一种防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法与流程

本发明涉及道路工程领域，尤其涉及一种防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法。

背景技术：

在道路、桥梁工程设计施工中，由于桥涵构造物台背回填工程中的回填材料选择不当、施工压实不足、地基处治不到位等原因，导致桥台与台背填土之间产生了差异性沉降，进而导致了桥头跳车这一病害，桥头跳车病害是影响公路正常使用的严重问题。路桥之间的这种不均匀沉降量的范围在几厘米到一米之间，不仅会加大行驶车辆及结构物的磨耗，严重恶化结构的使用寿命，还会造成驾驶的不舒适性、增大行车危险。

针对路桥过渡段不均匀沉降的处治方式主要有以下几方面：①减少路基压缩变形，如提高路基填土压实度、选择满足要求的回填料等；②采用沉降过渡的方法，如设置桥头搭板、渐变桩等；③减少地基沉降，如对地基进行加强处治、采用轻质材料回填等；④对路面进行处治，如预设反向坡度、设置过渡段路面等。

国内外道路行业中，较为常用的一种处治方式是采用土工格栅来降低过渡段回填料的沉降进而缓解不均匀沉降的产生。土工格栅与土相互作用，能够显著改善土的物理力学与水力学性质，筋材能够对土产生约束作用，提高土体的刚度和强度，能够减少回填料自身的压缩变形。现行规范《公路土工合成材料应用技术规范》(JTGT D32-2012)中对桥台构造物与路基之间不均匀沉降治理的规定：对于混凝土桥台，可采用经防锈处理的膨胀螺钉与钢压条，将土工合成材料锚固在结构物台背面的壁面上。但是相当一部分桥台并没有足够的区域供土工格栅锚固，除此以外，土工格栅锚固在桥台上，会对桥台结构物施加额外的作用力，不利于桥台的稳定，并且锚固的土工格栅也不利于地基沉降的释放，土工格栅的存在，使得台背填料尤其是接近锚固端的回填料受到“上举力”的作用，回填料无法正常、及时的施加在地基上，使得可能在短期内即可完成的沉降过程发生时间延缓，导致路基的工后沉降加大，不利于土工格栅对路桥过渡段不均匀沉降的处治。

现阶段台背加筋土工格栅的处治方式存在一定的局限性，会对不均匀沉降处治效果造成一定的影响，因此需要对台背加筋设计方法进行进一步的探索与修正。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中土工格栅加筋处治路桥不均匀沉降的局限性缺陷，提供一种能够很好地防治、减缓桥头跳车病害的发生的防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法，包括以下步骤：

S1、计算路基工后沉降：根据台背处地基是否经过加固处理的情况，采用分层求沉降法进行沉降计算，计算近桥台处和远桥台处的工后沉降量；

S2、初选土工格栅类型与强度：根据计算得到的预测工后沉降值，结合台背填高、回填料质量，初步选择整体性和耐久性良好、强度满足要求的土工格栅；

S3、根据桥台构造，确定土工格栅锚固和反包区域，计算土工格栅在锚固、反包两种情况下相邻两层土工格栅间隔；

S4、计算土工格栅铺筑长度；

S5、根据桥头地基、路基的情况，选择仅铺设土工格栅或者土工格栅与短搭板组合治理。

进一步地，本发明的步骤S3中计算土工格栅在锚固、反包两种情况下相邻两层土工格栅间隔的方法具体为：

根据桥台的实际尺寸，确定土工格栅锚固区域大小，计算土工格栅锚固处理方式下相邻两层的间隔的公式为：

$\mathrm{\Δ}H=\frac{2T_s}{{\mathrm{\γw}}_{\max }{E}_t}$

计算土工格栅反包处理方式下相邻两层的间隔的公式为：

${\mathrm{\ΔH}}_i=\frac{2(1-{\mathrm{\μ}}^2)T_s^2}{E_t\mathrm{\γ}}(\frac{1}{h_{i-1}}-\frac{1}{h_i})$

其中，T_s为土工格栅抗拉强度，γ为台背填料压实后湿容重，w_max为计算土层处远离桥台端工后沉降的最大值，i为计算土层，h_i和h_i-1分别对应于近桥台处的第i层和第i-1层土层的预测计算沉降量，近桥台处和远桥台处的工后沉降量分别为w和h，E_t为拉伸模量。

进一步地，本发明的步骤S4中计算土工格栅铺筑长度的方法具体为：

根据路面纵坡变化率计算土工格栅的铺筑长度，路基顶面土工格栅的铺筑长度计算公式为

$L_0=\frac{4S}{\mathrm{\Δ}i}$

其中，L₀为土工格栅铺筑长度(m)，ΔS为路基工后沉降(m)，Δi为纵坡坡差(％)。

进一步地，本发明的步骤S5中根据台背地基处理情况、台背填料选择情况选择是否设置短搭板；若地基处理情况良好，强度高，远满足设计要求，采用锚固与反包结合的土工格栅加筋方式；若地基处理情况稍差，保守采用土工格栅加筋与短搭板结合的处理方式。

进一步地，本发明的土工格栅铺筑长度的计算以倒梯形断面1:1倒坡递减。

本发明产生的有益效果是：本发明的防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法，针对现有规范和普遍采用的土工格栅加筋设计方法中常用的锚固处理土工格栅所存在的局限性，提出了改进的加筋设计方法，该法基于路基工后沉降的预测，以弹性薄膜理论为基础，提出采用锚固与反包相结合的土工格栅处理方式，并且在必要性设置较短的桥头搭板。既克服了土工格栅锚固造成的问题，又提供了一种土工格栅加筋的改进的设计方法，解决或缓解桥头跳车病害。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法的流程图；

图2是本发明实施例的防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法的改进台背土工格栅加筋方案示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的防治桥头跳车病害的台背加筋设计方法，包括以下步骤：

S1、计算路基工后沉降：根据台背处地基是否经过加固处理的情况，采用分层求沉降法进行沉降计算，计算近桥台处和远桥台处的工后沉降量；

分层沉降法的计算公式为：其中S为沉降量，：为土第i层中的平均附加应力；n为土体分层数；E_si为第i土层的压缩模量。

S2、初选土工格栅类型与强度：根据计算得到的预测工后沉降值，结合台背填高、回填料质量，初步选择整体性和耐久性良好、强度满足要求的土工格栅；

S3、根据桥台构造，确定土工格栅锚固和反包区域，计算土工格栅在锚固、反包两种情况下相邻两层土工格栅间隔；

S4、计算土工格栅铺筑长度；

S5、根据桥头地基、路基的情况，选择仅铺设土工格栅或者土工格栅与短搭板组合治理。

步骤S3中计算土工格栅在锚固、反包两种情况下相邻两层土工格栅间隔的方法具体为：

根据桥台的实际尺寸，确定土工格栅锚固区域大小，计算土工格栅锚固处理方式下相邻两层的间隔的公式为：

$\mathrm{\Δ}H=\frac{2T_s}{{\mathrm{\γw}}_{\max }{E}_t}$

计算土工格栅反包处理方式下相邻两层的间隔的公式为：

${\mathrm{\ΔH}}_i=\frac{2(1-{\mathrm{\μ}}^2)T_s^2}{E_t\mathrm{\γ}}(\frac{1}{h_{i-1}}-\frac{1}{h_i})$

其中，T_s为土工格栅抗拉强度，γ为台背填料压实后湿容重，w_max为计算土层处远离桥台端工后沉降的最大值，i为计算土层，h_i和h_i-1分别对应于近桥台处的第i层和第i-1层土层的预测计算沉降量，近桥台处和远桥台处的工后沉降量分别为w和h，E_t为拉伸模量。

步骤S4中计算土工格栅铺筑长度的方法具体为：

根据路面纵坡变化率计算土工格栅的铺筑长度，路基顶面土工格栅的铺筑长度计算公式为

$L_0=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}i}$

其中，L₀为土工格栅铺筑长度(m)，ΔS为路基工后沉降(m)，Δi为纵坡坡差(％)。

步骤S5中根据台背地基处理情况、台背填料选择情况选择是否设置短搭板；若地基处理情况良好，强度高，远满足设计要求，采用锚固与反包结合的土工格栅加筋方式；若地基处理情况稍差，保守采用土工格栅加筋与短搭板结合的处理方式。

如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，基于台背路基工后沉降预测的台背土工格栅加筋改进的设计方法能够解决目前台背加筋设计、施工中存在的问题，现结合一座试验桥台台背加筋设计对本发明具体实施方式进行如下介绍：

(1)分析加筋桥台地基勘探资料，以及地基、路基设计资料，对路基工后沉降进行预测计算，准确的对路基工后沉降进行预测是本发明加筋设计关键的一个步骤。在试验桥台设计中计算获得路基工后沉降为32.881mm。

(2)根据步骤(1)中对需要加筋的桥梁台背处路基工后沉降的预测值，初选土工格栅类型，选择整体性和耐久性良好、强度满足要求的土工格栅作为加筋材料。试验桥台加筋设计计算中选择土工格栅抗拉强度至少为57kN/m，拉伸模量为975kN/m。

(3)根据桥台的实际尺寸，确定土工格栅锚固区域大小，在本实际桥台中可供锚固的区域为2.1m高度。根据下面两个公式计算土工格栅锚固和反包两种处理方式下相邻两层的间隔ΔH：

$\mathrm{\Δ}H=\frac{2T_s}{{\mathrm{\γw}}_{\max }{E}_t}$

反包情况下土工格栅相邻两层间隔计算：

${\mathrm{\ΔH}}_i=\frac{2(1-{\mathrm{\μ}}^2)T_s^2}{E_t\mathrm{\γ}}(\frac{1}{h_{i-1}}-\frac{1}{h_i})$

其中，T_s为土工格栅抗拉强度，γ为台背填料压实后湿容重，w_max为计算土层处远离桥台端工后沉降的最大值，i为计算土层，h_i和h_i-1分别对应于近桥台处的第i层和第i-1层土层的预测计算沉降量，近桥台处和远桥台处的工后沉降量分别为w和h，E_t为拉伸模量。

根据上述两个公式对试验桥台某一高度(以1.5m处为例)处的土工格栅间隔进行计算：根据前期工后沉降预测计算，该处土层上下的沉降值分别计算为h_i＝0.074m和h_i-1＝0.061m，已知T_s＝57kN/m，E_t＝975kN/m，μ＝0.30，γ＝18.4kN/m³，计算得ΔH＝0.95m，实际设置间隔一般小于等于计算间隔，同时考虑工程的安全性，需要除以安全系数，为了方便施工，取松铺厚度0.3m的倍数，取0.6m，其余间隔计算同上。

(4)计算土工格栅铺筑长度，土工格栅的铺筑长度应结合路面纵坡变化率进行考虑，路基顶面土工格栅的铺筑长度计算公式为：

$L_0=\frac{\mathrm{\Δ}S}{\mathrm{\Δ}i}$

路试验桥台的路基顶面最小铺筑长度计算：容许坡差为0.4％，路基顶面工后沉降为32.881mm，则最小铺筑长度为8.22m(由于一般来说顶层土工合成材料长度不应小于10m，故如计算得到长度小于10m，可取10m)，按照《公路土工合成材料应用技术规范》(JTG/T D32-2012)中给出的公式确定最下面一层土工格栅铺筑长度，根据底层土工格栅计算长度，按照规范要求以倒梯形断面1:1倒坡递减，顶面土工格栅以长者为准。经计算及相应调整，本座桥台(张家湾0#)底层土工格栅铺筑长度为5m，顶层铺筑长度为15m。

(5)根据台背处地基处治情况、以及路基回填料情况，选择是否设置较短桥头搭板。在试验桥台处，台背下地基为软土地基，采用水泥搅拌桩进行加固处治，台背填料为青砂，综合考虑可以不设置短桥头搭板。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。