适用于寒区短工期条件下的高等级公路路桥过渡段结构

摘要

本发明涉及一种适用于寒区短工期条件下的高等级公路路桥过渡段结构，属于公路建设领域，其包括桥台和路基，桥台一侧为桥梁，另一侧通过路基连接公路，即路基设置于桥台的公路侧，该路基包括地基、土基、路面结构层和搭板，其特征在于：地基低于桥台底座，地基顶面和桥台底座的底面平齐，地基之上设有土基，土基上设有路面结构层，搭板嵌设于路面结构层中，且搭板上平面和路面结构层的路面相平齐。本发明解决寒区汽车通过公路桥头时容易产生跳跃现象，提高了汽车行驶安全性，以及高等级公路的使用性能和使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种公路结构，尤其涉及一种适用于寒区短工期条件下的高等级 公路路桥过渡段结构，属于公路建设领域。

背景技术

改革开放以来，我国的公路建设取得了飞速发展，截至2013年底，全国公 路总里程己达435.62万公里，其中，高速公路里程达10.44万公里，二级及以上 公路里程52.44万公里，公路桥梁达71.3万座、3663万米，国土面积的70％是 季冻地区，受季节变化的影响，冻融现象明显，翻浆和冻胀是该区路基路面结构 最常见的病害，同时混凝土冻融破坏常表现为冻胀开裂和盐冻剥蚀两个方面，这 会使得面板出现裂缝、断板、表面脱皮、露骨等现象，进而引发唧泥、板底脱空 等病害，再加上荷载作用和环境条件以及腐蚀性溶液的渗透和溶蚀，最终导致路 面耐久性不足，出现结构性能和使用性能的过早丧失。

从己交付的高等级公路特别是高速公路来看，存在着最普遍的问题是在桥台 构筑物与台后填土衔接处存在沉降，尤其在寒冷地带即寒区，这一现象更加明显。 由于公路构造物本身变形比填方路堤变形小，因此天然地基沉降是引起桥台沉降 的主要因素，通过长期监测发现，填土容重相同情况下，路堤填土越高，地基沉 降变形量越大，且天然地基沉降占路基总沉降的70％以上，因此天然地基沉降是 引起不均匀沉降的主要原因，另外路基基础的沉降是引起车辆通过桥头跳跃现象 最重要的因素，而基础沉降几乎不可避免，且基础沉降问题处理难度较大，尤其 当路基建造在压缩性较大的粘性土体上时，路堤基础最容易产生问题，此外还有 路堤填土自身压缩以及排水不畅及填土滑移等引起的沉降。

而在寒区，施工期短，在短工期条件下路桥过渡段沉降破坏机理可以概述为 以下几点：

(1)短工期限制下路桥过渡段路基固结不足，软基厚度变化较大；且部分 桩基础无法穿透淤泥层而呈悬空状，在上部荷载作用下易发生刺破坏和不均匀沉 降。当地基基底应力承受荷载值超过其极限承载力时，即引起路基开裂甚至整体 滑移，从而造成路基的整体剪切破坏。

(2)对未设置桥头搭板的路桥过渡段，相对刚性的桥台结构物与相对柔性 的路堤在寒区低温和车辆荷载的共同作用下，产生天然土基的自身固结沉降变形 和人工填土的压缩变形的差异沉降。当路基的均匀沉降或不均匀的最大值靠近桥 台时就会产生错台；当不均匀沉降产生在过渡段内时就会形成路面凹陷。

(3)目前桥头搭板是在桥头车辆跳跃的防治措施中较为普遍采用的一种措 施。由于路桥过渡段路堤填土碾压施工存在困难，碾压密实度难以达到，而搭板 刚建成时其下是均匀支承，但在通车后因为路基逐渐沉陷变形，造成桥头搭板与 路基相脱离，同时支承面下降形式脱空，加之寒区低温环境使得搭板发生低温脆 化，重载车辆对其产生动态荷载作用时，搭板与路面板即变为不均匀支承，并且 应力积聚在脱空区最大沉降处的板底位置，当应力积聚超过弯拉应力允许值时， 搭板即开始发生断裂。

而这些沉降使得路面形成台阶或产生显著纵坡变化，高速行驶的车辆通过时 产生颠簸跳跃即跳车现象，而这种跳跃不但会影响驾驶员和乘客的舒适感，严重 时会造成车辆失稳，甚至引起交通事故，而且还会缩短桥梁通道的使用寿命，增 加桥梁的维修与养护费用。

如何减轻甚至避免公路桥头汽车跳跃现象，尤其是如何在寒区施工工期较短 的现实情况下，提高高等级公路施工速度，以及高等级公路的使用性能和使用寿 命是有待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种适用于寒区短工期条件下的高等级公路路 桥过渡段结构，其能减少汽车通过公路桥头时的跳跃度，能提高汽车行驶安全性， 以及提高高等级公路的使用性能和使用寿命。

本发明采用的技术方案为：提供一种适用于寒区短工期条件下的高等级公路 路桥过渡段结构，其包括桥台和路基，桥台一侧为桥梁，另一侧通过路基连接公 路，即路基设置于桥台的公路侧，该路基包括地基、土基、路面结构层和搭板， 其特征在于：地基低于桥台底座，地基顶面和桥台底座的底面平齐，地基之上设 有土基，土基上设有路面结构层，搭板嵌设于路面结构层中，且搭板上平面和桥 台上平面以及路面结构层的路面相平齐。通过平齐的搭板、桥台和路面的平齐设 置以及地基和土基的设置减少汽车通过公路桥头时的跳跃度，以及提高公路的使 用性能和使用寿命。

进一步地，地基采用天然砂砾填筑，土基包括加筋砂土层和路基填土，其中 加筋砂土层底面和地基顶面接触并且加筋砂土层的底面向公路侧延伸的长度和 地基向公路侧延伸的长度相同，加筋砂土层和路基填土高度相同，且加筋砂土层 一侧和桥台连接另一侧和路基填土连接。

进一步地，加筋砂土层和路基填土密实连接，路基填土向公路侧形成一小于 等于45度的坡度。

进一步地，加筋砂土层采用土工合成材料填筑，土工合成材料由砂性土和土 工格栅压实而成，土工合成材料从桥台一直延伸到路基填土的斜坡上，从而使得 加筋砂土层形成上长下短的结构。

进一步地，土工格栅一端嵌固在桥台上，嵌固深度不少于20厘米；

进一步地，土工格栅和桥台的嵌固边界部位设有不少于5厘米宽的柔性垫 块。

可选择地，土工格栅采用经过防锈蚀处理的膨胀螺钉与钢压条锚固在桥台的 台背壁面上；

进一步地，钢压条包括夹持在土工格栅上部的压板和夹持在土工格栅下部的 支撑钢板。

进一步地，土工格栅在公路宽度和长度方向延伸，且多层土工格栅从上向下 相互间隔且相互平行地布置在加筋砂土层中，该间隔和土工格栅的拉伸模量、设 计抗拉强度以及土工格栅距路基表面的深度相关。

本发明的有益效果为：该高等级公路路桥过渡段结构能减少桥头跳车现象， 尤其适合作为短工期施工条件下的寒区公路桥头过渡段的结构，另外，该结构还 可以提高公路的使用性能和使用寿命，具有很好的经济效益。

附图说明

图1为天然砂砾与加筋砂性土填筑路堤示意图；

图2为土工格栅与桥台台背嵌固示意图；

图3为土工格栅与桥台台背锚接示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3具体描述本发明的具体实施方式。

本发明包括桥台和路基，桥台一侧为桥梁，另一侧通过路基连接公路，即路 基设置于桥台的公路侧，路基包括地基、土基、路面结构层和搭板，地基低于桥 台底座，即在底座一侧向下挖路槽，并在路槽内填筑天然砂砾，地基顶面和桥台 底座(图中未示出)的底面平齐，地基之上设有土基，土基包括加筋砂土层和路 基填土，土基上设有路面结构层，搭板嵌设于路面结构层中，且搭板上平面和桥 台上平面以及路面结构层的路面相平齐，加筋砂土层底面和地基顶面接触并且加 筋砂土层的底面向公路侧延伸的长度和地基向公路侧延伸的长度相同，加筋砂土 层和路基填土高度相同，且加筋砂土层一侧和桥台连接，另一侧和路基填土密实 连接，路基填土向公路侧形成一小于等于45度的坡度。加筋砂土层采用土工合 成材料填筑，土工合成材料由砂性土和土工格栅压实而成，土工格栅一端嵌固在 桥台上，嵌固深度不少于20厘米，另一端从桥台一直延伸到路基填土的斜坡上， 使得加筋砂土层形成上长下短的结构，且土工格栅在公路宽度和长度方向延伸， 形成层状结构，且多层土工格栅从上向下相互间隔且相互平行地布置在加筋砂土 层中，该间隔和土工格栅的拉伸模量、设计抗拉强度以及土工格栅距路基表面的 深度相关。土工格栅和桥台的嵌固边界部位设有不少于5厘米宽的柔性垫块。土 工格栅也可采用经过防锈蚀处理的膨胀螺钉与钢压条锚固在桥台的台背壁面上， 钢压条包括夹持在土工格栅上部的压板和夹持在土工格栅下部的支撑钢板。

在路桥过渡段设置搭板时，搭板的埋置深度、坡度、厚度与长度，搭板与桥 台的连接方式，搭板的配筋等均应根据工程具体情况认真设计。搭板下也可设置 加强层，加强层的厚度一般不小于2米，长度一般超过搭板1米。

本项目在考虑寒区气候及地址因素影响和短工期的限制条件下，设置桥头搭 板，并采用天然砂砾及天然砂性土填筑，同时结合土工格栅改善路桥过渡段沉降 现象。

土工合成材料中设有土工格栅，从而增大了压力扩散角，以使路基的应力扩 散均匀，从而减小不均匀沉降。当路基内设置土工格栅时，可有效地缓解甚至消 除台背衔接处的错台高度，避免路桥过渡段沉降的影响。将土工格网一端固定在 桥台台背，另一端向路基填土水平展铺，以使得桥台借助土工格网和台背的路基 压实土连为一体。

在实际工程中，工程人员可将土工格栅沿主应变方向铺设，采用这种方式铺 设能弥补土体自身抗拉强度不足的缺点，用这种方式结合形成的复合土体类似于 钢筋混凝土。土工格栅与土体间的相互作用能增加复合土体的抗拉强度，其中相 互作用主要包括格栅上下表面与土粒的摩擦作用，土工格栅的肋条对土体的阻抗 作用，格栅的网孔对土体镶嵌和咬合的作用。

其中土工格栅铺设间距按下式计算：

$\mathrm{\Delta H}=\frac{100T_{\mathrm{GC}}^2{E}_0}{E_t{\gamma }_m{H}_m[3.5\frac{{\gamma }_m{H}_m}{P_0}(1-\frac{Z^2}{H_m^2})+(1-\frac{Z}{H_m})]}$

式中：ΔH——距路基表面深度z处的铺设间距，m；

T_GC——土工格栅的设计抗拉强度，按60％抗拉强度取值，N/m；

H_m——路基顶面与桥台底座顶面之间的高差，m；

Z——上一层土工格栅铺设位置距路基表面的垂直距离，m；

E₀——路基填土填筑后的变形模量，Pa；

E_t——土工格栅的拉伸模量，Pa；

P₀——路基顶面所承受的来自路面自重与交通荷载的垂直压力，Pa；

γ_m——路基填土压实后的容重，N/m³。

土工格栅的纵向铺设宜上长下短，可采用缓于或等于1∶1的坡度自下而上逐 层增大纵向铺设长度，最下一层的铺设长度应不小于最小纵向铺设长度L_min，L_min按下式计算：

式中：L_min——土工格栅的最小铺设长度，m；

C_GS——土工格栅与土体交界面上的界面粘结力，Pa；

——土工格栅与土体交界面上的界面摩擦角，(°)。

采用台背加筋可以达到双重目的：一方面利用固定在桥台的加筋材料一端的 张拉作用，在台背局部范围，分层阻止填料顺台背的沉降；另一方面，由于加筋 材料是按一定层间距水平铺设的，加筋材料的拉力的传递是从与其接触的土颗粒 到没有接触的土颗粒，使土颗粒受到约束，土颗粒与加筋材料接触面及土体本身 颗粒之间摩擦咬合作用增强，从而使土体中的部分应力得到扩散和转移，改善了 土体内部在局部荷载作用下受力状态，扩大了沿土体深度方向荷载的扩散范围， 进而达到减小外部荷载对土体的压缩沉降作用的效果，即等同于土体的抗变形能 力提高，起到刚性桥台和柔性路堤间过渡结构层的作用。其中路基填土填筑后的 变形模量和路基填土压实后的容重通过道路检测中的常规实验测得，路基顶面所 承受的来自路面自重与交通荷载的垂直压力，可通过路面设计荷载和路面自重进 行估算。土工格栅与土体交界面上的界面粘结力，可采用直剪摩擦试验测得。

以上所述仅为本发明优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关 的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。