港区项目部桥梁台背沉降分析和研究课程.docx

摘 要路基沉降特别是差异沉降是土力学中的重要研究课题，而由台背路基差异沉降引起的桥头跳车更是高速公路建设中需要解决的重要问题,因此,研究台背路基的沉降特点,分析差异沉降形成的原因,了解差异沉降的控制标准,这对有效选择解决桥头跳车的台背处理方法具有重要的理论意义和实际意义。关键词：高速公路；差异沉降；台背；桥头跳车36目 录第一章 绪论11.1引言11.2桥头跳车产生原因研究现状11.2.1路基本身的压缩11.2.2.地基的沉降21.2.3地质分布不均匀21.2.4.支座和防护工程的移动21.2.5.局部沉陷21.2.6.桥台与台后填土连接处的刚度差异21.2.7.不合理的施工和设计31.3 桥头跳车机理分析研究现状31.3.1 设搭板路桥过渡段跳车机理分析31.3.2 未设搭板路段错台时跳车机理分析51.4 桥头跳车处理方法研究现状61.4.1地基处理61.4.2填料处理71.4.3搭板缓坡处理71.4.4找平处理81.4.5排水处理81.4.6横向加筋处理91.5本文的研究对象和主要研究内容9第二章 台背路基的沉降变化规律及沉降预测方法研究102.1前言102.2台背路基的应力特征及沉降计算方法102.3台背路基的沉降变形规律122.3.1一般台背路基的沉降规律122.3.2 台背路基与一般路基的沉降规律比较132.3.3 特殊条件下的台背路基与一般路基沉降规律比较132.4 台背路基的沉降预测方法142.4.1 Compertz曲线模型的建立152.4.2 Compertz模型参数的计算162.4.3 工程实例的比较与分析182.4.3.1 计算结果182.4.3.2 计算结果比较和分析202.5小结20第三章 台背路基工后沉降取值标准的研究223.1 概述223.2 台背路基工后沉降的取值标准223.2.1台背路基容许工后沉降233.2.2沉降后桥面与搭板之间的容许坡差243.2.4台背前后的沉降差(即台阶高度)253.3路基工后差异沉降值的取值标准263.4台背路基工后沉降与结构层施工沉降速率关系的统计分析263.4.1路基沉降及稳定变化情况的统计分析263.4.2路基工后沉降预测的统计分析293.5 小结31第四章 结论324.1 结论324.2有待进一步研究的问题32参考文献34致 谢36第一章 绪论1.1引言 随着我国国民经济的快速发展，公路修建里程不断增加，道路等级也不断提高，特别近几年，为了拉动经济的发展，我国在公路建设上投入了大量资金，高等级公路发展迅速。但是，从高等级公路特别是高速公路的运营状况来看，还存在着不少问题，其中较为普遍的是桥头跳车问题。桥头跳车是指道路与桥梁台背的衔接区域出现的路面或搭板变形、断裂，甚至坑槽，从而使车辆行驶经过该区域受到冲击后发生明显跳跃、颠簸的现象1,2。桥头跳车不仅会降低行车舒适性，迫使车辆减速，还会对桥梁和道路造成附加的冲击荷载，从而加速了桥台、桥头搭板、支座及伸缩缝的损坏。桥面与引道路面之间过大的不均匀沉降还会造成行车失控，诱发交通事故。这与高速公路要求车辆行驶快速、安全和舒适严重相悖。同时，随着公路等级的提高，涵洞、通道、桥梁等构造物在公路里程中所占比例越来越大，平均每公里有3座之多，甚至个别线路达45座。因此，桥头跳车已经造成了严重的问题。为了防止桥头跳车，必须不断地对桥梁两端出现的沉陷、断裂等进行及时的维修处理。修补养护难度大，要花费大量的人力、物力和财力。更为重要的是，维修后不久问题就会继续出现，长期的修补又会导致更为严重的问题，最后只能采取结构性修筑来解决，而且经常在两三年内又需要重新修补，但是仍然很难使路况恢复得完好如初。因此，桥头跳车己成为高等级公路运营中急待解决的问题。1.2桥头跳车产生原因研究现状桥头跳车主要是由于桥台和引道路堤之间的差异沉降引起的。一般地桥台的沉降很小，而引道路堤沉降较大，从而在两者之间造成差异沉降。造成引道路堤沉降的原因主要有:1.2.1路基本身的压缩 桥头路基的施工一般在桥台工程完成和一般路段的大部分路基成型以后才进行，因此在桥涵两端的作业段填方较高、工期紧迫、土方量集中而施工面比较狭窄，给施工带来很多困难。由于作业面狭窄和靠近桥台涵洞端墙的这部分填土平面形状不规则，大型压实机械很难作业。当缺乏适宜的压实机具时，常常采用人工夯实，密实度往往达不到要求。同时，由于过水、跨线或通道的要求，桥头路基一般较高，路堤除承受行车荷载外，还承受较大的自重应力(特别是路基下部土体)，当路基的压实度不足时，路基就会发生较大的固结变形。此外，在桥台与引道之间发生差异沉降以后，路堤顶部还受到车辆的冲击荷载作用，导致路基发生动力固结。1.2.2.地基的沉降桥涵通常位于沟壑地段，与其它路段相比，桥台背后地物地貌相对较差，通常其地下水位较高，孔隙比大，含水量高，强度低，压缩性大，多属软弱地基。在其上填筑路基肯定会产生较大变形。同时，桥头路基填筑高度一般较大，产生的基底附加应力相对较大。因此，台后的地基沉降比一般路段要大。1.2.3地质分布不均匀在工程地质勘察中，大约每隔100m进行一次钻孔取样。而修建高等级公路时，路基宽度很大，通常双向四车道路堤顶面都在26m以上，坡脚在40m以上；同时，引桥路堤的长度也可达到上百米甚至更长。所以在如此大的范围内都按照一个点的地质勘察报告进行统一的设计和施工，必然会使桥头路堤产生不均匀沉降。从另外一个方面看，邻近桥涵路段地基差且不均匀，地基处理不可能在该路段采用很多不同的处理方法，这样必然会产生路堤的不均匀沉降。1.2.4.支座和防护工程的移动 在台后土压力的作用下，支座和台前防护工程将或多或少地发生水平位移，从而造成土体发生侧向变形。1.2.5.局部沉陷 路堤与桥涵构造物的连接部位有的设计了接缝，但经长时间使用由于行车荷载和自然因素的影响极易发生损坏；有的是连续铺装，但在使用中经常产生裂缝。接缝和裂缝在竖向往往很深，雨水和融雪水容易沿缝渗漏，对路面结构层和土基产生冲刷和浸蚀，造成各种细料的流失以及增加结构层与土基的含水量，从而造成局部沉陷。1.2.6.桥台与台后填土连接处的刚度差异 桥台与台后填土连接刚度不同。由于桥涵结构物具有较大的刚性，而台后路基和路面组成的道路属于半刚性或柔性结构；公路建成后，随着时间的推移，台后填土产生较大的压缩变形，与其相比，桥台基础产生的沉降变形相对小得多。当二者的相对沉降差达到一定程度时，搭板出现沉降或断裂，在台后便出现跳车现象。1.2.7.不合理的施工和设计 (1)软弱地基没有进行必要的处理，或在基底顶面未设置适当的排水设施，从而使路堤在通车后沉降过大。 (2)填料选择不当，填料的压实度（特别是邻近桥台部分）不符合要求。 (3)施工工序不当。比如在没有完成桥台和挡土墙之前就填土，填筑速度过快等。 (4)在桥台路堤的连接处设计不合理，致使在车辆及雨水作用下产生裂缝，并使该处下部填料及基层受损，形成跳车。 除了桥头处的差异沉降外，桥台与引道之间的构造差异也会造成桥头跳车。桥与路的分界处前后一是刚性体，一是柔性体，在结构刚度上差异很大。柔性材料对能量的吸收要比刚性材料大，故在刚柔突变处必然引起振动的突变，即引起跳车。1.3 桥头跳车机理分析研究现状桥头跳车在不同的路面类型及桥头连接情况下，表现为不同的跳车形式。高等级公路中路面结构分水泥混凝土路面的刚性结构和沥青混凝土路面的柔性结构，桥头连接形式可分为搭板连接及无搭板连接。设置搭板路段由于沉降引起的行车线形为折线，搭板两端则因纵坡的变化形成一个突变的纵坡转折；对未设置搭板路段其桥头形成一台阶式跳坎。它们对行车的影响及车辆在桥头的跳车机理均不相同。1.3.1 设搭板路桥过渡段跳车机理分析高等级公路中桥头搭板的设计是根据桥头填土的高度来确定的，现行设计中一般搭板长度取值为3米、5米、6米、8米不等，由于搭板两端路基沉降量的不同，必然在搭板两端形成一纵坡转折(如图1.1)。以搭板长6米为例，若搭板A端沉降12cm，那么搭板两端的纵坡改变为12/600=2。图1.1设搭板的路桥过渡段示意图对高速行驶的车辆来说，转折纵坡对车辆是很不利的。纵坡转折不仅会加剧汽车的颠簸，影响行车舒适，甚至会出现行车事故。汽车在桥头的行车机理是十分复杂的，不同搭板长度、不同沉降值及不同车型、车速，其影响程度均不相同。现把汽车轮胎经过桥头两个纵坡转折时的行车线形近似地按两个相切的反向竖曲线考虑，如(如图1.2)所示。图1.2引起跳车的线型简化模式当车辆由桥面方向行驶通过桥头搭板时，车辆行驶的是A-C点间的折线路段，由于该区间纵坡变化一般很小，可以把该段区间近似看作一段凸型竖曲线路段，当汽车行驶通过时，则会在竖曲线上形成向心加速度，产生向心力，其值为: （1.1）式中:F汽车产生的向心力，N； M汽车质量，包括车身自重及所载货物与人的质量，kg； V汽车通过时的行驶速度，m/s； R凸型竖曲线半径，m。向心力F会使人、车产生部分失重，当行驶经过桥头搭板至连接搭板的路面后，向心力即消失，实际上，人、车在此瞬间会受到等于向心力F的反作用力，据有关资料研究表明，当人体受到自身重量10%左右的外部力量突然冲击时，乘客稍感到不适，但基本上还比较满意；当人体受到自身重量20%左右的外部力量冲击时，车辆会形成不同程度的颠簸或跳动，乘客己感到明显的不舒适，但基本上还可以接受。向心力越大，乘客感觉越明显；当向心力大于自重时，汽车就会腾空飞跃，可能出现汽车冲出行车道，甚至造成翻车事故。这里把向心力F10%汽车重量时的状态称为临界跳车状态，把向心力F20%汽车重量时的状态称为极限跳车状态。由定义可知，临界跳车状态基本上属于比较舒适状态，而极限跳车状态属于可接受状态，超过这个状态汽车不适合长期运行。汽车在不同车速情况下，分别对应有不同的临界跳车和极限跳车竖曲线半径。由式(1.1)可得: 式中:F不同跳车状态对应的向心力，。则： （1.2）对于高速公路或一级公路，取设计行车速度V为1O0km/h(即27.78m/s)，当时，即汽车处于临界跳车状态时，竖曲线半径R为:当时，即汽车处于极限跳车状态时，竖曲线半径R为:也就是说，当搭板长度L为6m，桥头枕梁处沉降为12cm，即纵坡变化率为2%时的近似竖曲线半径为:，这种情况下若汽车速度达到100km/h时，一定会出现跳车现象。由式(1.2)以及上例分析可知，临界跳车竖曲浅半径为极限跳车竖曲线半径的2倍，因此，在下述分析中仅取，即仅对临界跳车状态予以讨论。如图(1.2)所示，搭板长度L，搭板两端A、B点的纵坡变化率为i的近似竖曲线半径R为： （1.3）式中:搭板AB的变坡角度；由于实际角度很小，所以近似取,。 汽车临界跳车状态在不同的行车速度情况下分别对应有不同的临界跳车竖曲线半径，而由(式1.3)可知，竖曲线半径与桥头搭板长度和该区间纵坡变坡率有关，也就是说，不同的行车速度，不同的搭板长度，对应有不同的临界跳车竖曲线半径和临界跳车变坡率。联立（式1.2）、（式1.3）式可得: （1.4）式中：临界跳车纵坡变坡率； L桥头搭板长度； R临界跳车竖曲线半径。1.3.2 未设搭板路段错台时跳车机理分析未设置桥头搭板的水泥混凝土、沥青混凝土路段，由于路基沉降在桥头形成一个陡坎或台阶(如图1.3)。从行车的实际情况看，台阶对行车的影响比设置搭板路段的纵坡转折对行车的影响更大，其一是降低行车速度，二是造成司乘人员更严重不适或行车事故。图1.3桥头未设置搭板沉降示意图经试验研究与理论分析，车辆经过台阶后，行车速度降低值与台阶高度h及行车速度的关系为:式中: 行车速度降低值，km/h； h台阶高度，cm； 行车速度，km/h。采用桑塔纳轿车、东风140载重车等典型车辆在二级以上公路桥头台阶路段实地行驶侧试，结果表明，车速在60140 km/h范围，台阶高度1.5cm以下，对车辆行驶无明显影响；台阶高度在1.5 3.5cm范围内，车辆行驶速度将受到一定影响，同时产生较明显的颠簸；台阶高度为3.5 5.Ocm，车速将明显降低，同时产生明显颠簸，台阶高度大于5.Ocm，当行车速度超过80km/h时，则不仅减速与颠簸现象更明显，驾驶人员开始有掌握方向盘困难的感觉，对行车安全也将造成不利影响，尤其是两端均有台阶的小桥(总长58m)情况更为明显。 由以上分析可看出，桥头跳车对行车的影响既涉及道路(包括桥头)线形，又涉及车型、车速，同时也与司机心理因素有关，因此，在解决桥头跳车这一技术性难题时，必须同时考虑相关因素，研究的技术路线才是合理的，由此方可提出切实可行的防治桥头跳车病害的方法。1.4 桥头跳车处理方法研究现状桥头跳车现象在各国普遍存在，美国交通部门曾对36个州以及加拿大的三个省进行了调查3，4表明，桥头引道路堤沉降是一个普遍性的问题，尤其在桥头高路堤以及交通量大的公路问题更为严重。因此各国在这个问题上展开了一定的研究。目前处理方法研究主要分为以下几种。1.4.1地基处理桥头软土地基处理的研究是在桥头跳车问题上一个开展比较多的方面。在西欧的少数一些国家如芬兰等国高速公路少有桥头跳车这类病害，其主要原因有两个：一是路基高度较低，处理容易；另一个原因是国外非常重视软土地基的处理，当软土较厚时，处理不惜成本。西欧、北欧的许多国家在桥头相当长的一段路段用桩承路堤的方法处理地基，使桥与路连续平稳过渡。我国在这方面开展应用研究较多，在沿海一带如泉厦、沪杭等高速公路都采用各种地基处理方式对桥头软土地基进行了处理，为减小路堤对地基的应力还采用粉煤灰、陶粒等轻质村料回填台背。我国高速公路二十余年来对桥头地基的处理取得了丰富的经验但是也有失败的教训。总的来说，处理失败的主要原因是没有对需要预压的地基迸行有效预压，地基没有在施工期内达到相应的固结度，因此尽管处理后地基的承载力能达到要求，但是竣工后的工后沉降变形往往不能满足要求。这一点也是由于我国高速公路建设的实际情况造成的，我国各条高速公路的施工期较国外要短，一股建设工期为3年左右，而实际台背回填开始到路面开始施工的时间大部分不到一年甚至需要赶工，在较短的施工期内，桥台台背地基土在上部荷载作用下不能达到要求的固结度，因此与国外相比我国高速公路桥头跳车要严重些。对于桥头的地基而言，对处理后的地基竣工后沉降的要求要比普通路堤高的多。通常采用砂袋砂井法、塑料排水板堆载预压法、换土法、深层搅拌法、高压喷射注浆法、振动碎石桩法、强夯法等，基本上适用于软土地基处理的地基加固方法都可用于桥头软土地基的处理。但是根据国内的经验，尽管对桥头软土地基进行了加固处理，但是仍有不少在通车后出现较大的工后沉降变形，究其原因有两个：1.过分依赖地基内部的加固措施，在地基上没有施加荷载系统，在施工期内，处理后的地基没有在荷载作用下固结。竣工后复合地基在路堤、荷载作用下继续固结沉降；2.有些工程尽管进行了预压处理，但是对预加荷载的大小、作用时间没有科学的估计，不能保证地基在施工期内完成大部分沉降变形，以至复合地基在竣工后荷载的作用下仍发生较大固结变形。1.4.2填料处理台背填土在自然环境、荷载的作用下发生较大的沉降（沉陷）是桥头跳车的直接原因之一。采用强度低、刚度小的材料即使达到规范要求的压实度依然会在荷载、自然环境的综合作用下发生压缩变形。因此，为保证与桥台连接部位的刚柔层次在水平和垂直方向均能渐次变化，国内多采用强度及回弹模量均高干其他路段相对应的结构层材料，以提高该部位的整体受荷和抗冲能力，有利于减少错台幅度，调整不均匀沉陷。一般首先选择强度高、压实快、透水性好的材料，如卵石土、碎石土、中粗砂等粗颗粒材料。用粗颗粒材料作为路基的填料不仅可改善了压实性能，使其容易达到要求的密实度而且有助于减少台背水的危害。一般处理长度为沿纵向的填筑长度在基底处不小干2m，并按1：l设置斜坡或台阶，保证在顶面的填筑长度与搭板的长度相对应。1.4.3搭板缓坡处理导致桥头跳车的直接原因是台背填土在各种因素作用下发生差异沉降变形，在路桥相接处产生台阶式高差，有关研究表明超过2cm的台阶严重影响行车舒适。自东南大学 1994年“桥头跳车防治措施的研究” 5完成，提出桥头搭板结构构造及设计计算方法后，桥头搭板在我国得到广泛应用，其设计意图就是通过一定长度的刚性板将台阶转换为一定的坡度使行车在路桥相接处平稳过渡。搭板的设置是出于台背后填士和地基必然发生沉降的特征考虑的，搭板设计要考虑刚性板下由于填土沉降而导致支撑脱空的特征，因此对于桥头搭板设计一般采用简支板设计，搭板的一端支撑在桥台的牛腿上，另一端搁置在路堤上，为使搭板端部受力均匀，一般在端部设计枕梁。但是搭板长度有限，有时不足以将桥头台背发生的沉降缓和到可以接受的范围，因此仅仅采用桥头搭板并不能完全解决桥头跳车问题，它往往和其他处理措施一起运用。湖南大学（2001）6提出采用半整体式（整体式）桥台设计解诀桥头跳车问题，其设计思想的核心是：取消梁与桥台之间的伸缩缝，通过梁体、桥台与台背回填土的共同作用消化梁体的水平位移。采用该型桥台设计必须设置桥头搭板，目的是把梁体变形通过搭板传递到合背回填材料，回填材料采用碎石等高强材料。2000年4月，在河南省进行了我国第一座半整体式全无缝桥设计与施工。经1年的通车运营，梁体及桥面平整完好，没有桥头跳车现象。1.4.4找平处理基于对桥头刚柔差异的认识，认为桥头的沉降差异不能消除，而且沉降随着时间不断增大。因此，国内有些文献内提出在施工期对桥头填土不作特殊处理，在沉降差异发生后，采用各种材料进行补平，如对干沥青路面，对原路面表面进行一定处治后加铺沥青面层，对于刚性路面则在桥头搭板预制吊环，沉降发生后，将褡板吊起，重新调整基层顶面标高。对桥头沉降差进行补平的另一种方法是采用在桥头路堤顶面预留沉降高度的方法。由于工后沉降必然产生，因此在桥头设一定的预抛高，来抵消一定的工后沉降，从而不致因沉降而产主大于0.30.6的纵坡变化。设置预抛高的关键是抛高的量，一般设置的原则是：1.设置的抛高所产主的纵坡变化不能使得行车有不适的感觉。2.预抛高值所能够抵消的工后沉降应该包括两部分：施工到竣工通车时期内的沉降，竣工通车后经过一定运营期内产主的工后沉降。因为预留沉降值不能影响公路适用初期的舒适性，因此采用这种方法处治的桥头不均匀沉降差范围受到限制，该方法应用不多。1.4.5排水处理填方段的排水措施很重要，对于土体材料而言水的侵入可导致材料的强度、刚度下降，自重增加，造成填方路基和地基的附加沉降。由于桥台和路堤结合部存在一个界面，水分更容易从界面下渗。因此对干台背排水应该比普通路堤排水要求要高些。按照公路排水设计规范（JTJ01897）要求，对于路堤与台背或墙背结合部，应设有上下贯通的完整排水系统，把桥头下渗水迅速排出路堤。桥台和支挡构造物排水，如台背或墙背回填采用透水性材料，回填料表面应采取措施防止地表水渗入，并在台身或墙身内设置泄水孔等排水措施。当采用透水性不良的回填料，则需在台背或墙背与回填料之间，设置由透水性粒料组成的连续排水层。1.4.6横向加筋处理选用士工格栅或格室，提高土体的抗剪强度，使台背回填土体受剪破坏的荷载增大，相应的剪切变形较素土小；在承受荷载时，土体的侧向变形受到格栅的抑制，承载力随之提高，趋近于弹性范围内工作，使土体上作用荷载均匀地扩散到整个加筋土层上，单位土体面积受荷减小，有效减缓桥头跳车。长沙交通学院7采用土工网的复合地基处理桥头跳车取得了较好的效果。土工格栅铺网长度距桥台应大于5m且不小于0.75倍的桥台高；网格间距越密越好，宜采用50mm较为合适；土工格栅张拉锚固于桥台背，可进一步限制填土的竖向变形，同时使桥台附近的填土抗剪强度成倍增加，防止台背处被拉裂。1.5本文的研究对象和主要研究内容路基沉降特别是差异沉降是土力学中的重要研究课题，而由台背路基差异沉降引起的桥头跳车更是高速公路建设中需要解决的重要问题,因此,研究台背路基的沉降特点,分析差异沉降形成的原因,了解差异沉降的控制标准,这对有效选择解决桥头跳车的台背处理方法具有重要的理论意义和实际意义。为达到以上目的，本论文在汲取前人研究成果的基础上，主要对以下几个方面的工作进行研究：1.通过分析台背路基的应力和变形特点,结合桥头台背路基的沉降观测资料,比较分析台背路基与一般路基不同的沉降变化规律；2.基于台背路基的沉降变形和行车舒适要求的特点,分析研究台背路基差异沉降的取值方法及取值标准,并通过对湖南省境内几条高速公路台背路基沉降观测结果的分析及预测,分析研究桥头台背工后沉降的合理取值标准。第二章 台背路基的沉降变化规律及沉降预测方法研究2.1前言由于路基与台背路堤不均匀沉降使得在两者交界处路面标高发生突变，势必严重影响路面的使用性能甚至安全，而台背路基的沉降变化规律及沉降预测方法研究已成为高速公路建设中急待解决的问题之一。只有控制好台背路基施工进程中和施工完成后的沉降，才能从根本上解决桥台跳车等一系列影响高速公路使用的问题。实际公路建设中采取了一些措施尽可能地减少台背路基的不均匀沉降，如在台背处填筑透水性材料；在桥台与路基之间设置桥头搭板；在台背填土中铺设土工格栅。由于台背路基的应力形式有别于一般的路基，那么其沉降计算方法与经典的路基沉降计算方法会有些许差别。本文从台背沉降的特点入手，以云南小磨公路为例，分析几种典型条件下的沉降变化规律。并在已有的数据基础上研究可行的沉降预测方法。2.2台背路基的应力特征及沉降计算方法构筑物桥台、涵洞、通道一般采用刚性较大的钢筋混凝土浇筑而成，具有较大的整体刚度，而与之相连的道路，则是刚度较小，柔性较大的弹塑性体，在车辆荷载的作用下，这个刚度差引起道路与构筑物之间产生较大的塑性变形和刚度突变，而台背作为刚柔过渡段，其沉降与路基沉降之间必然存在差异。由于台背路基的特殊性，决定了台背路基沉降必定与一般路基有所不同。台背回填区的沉降产生主要由天然地基沉降和路堤沉降两部分组成：天然地基沉降主要是由于台后填土范围内原地基承载力低，天然地基未经处理完全即进行台后填土施工，在路堤填料产生的附加应力作用和车辆的反复冲击作用下土体被压缩造成了地基的沉降；路堤的沉降主要是由于台背回填部分材料本身的密实度不高，填土在荷载作用下发生变形。受到桥台的标高控制，台后填土一般比较高，土体在自身重力及车辆反复的冲击作用下产生沉降变形；同时由于高填土，土体发生次固结产生沉降。可以从台背地基与台背路堤两方面来分析台背处的应力分布特征：2.2.1台背路堤应力分布特点在路堤深度范围内台背与一般路堤比较起来差别不大，土体的自重应力占主导地位，但由于构造物台背与土体之间的摩阻力存在，使一定范围内台背填土应力减小。2.2.2台背地基应力分布特点桥、涵、通道等构造物从基础类型来分可分为深基础和浅基础两类，两类基础荷载对地基应力分布的影响不同，假设一般路段地基某深度处应力大小为0，将两类基础荷载产生的地基应力与0相比较：1.桥（可看作深基础），(如图2.1)：图2.1 桥台由于桥梁的基础埋置深度较大，基础荷载全部作用于深层地基,因而对压缩层内的地基沉降影响不大,两侧桥台不互相影响，因此临近桥台的台背地基所受附加应力仅为台背一侧路堤荷载作用产生的附加应力,此时台背地基的最小附加应力仅为一般路堤下地基附加应力的1/20；2. 涵、通道（可看作浅基础），(如图2.2)：图2.2涵、通道涵、通道等基础埋置深度与桥梁比较起来小的多，而且宽度较小，其荷载远小于路堤填土荷载,由于两侧台背共同作用，台背地基的应力在一般路堤填土下地基附加应力的1/20和0之间。综合两者结论可知，桥涵通道的台背地基应力均小于一般路段地基。从公路工程施工实践可知，几乎所有桥梁、涵洞、通道都要求对台背填土进行处治。然而，台背填土压实度受施工过程中的多方面影响，在施工图设计时，往往省略台背填土施工图，如基坑、台背填土尺寸、不同条件下回填填料要求等，使得台背填土无明确目标，导致施工质量普遍存在问题；另外由于台背结构不允许路基压实机械过于靠近获接触台身，作业面狭小，也导致台背一定范围内路基压实度低于设计规范要求值。此外，从公路调查结果反映，台背路堤施工普遍存在压实不足的问题。通车后，在车辆荷载的振动作用下，台背附近路堤填土密实度迅速增加，沉降随即发生。台背填土的沉降量和路基沉降量比较起来一般较小，但发生得早且快，在有其他类型沉降的条件下甚至起了加速路基沉降的作用，这是造成路桥（涵）过渡段与路基不均匀沉降的基本原因之一。由上分析可知，台背路基的特点是：在填土条件相同的条件下，台背地基的土中应力小于一般路段的地基应力，其中台背地基下的土中应力最小，随距离台背间距的增加，土中应力逐渐增加，到一定距离后地基应力与一般路基相同，因此台背地基的沉降也是台背处的沉降最小，随距离台背间距的增加，地基沉降逐渐增加。但台背路堤的沉降却由于压实度较低，沉降量将大于一般路堤，所以台背地基的沉降与一般路基相比，具有地基沉降较小，路堤沉降相对较大的特点。 2.3台背路基的沉降变形规律本文通过对云南小磨公路的沉降数据分析，试图研究台背路基沉降规律的特殊性，以及其与一般路基沉降规律的区别。云南小磨（小勐养至磨憨）公路公路2004年12月开工，于2008年7月21日正式建成通车，作为交通运输部和云南省联合组织实施的勘察设计典型示范工程，小勐养至磨憨公路全长路线全长约199公里（含联络线），其中，高速公路17公里，一级公路17公里，二级公路149公里，其它等级公路14公里。造价约为63.94亿元人民币。小磨公路主线起于景洪市小勐养镇北侧，与思茅至小勐养高速公路相接，止于勐腊县磨憨边境贸易区中老边界29号界桩附近，与昆曼国际大通道老挝境内路段相接。全线共有桥梁327座（单幅计算），其中特大桥、大桥151座；隧道34座，桥隧总长72626米。2.3.1一般台背路基的沉降规律选取小磨公路上k162+920（台背）断面,从2005年6月1日开始观测到2007年12月25日的实测沉降值分析, (如图2.3)可得出如下结论：1.在施工前期,k162+920(台背)沉降量波动明显，在施工后期沉降量逐步呈现稳定趋势。2.在施工后期沉降稳定期间,k162+920(台背)累计沉降量逐渐增大,未呈现波动状态.图2.3 小磨公路k162+920（台背）断面实测沉降值2.3.2 台背路基与一般路基的沉降规律比较在小磨公路k162+920台背附近选取k162+820（一般路基）断面,从2005年6月1日开始观测到2007年8月12日的实测沉降数据如下(如图2.4)与k162+920断面沉降曲线图2.3进行对比,可得出如下结论: 图2.4 衡枣高速公路k162+820（一般路基）断面实测沉降值1.在施工前期,k162+820(一般路基)沉降量剧增,此后累计沉降量趋于平稳 状态,沉降曲线呈下降趋势,但变化量不大;2.在施工后期一般路基的沉降量比台背路基更稳定;3.沉降趋势稳定时,在相同的时间间隔内,台背路基的沉降量明显大于一般路基.2.3.3 特殊条件下的台背路基与一般路基沉降规律比较选取小磨公路上k105+020（台背高填方）k105+150（高填方）两不同观测点位特征断面进行实测沉降数据比较。由上例中得出累计沉降量在施工后期较为稳定，可从2006年12月10日开始观测到的数据进行分析，从2006年12月10日至施工完成,期间两断面填土厚度均为零。沉降曲线对比如下(如图2.5)所示,可得出如下结论: 图2.5 台背高填方和高填方沉降值的曲线对比1.在施工后期,k105+020台背高填方路基处沉降值总体趋于稳定,有小幅度波动;2.在施工后期,k105+150高填方路基处累计沉降值增大趋势明显,且沉降变化量远大于台背高填方路基. 从以上两种情况的台背路基和一般路基的沉降变化特点的比较发现，两种情况的沉降差异不同，第一种情况的台背路基沉降大于一般路基的沉降，且沉降稳定的时间较长，而后一种情况却正好相反，台背路基不仅沉降量远小于一般路基，而且台背路基的沉降稳定时间也较短，从两种情况的地基和台背填土条件分析，出现这种不同差异的原因主要是由地基条件和填土压实度的差异引起的，第一种情况由于地基条件较好，地基沉降较小，而台背填土压实度相对较差，因此路基沉降主要为路基填土的沉降，其结果必然是台背路基的沉降大于一般路基的沉降，而第二种情况却是地基条件相对较差，路基总沉降主要以地基沉降为主，因此台背路基沉降小于一般路基沉降。2.4 台背路基的沉降预测方法目前对于台背路基，已有的沉降计算方法比较多，已有的e-lgp曲线法，应力路径法等；数值分析中的差分解法、有限元解法等；另外还有概率统计分析法。传统的沉降预估方法是建立在太沙基等人创立的经典土力学基础之上，其中引入了许多简化假定，在预估时将地基沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分，并按分层总和法分别计算；数值分析法是近代土力学研究的产物，如有限元法、有限差分法；以上的一些理论方法由于本身的局限性和实际地质条件的复杂性和非均匀性，结果必然与真实值有出入，随着现场观测技术的发展，一些基于实测沉降资料的预估法先后出现8,9,10,11,12,13，如双曲线法、指数曲线法、泊松曲线法、灰色预测法、神经网络预测法等.本文利用Compertz曲线模型和双曲线模型对小磨公路K157+364和K157+541两个台后路基沉降板的中后期沉降以及最终沉降进行了拟合预测。2.4.1 Compertz曲线模型的建立将我们要研究的预测目标用一个定量指标表示。是的微分，它表示的变化速率。则的增长率就等于除以，于是，我们便可用微分方程 （，） (2.1) 来描述的“成长”过程，式中、是模型的参数。上式的意义是，当很小时（即在初始发展阶段），右边第二项近似等于零。这时按一固定的增长速度发展；随着的逐渐增长，所起的作用逐渐增大。故方程的实际意义是的增长对本身的发展起着一定的抑制作用，并使增长速度逐渐下降。它体现了外部环境对发展的综合反应。当时，方程右边等于零，这时增长速度也等于零。通常计，称为饱和参数或发展极限。用分离变量法对微分方程(2.1)求解，有： (2.2)对式(2.2)进行有理式分解，两边积分得；或 (2.3)是待定系数，令，代入上式可以解得：将代入式(2.3)，最后整理得： (2.4)式(2.4)就是逻辑斯蒂(logistic)成长曲线方程，也称泊松曲线或皮尔曲线方程。如果的增长率不与成比例，而与成比例，即 (2.5)则求解式(2.5)可以得到 或 （为常数） (2.6)式(2.6)称为Compertz曲线方程。在本文中，代表时刻时的沉降预测值，其单位为长度单位；为时间，其单位为时间单位；、为模型待定参数；的单位为与相对应的长度单位。式(2.6)代表的是一条非对称的右偏曲线，这种形式较为符合地基土体沉降变形递减的特点。2.4.2 Compertz模型参数的计算Compertz曲线方程的三个参数可采用三段估计法求出12。首先，令，它则变为修正指数形式： (2.7)假设已知一时间序列、，满足上述方程，即将个数据平均分成三段（如果不能被3整除，可以通过增减个别数据使其恰为3的倍数），每段含有个数，即，对各段求和得 (2.8) (2.9) (2.10)由级数求和公式，有代入式(2.8)、(2.9)、(2.10)，得： (2.11) (2.12) (2.13)由式(2.11)、(2.12)、(2.13)经后式减去前式，有 (2.14) (2.15)由以上两式，可得： (2.16)故有 (2.17)同时，可解得： (2.18) (2.19)将式a、b代入上式可得 (2.20)由上述方法类推，我们不难得到龚帕斯曲线方程(2.6)式中的参数计算式为： (2.21) (2.22) (2.23)基于以上算法和思想，作者利用Matlab7.0对模型计算编制了相应程序。 2.4.3 工程实例的比较与分析2.4.3.1 计算结果本文选取小磨公路K157+364和K157+541两个台后路基沉降板各中前期的18组实测数据资料(见表2.1)： 表2-1小磨公路K157+364、K157+341观测时间以及沉降量K157+364时 间(d)121138149163179194211223235沉降量(mm)24.934.234.332.835.436.938.238.639.1时 间(d)247261298323352409436484505沉降量(mm)40.3140.540.6