关于桥台后填土沉降机理的分析

随着我国国民经济的迅速发展，高等级公路越来越多，而路桥过渡段桥涵（通道）及其后回填土差异沉降所引发的“桥头跳车”问题始终困扰着道路工程界。路基与桥台的连接是不同性质构筑物的连接，在己建成的高速（等级）公路中，许多桥涵两端出现了不同程度的错台或较明显的沉降开裂。这些错台（裂缝）致使车辆发生瞬时的上下颠簸（即所谓的桥头跳车）现象。为降低颠簸程度保证行车安全，车辆被迫在桥头处减速行驶，这又影响到公路的使用性能和运输效益。近年来，桥台跳车现象以其存在的普遍性和难以根治性，已被广泛重视起来。国内外学者从病害成因机理、施工控制及处置措施等方面对桥涵回填稳定问题进行了广泛研究，认为解决桥涵后回填稳定性问题的关键可归结为保证公路正常使用的设计指标和控制指标问题，而台背填土沉降机理分析是设计指标和控制指标指定的关键问题。本文就此问题进行一些分析与探讨。
　　1. 台背填土力学特征分析
　　目前，道路上常用的桥台类型主要有重力式桥台、桩柱式桥台、承台分离式桥台这么3种（如图1、2、3）所示。桥台后所用填料类型主要为：石灰土、砂砾、泥质页岩、手摆片石等。尽管桥台类型的不同对台后回填材料的差异沉降有一定的影响，然而由于桥台容许的水平向与竖向变形相对地较小，从而可以统一处理为刚性约束边界条件。
　　由于桥后填土位于刚柔相济地的特殊位置，桥台与填土沉降的不均匀性造成了回填区路面的严重破坏，破坏情况可分为：
　　（1）. 搭板与桥头连接处路面车辙、开裂；
　　（2）. 回填区末端路面横向开裂；
　　（3）. 搭板末端与路基交界处路面的横向裂缝和差异沉降；
　　（4）. 搭板上的路面面层车辙严重，路面材料应进行特殊设计；
　　（5）. 浆砌片石重力式桥台台帽下片石易松散，造成伸缩缝和搭板下沉。
　　为分析上述工程病害的形成机理，有必要对桥后填土力学特征进行深入的分析。
　　1.1 非饱和状态
　　自然界中的地基土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的。工程中所遇到的土体，大多数以非饱和土形态存在，即土颗粒孔隙中既含有液体，又含有气体。除土颗粒本身的性质外，孔隙中水、气的含量不同，也将导致土体的性质各异。一般认为，路基土在填筑过程中的夯实或压实都不足以使填土达到饱和状态。此外，路基土位于面层下而在地下水位以上的特殊位置，使得路基中形成了饱水带和非饱水带混杂的情况。因此，回填材料从本质上来说应属于非饱和土类型。
　　非饱和土具有多于两相的组成，其孔隙水压力相对于孔隙气压力而言为负值。非饱和土与饱和土在性质和工程性状上存在着根本的差异。通常定义非饱和土具有三相，即：固相（指土颗粒），液相（主要指水），气相（指空气）。更确切地说，非饱和土中还有第四相存在，亦即水与气的分界面或所谓的收缩膜。例如，堤坝等工程在建造过程中孔隙压力的消散过程不能用经典土力学理论来说明。堤坝的变形由于孔隙气体的存在而发生变化，若仍由饱和土力学理论来指导施工，势必影响填筑质量或施工进度。堤坝运行后，水位变动会使孔隙水、气的比例发生变化，从而使土体的固结、强度和渗流等情况都与饱和土力学理论所阐明的不同。

图1 重力式U型桥台回填示意图

图2 桩柱式桥台台背回填示意图

图3 承台分离式桥台回填设计图

图4 双弹簧模型示意图

　　1.2 台背侧限作用
　　传统设计中，由于容许侧向和竖向变形小的缘故，桥台基础常设计为刚性，即便在软土路段的桥台段亦采用桩基础将上部荷载传递给不变形的刚性地层或承截力很高而变形量很小的相对硬层，相对地不发生变形和沉降。由此，对于填土来说，桥台可统一处理为刚性的边界约束条件，限制着填土的侧向变形。在桥台的作用下，填土水平向不能自由变形必然影响到竖向沉降变形；此外，桥台对填土可能给予竖向的摩擦作用而影响沉降变形。因此，合理地模拟桥台与填土的相互作用也是计算沉降的关键。张兴强等人将填土与桥台之间的变形模式用双弹簧模型（如图4所示）来考虑，即：假设桥台与台背填土之间有无数竖向的线性弹簧和水平向的刚性弹簧连接。竖向弹簧连接在桥台一侧是完全约束。当土体在外荷载作用下发生竖向变形时，每个竖向弹簧提供一个反向外力来模拟桥台对土体变形的摩擦作用。然而，对于这些假定还须在相关试验的基础上予以验证才能用于工程实际。因此，有必要通过试验分析土与结构交界处的力学性状、变形特征、作用范围来归纳总结得到一个反映界面真实作用性能的接触面作用模型以真实地反映桥后填土的变形特性。
　　1.3 交通荷载作用
　　振动是自然界的普遍现象。对于机器振动、车辆行走、飞机起降以及近海波浪作用等都是长期循环荷载的例子。车辆行走与飞机起降等交通荷载是随车轮移动而重复变化的动应力，其大小取决于轴重大小、交通量大小、运行速度以及道路结构形式，一般应力水平较低。地基填土在低应力水平的交通荷载作用下，塑性与粘性变形在积累。因此，工程设计中要求土体的变形能控制在一定限度内并且永久变形在长期荷载作用下趋于稳定而不继续发展。
　　交通荷载作用下的填土路基具有一定的动力特性。路基在车辆振动荷载作用下，初期表现为较大的弹性动力响应，加剧了道路与车辆的相互作用与振动，影响车辆的行车安全与舒适性；随着作用次数的增加，路基填土的塑性变形与粘性变形得到发展，道路出现不均匀沉降，从而影响道路的正常使用。
　　2. 沉降机理分析
　　土是多孔多相介质，本质上是多成分的复杂体系，其变形机理根本不同于一般固体的晶格滑移或错动，而是颗粒间的相对变位（如滑动、错位、翻越、旋转和颗粒重排等）。因此，若引入基于细观结构的模拟颗粒间相互作用的颗粒流理论，可以较为真实地描述土体各种的变形情况。而回填材料则是包含孔隙气在内的非饱和土。分析认为，空气的存在即使是少量，也会使土成为非饱和土，以气泡形式存在的少量空气会使孔隙中的液体成为可压缩的。通常情况下，较大量的空气在土中形成连续的气相，这时孔隙气压力和孔隙水压力开始出现显著差别，从而使经典饱和土土力学的原理和概念不再适用。此外，非饱和土的变形性能也随饱和度而变化。因此，应该引入非饱和土理论来分析填土的沉降变形。
　　桥台后回填材料与常规填方材料受力情况的最大差别在于桥台后回填材料处于刚柔相济的交界面处，由于刚性结构物的存在以及墙后回填材料压实的困难等因素影响，导致其应力变形具有特殊性质。桥台与填土间存在着水平向的挤压作用和竖直向的剪切摩擦作用，水平向的挤压作用限制着土颗粒的侧向变形，而竖向摩擦可能迟滞接触面附近填土颗粒的沉降变形。因此，在数值分析中应该设置合适的接触面单元以模拟桥台与填土的相互作用对沉降的影响。尤其重要的是，分析桥后回填区域内不均匀沉降范围，从而得到处置不均匀沉降的措施和方法。
　　交通荷载作用下将产生永久变形的累积，长期作用可能导致路基路面的结构损坏。其机理为：车辆荷载的反复作用通过路面传递到路基，引起路基填土颗粒的逐渐压密，土颗粒间进一步靠拢，发生路基沉降，但不产生引起土体整体破坏的剪裂面；随着荷载作用次数的不断增加，产生了不断发展的剪切变形，形成了能引起整体破坏的剪裂面，最后达到破坏阶段。
　　为了获得合理的桥后填土沉降计算理论，应通过回填材料的室内材料试验与物理模型试验，对桥涵（通道）结构物作用下材料固结变形机理予以深入探讨，包括孔隙压力消散与有效应力增长关系的研究。
　　3. 处置措施
　　现在人们越来越认识到过渡段质量的重要性，因此，从设计到施工，采取多种措施，如对过渡段进行单独设计、单独施工，以达到减少或消除过渡段的不均匀沉降对线路行车影响的目的。常用的处置措施包括土工格栅加筋、采用特殊填料和设置搭板。
　　为解决桥头跳车问题，利用土工合成材料协调变形的性质，人们常常在桥后填土中加入土工格栅、土工格室、成块膨胀聚苯乙烯等材料以降低过渡段回填物的不均匀沉降，使台背与路桥交界面处的台阶或跳跃沉降变为连续的斜坡沉降；分析认为：在桥背与格栅间置入EPS夹层可以使格栅与填土颗粒摩擦作用得到充分发展，从而有效发挥格栅的变形协调作用，降低了台背处的侧向和垂直应力剪应力区的塑性展开。
　　近年来，一些国家采用泡沫塑料、陶土颗粒、无机结合料石灰改良土、加气粉煤灰等轻质工程材料来减轻台背土压力以解决台背填筑问题，达到了降低台背路基不均匀沉降的目的。
　　除上述地基处理的措施之外，为减少差异沉降所产生的不良效应，还采取如下结构等措施：在上部结构搭板与桥台连接处作结构处理，即把桥台处的伸缩缝移到桥墩上，使上部结构的桥面连续扩长到搭板内；邻接搭板的路堤一定长度内路基用水泥稳定碎石层处理，并设置一层钢筋网，使路基刚度逐渐过渡；根据桥头填土高度、软基厚度及治理方法设计搭板长度。
　　4. 结束语
　　本文分析认为，桥后填土具有非饱和性、台背侧限约束和交通荷载作用的受力力学特性。在此基础上，从细观角度探讨了桥后填土沉降变形的内在机理，指出了今后深入研究所需开展的相关工作。最后，阐述了土工格栅加筋、采用特殊填料和设置搭板三种处置桥后跳车的主要功效与作用，从而可为桥后填土施工起到一定的理论指导作用。然而，由于路桥过渡段不均匀沉降问题所具有的复杂性，因此有必要就相关的沉降理论与施工控制予以深入研究。

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