工質(zhì)量較差，雖然采取了許多措施，如注漿、混凝土樁置換、路面重鋪等措施但跳車現(xiàn)象依然嚴重，至2005年3月許多路段相繼出現(xiàn)路基沉陷、路面變形開裂、邊坡坍塌、橋臺背沉陷等病害，嚴重地影響車輛的正常行駛。前轍可鑒，后車之師，對在建或擬建的高等級公路來講，十分需要總結(jié)經(jīng)驗教訓，提高設(shè)計、施工技術(shù)水平和工程管理水平，以便減少或減輕橋臺背路基沉陷病害。第十二頁，共46頁。

背景材料1.路基沉降及路面下陷。西寶高速灃河大橋為輕型臺，臺背為黃土，填高5m，距橋頭5m處沉降達30cm。2.路基下沉搭板脫空。渭南大橋為輕型臺，搭板長6m，臺背為黃土，填高2m，搭板未端橫向裂縫2cm，搭腔板底部脫空。3.路基沉降搭板斷裂。西寶高速一小橋為U型臺，搭板長5m，填土高5.5m，路基下沉較大引起搭板斷裂。

（1）（2）（3）第十三頁，共46頁。

背景材料調(diào)研結(jié)果（3）：甘肅多位于隴西黃土高原，該處以黃土梁峁地形為主，多為新黃土，淺黃色，粉粒含量較高，結(jié)構(gòu)疏松，土質(zhì)均一，不顯層理，垂直節(jié)理與大孔隙十分發(fā)育，具強烈濕陷性。侵蝕切割嚴重，梁峁之間沖溝較發(fā)育，多呈V形溝，多呈樹枝狀，在黃土丘陵前緣斜坡地帶黃土陷穴發(fā)育，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有濕陷性黃土、黃土陷穴、軟土、滑坡和巖堆。由于該區(qū)段的地下水水位較低，軟基對路基的影響不是主要的因素，但由于該路段的黃土粉粒含量較高，結(jié)構(gòu)疏松，強度較低，整體性差，而且具有強烈濕陷性，因此，該區(qū)除搭板末端有通常易產(chǎn)生的病害外，病害主要表現(xiàn)為路基的整體破壞和路基浸水后局部過量沉降。第十四頁，共46頁。

背景材料1.整體側(cè)向剪切破壞。天巉二專牛谷河橋為輕型臺，地基為黃土，臺背回填砂粒及黃土，填高11m。出現(xiàn)長15m寬1.5cm的圓弧裂縫，并有3cm下沉,路基整體有側(cè)向滑移趨勢。2.整體橫向剪切破壞。巉柳高速太平溝橋為輕型臺，填高4m，臺背有20cm下沉，護坡多處開裂，填土整體向橋臺滑移并有橫向剪切破壞。3.路基局部過量沉降。尹忠高速立交橋為塊砌U型臺，填高8m，板端有15cm不均勻沉降,并在20m范圍形成縱向返坡。（3）（1）（2）第十五頁，共46頁。

背景材料調(diào)研結(jié)果（4）：云南高速公路同樣多位于山嶺重丘區(qū)，溝谷切割強烈，地表紅粘土層較薄，基巖多為石灰?guī)r或泥巖，地下水較豐富，地質(zhì)地形條件復雜。調(diào)研的主要線路有昆玉、昆石、玉元、元磨及大保高速公路。該地區(qū)在路面進行重鋪后橋頭跳車現(xiàn)象并不十分明顯，但從現(xiàn)場的調(diào)查看橋頭跳車現(xiàn)象在路面重鋪前同樣比較普遍，而且路面重鋪后病害的隱患仍然存在。第十六頁，共46頁。

背景材料1.臺背過量沉降引起橋頭跳車。昆石高速k34+490橋，輕型臺，強風化碎石夾土回填，填高6m，軟基路段，雖路面重鋪，但可看出臺背路面下沉約10cm。2.路基局部不均勻凹陷引起跳車。玉元高速楊武橋，重力式U型臺，路堤為強風化碎石夾土回填，填高3m，從開挖處看重鋪前有8cm差異沉降，側(cè)墻開裂0.5cm。3.臺背差異沉降形成錯臺引起跳車，大保高速k3+300橋，石砌重力式U型臺，粗粒土回填，填高8m，地基為基巖，臺背有2cm差異沉降。（3）（1）（2）第十七頁，共46頁。

病害特征1．路堤整體滑移

路堤的整體側(cè)向滑移是指路堤邊坡過陡或是受到破壞后,在上部重復荷載作用下形成縱向裂縫或沿破裂面整體下滑。對于樁柱式埋置式橋臺，臺前的土體基本處于無側(cè)限受壓狀態(tài)。當錐坡受到破壞，且在自重和車輛的沖擊荷載作用下，土體有向橋內(nèi)移動的趨勢，形成橫向裂縫或整體下滑，使得橋頭部位的路基、路面產(chǎn)生較大的豎向位移，從而引起橋頭跳車。第十八頁，共46頁。

2．路基與橋臺間形成臺階

主要表現(xiàn)：①局部沉降發(fā)生在臺背與過渡段結(jié)合處，即最大沉降深度D距離橋臺背很近，形成錯臺；②路基整體下沉，差異沉降D達到一定值時，引起橋頭跳車現(xiàn)象。

病害特征第十九頁，共46頁。

病害特征3．路面凹陷

路面凹陷也是一種常見病害，主要是由于路堤或地基的不均勻沉降引起，外部表現(xiàn)特征是路基沉降不均勻，路面破壞嚴重、凹凸不平。此模式的主要特征是：（1）過渡段內(nèi)的路基沉降不均，路面出現(xiàn)凹陷；（2）沉降的最大值距橋臺有一定的距離。第二十頁，共46頁。

病害特征4．搭板斷裂

搭板斷裂是用搭板法處理中產(chǎn)生的一種新病害。破壞特征主要表現(xiàn)為：（1）路基發(fā)生不均沉降，搭板底部脫空，沿脫空區(qū)受力較大的方向發(fā)生斷裂；（2）枕梁部分及其以外的路基沉降較??；（3）搭板較薄，不足以單獨承受上部荷載。第二十一頁，共46頁。

病害特征

5．搭板與路堤形成縱向坡度差

搭板在防止橋頭跳車方面成功的實例很多，但也有不足之處，當路堤沉降較大或搭板長度不夠，縱向坡差超過一定范圍時，就會在搭板與路堤銜接處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，形成“二次跳車”。主要特征：（1）路基整體沉降過大；（2）搭板較短不足使橋臺與路基的差異沉降平穩(wěn)過渡；（3）搭板間一端簡支于橋臺。第二十二頁，共46頁。

病害特征6．搭板末端產(chǎn)生差異沉降

因我國橋頭跳車問題比較突出,故在設(shè)計與施工中都采取一定措施，如在設(shè)置橋頭搭板的同時對搭板區(qū)段路基進行注漿處理，這樣過渡段的下沉固然減小了，但往往忽略了對搭板以外路基的處理與壓實，經(jīng)過一段時間的運營后在這一部位產(chǎn)生差異沉降，形成新的跳車現(xiàn)象。第二十三頁，共46頁。

發(fā)達國家由于高速公路起步早，現(xiàn)有的方法主要是補救維修。同時，由于其高速公路的路堤填土高度較低，通道數(shù)量較少，且施工周期較長，所產(chǎn)生的工后沉降較小，相應產(chǎn)生的危害就小，處治的思路與處治費用就會大不一樣。國內(nèi)也開展了很多這方面的研究工作，提出了一些處治方法，并在工程中積極推廣應用。但有些方法處治機理不清，治標不治本，故有成功的案例，也不乏失效的報道。究其原因，主要是沒有進行系統(tǒng)的研究，對處治方法的作用機理和適應性沒有搞清楚，即使立題研究，也往往投入較少，只有宏觀調(diào)查資料，而缺少試驗分析結(jié)果，現(xiàn)場測試分析較少。因此，方法的推廣應用就必然受到限制。處治技術(shù)第二十四頁，共46頁。

路橋過渡段橋臺與路堤兩種材料剛度的較大差異是產(chǎn)生橋頭跳車的客觀因素，同時設(shè)計和施工中的一些不合理因素也加劇了橋頭跳車病害的發(fā)生。橋臺大多為混凝土結(jié)構(gòu)或圬工砌體，自身變形量可忽略不計，橋臺的沉降主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)的沉降，而高等級公路的橋梁主要以鉆孔樁為主，即使擴大基礎(chǔ)，也建在很好的地基上，故橋臺沉降往往很小。而路堤沉降則由地基沉降和路基壓縮沉降兩部分組成。“橋頭跳車”主要是由路堤沉降造成的。處治技術(shù)第二十五頁，共46頁。

路橋過渡段路基沉降包括路基填土沉降和路基下地基沉降兩部分。這時，路基填土即是荷載體又是構(gòu)造體，橋頭段經(jīng)處治后之路基填土不僅要減小路基自身的變形，更重要的是該填土體還要適應路基下地基產(chǎn)生的容許沉降變形。路基填土體消化自身的變形比較容易，而要消化地基的變形則比較困難。因此，一種處治方法的適應性評價實際上就是研究其消化路基下地基沉降變形的能力。處治技術(shù)第二十六頁，共46頁。橋頭跳車處治方法處治思路處治方法減小路基壓縮變形①提高路基填土的壓實度②換填材料（砂礫石，碎石等）③擠密樁④加筋（土工網(wǎng)等）沉降過渡方法①橋頭搭板②漸變樁③柔性橋臺減少地基沉降①地基處理（粉噴樁，鋼渣樁，超載預壓，等等）②采用輕質(zhì)材料填筑路基（粉煤灰,聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）和發(fā)泡珍珠巖等）路面處理①預設(shè)反向坡度②設(shè)置過渡段路面

常用橋頭跳車處治方法一覽

處治技術(shù)第二十七頁，共46頁。

從協(xié)調(diào)和控制橋臺與路堤間差異變形的目的出發(fā)，應用新型土工合成材料－土工格室，自主研發(fā)了楔型柔性搭板處治技術(shù)?，F(xiàn)場試驗和沉降觀測結(jié)果表明，楔型柔性搭板技術(shù)協(xié)調(diào)橋頭差異沉降作用明顯，是一種成功的處治橋頭跳車病害的方法。新的橋頭跳車處治技術(shù)--楔型柔性搭板處治技術(shù)第二十八頁，共46頁。楔型柔性搭板：利用土工格室與填料構(gòu)成的具有強大側(cè)向限制和大剛度的柔性結(jié)構(gòu)層，結(jié)合臺背聯(lián)結(jié)技術(shù)，形成臺后楔型加固體，即能有效地消除地基沉降的影響，又能起到約束路堤的側(cè)向位移和擴散荷載、減小路堤豎向位移的作用，從而達到消除橋頭跳車的目的。處治技術(shù)第二十九頁，共46頁。重力式

肋板式

樁柱式

楔型柔性搭板第三十頁，共46頁。

橋臺與路堤剛度相差懸殊，兩種材料在各種內(nèi)部及外部因素影響下的變形差異不可避免。因此，要達到消除橋頭跳車的目的，研究橋臺與路堤之間變形的協(xié)調(diào)和控制是研究處治技術(shù)的核心。相關(guān)研究第三十一頁，共46頁。相關(guān)研究

到底這些方法的適應性如何，如何評價一些方法的優(yōu)劣，針對這些問題開展深入系統(tǒng)的研究，對于保證高速公路車輛的交通安全和舒適行駛，提高高速公路的社會效益、降低已建高速公路的養(yǎng)護維修費用、改善待建高速公路的質(zhì)量都具有十分重要的意義。第三十二頁，共46頁。項目共分8個研究專題：1．路橋過渡段路基下地基沉降與沉降模擬試驗系統(tǒng)研制2．車輛振動與沖擊荷載作用性狀與動載模擬系統(tǒng)研制3．路橋過渡段路基處治技術(shù)的適應性與作用機理研究4．路橋過渡段路基填土動力特性與相關(guān)參數(shù)研究5．路橋過渡段路基處治技術(shù)的仿真與優(yōu)化6．路橋過渡段路基設(shè)計與計算方法研究7．路橋過渡段路基施工工藝與質(zhì)量控制體系研究8．路橋過渡段路基病害治理的適應性研究相關(guān)研究第三十三頁，共46頁。研究技術(shù)路線數(shù)值仿真與優(yōu)化調(diào)研與資料收集動荷作用頻度與作用強度地基沉降特征分析車輛動載模擬系統(tǒng)地基沉降模擬試驗系統(tǒng)制定大比尺模型試驗方案專家審議模型試驗研究填土動力特性與相關(guān)參數(shù)研究設(shè)計與計算方法，施工工藝和質(zhì)量控制體系實體工程病害治理適應性研究第三十四頁，共46頁。研究手段☆數(shù)值仿真軟件平臺（MARC)☆GDS動三軸試驗系統(tǒng)☆車輛動載模擬加載系統(tǒng)☆小比例沉降模型試驗箱☆大比例沉降模擬試驗臺☆現(xiàn)場試驗測試設(shè)備第三十五頁，共46頁。楔型加固體的拓撲優(yōu)化驗證

在加固體布置時，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗結(jié)合感性認識，采用了倒梯形的楔型加固方式，但缺乏相應的理論支撐。如何將這種設(shè)計由“感性”變?yōu)椤袄硇浴?，基于連續(xù)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理，應用拓撲優(yōu)化理論，認為最合理的加固方式應是在一定加固面積約束條件下實現(xiàn)抵抗荷載和變形能力最強，以此對路橋過渡段路基加固體進行結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。拓撲優(yōu)化考慮體積約束和結(jié)構(gòu)平衡方程，以結(jié)構(gòu)的柔順度最小，即剛度最大為目標，其得到的最優(yōu)拓撲抵抗變形的能力最強。即定義結(jié)構(gòu)柔順度為拓撲優(yōu)化函數(shù)，將其指定為目標函數(shù)，指定結(jié)構(gòu)的名義總體積為約束函數(shù)。第三十六頁，共46頁。不同荷載作用下的最優(yōu)拓撲圖50%（b）55%

6m-10m-8m最優(yōu)拓撲圖

6m-10m-10m最優(yōu)拓撲圖面力荷載體力荷載面力體力荷