0.       概要

近十多年来，公路建设作推动国民经济发展的基础建设，得到了各级政府的大力支持，建设步伐尤为迅速，每年以3000多公里的速度在递增，其总里程已达到了世界第二。随着经济的发展及公路网的不断完善，社会对工程质量及工程造价的要求都在不断的提高，高等级公路等基础设施的建设正处在“质”与“量”并重的重要发展阶段。目前，已投入使用的高等级公路(包括高速公路)中，普遍存在一个问题：路面在台背回填处出现不同程度的沉降断裂(沉降值一般为10～30 cm，有的甚至超过60 cm)，使车辆通过时产生跳跃和冲击，从而对桥涵和路面造成附加的冲击荷载，使司机和乘客感到颠簸不适，甚至造成车辆大幅度减速，严重的可导致交通事故(特别是车辆机械事故)。因此，桥头跳车问题已成为了高等级公路的工程质量和造价的重要影响因素。本文将在简要分析引起桥头跳车原因的基础上，提出一种全新的解决办法。

1.       桥头跳车产生的原因

软土地基上的桥头跳车是一个比较复杂的技术问题，通常受许多不确定因素的影响，如软土厚度及其性质、软基处理的效果、路基的填筑高度、台背填料的施工质量、设计参数、计算方式等，其计算沉降量与实际沉降量常常难于相符，有时甚至出入较大。通常可将桥头跳车产生的主要原因概括为以下几个方面。
1.1　地基土质不良造成的沉降
　　土质不良，由此产生沉陷是桥头跳车的最主要原因。桥涵通常位于沟壑地段，地下水位较高，且多为软基，此类土的天然含水量多大于液限、天然孔隙比大、常含有机质、压缩性高、渗透系数小、灵敏度高、抗剪强度低等特点，多属于饱和的正常压密软粘土，一旦受到扰动，天然结构易受破坏，强度便显著降低；加上桥头路基填筑高度相对较大，基底所承受的附加应力相对较大，在车辆荷载作用下，更容易引起地基沉陷，且沉降稳定历时往往持续数年乃至数十年。

1.2 台背填料压缩引起路基的沉降

压缩沉降主要取决于填料性质、施工条件及台前台背的防护排水工程的设置等情况。为了减少台背自身的工后沉降，一般采用多孔隙的渗透性填料，但由于桥台附近地方狭窄，施工时压实机具不能过分靠近台背，填料颗粒间孔隙无法完全消除；或填料质量差，达不到设计要求和规范标准等；在公路自重及车辆的垂直与振动荷载作用下，填料会不可避免地产生压缩沉降，造成跳车。

1.3  刚柔突变引起的沉陷跳车
　   刚性不同的路面在跳车处所产生的振动效果不同，柔性材料对能量的吸收要比刚性材料的大。由于桥梁是支撑在岩层上的刚性结构，具有较大的整体刚度；而与结构物桥台相连的道路相对属于柔性体，具有刚性较小柔性较大的特性，属弹塑性体。显然，道路与结构物桥台之间存在着较大的刚度差，这个刚度差的存在必然引起道路与结构物桥台之间产生较大的塑性变形差异及较大的刚度突变，加重了桥头跳车的振动效果。

综上所述，桥梁是支撑在岩层上的刚性结构，几乎不产生沉降，而与结构物桥台相连的路堤相对属于柔性体，工后沉降大，两者在连接处出现较大的沉降差（参照图-1.1），传统的设计、施工法很难解决这一问题，其结果是导致路基沉陷，路面破坏，桥台桩基侧移甚至破坏，工程建设及维修造价飙升。

图-1.1 桥涵与路基连接处附近的沉降关系

曲线（台背采用一般填土）

2．桥头跳车对道路及行车的影响
　　为了减少桥头跳车对路面结构的破坏，降低对行车的影响，高速公路桥涵两端通常都设有5～10m长的搭板。由于搭板两端沉降量的不同，在搭板两端形成一纵坡转折，（参照图-2.1，以纵坡i=1.5%为例）。

　　图-2.1桥头行车的机理分析

汽车在这种桥头路段的行车机理极为复杂，不同的搭板长度、不同的沉降值及不同的车型车速的影响程度各不相同。为了方便，本文把汽车轮胎经过桥头2个纵坡转折时的行车线型近似地按2个相切的反向竖曲线来考虑。当汽车行至A、C点间凸曲线路段时，形成的向心力为 。当汽车缓行时，大部分向心力F可由自重抵消，而当F大于自重时，汽车就会发生离心运动而沿着凸曲线的切向腾空，形成跳车和颠簸。车辆通过桥头时腾空产生的跳动和冲击，又造成对桥梁和道路的附加荷载，加速了对路面、桥头搭板、支座及伸缩缝的损坏，同时也加剧了车辆机件的磨损，降低其使用寿命。此外，跳车时车辆颠簸，引起驾驶员和乘客的身体和心理不适，严重时会影响驾驶员的正常操作，造成行车事故。可见桥头跳车危害之大，必须高度重视。

3．气泡混合轻质填土技术在解决桥涵跳车中的应用

由以上分析可知，桥涵跳车的直接原因是桥涵与路基连接处附近的沉降发生了突变（参照图-1.1）。缓解桥头跳车的最好方法就是要使桥涵与路基连接处附近的沉降曲线的梯度变化缓慢化、均匀化，为此，必须采取措施解决以下三个方面的问题：

① 消除台背填料自身的压缩沉降；

② 缓解桥涵与路基连接处附近填料的刚性突变；

③ 减少桥涵背软土地基的沉降。这就要设法使处于正常压密状态的软土地基处于超固结状态。

运用气泡混合轻质填土技术则可较好地解决以上三个方面的问题，它是目前处治桥涵跳车问题的最有效的方法之一。

3.1 台背填土的机理分析

气泡混合轻质土具有轻质性（容重：5～13kN/m³）、良好的流动性（泵送距离：1500m）、施工性（无须振捣和机械碾压）、强度的可调节性（300～1500kPa）、固化后的自立性（可垂直填土）及耐久性等优点。这种填料的自身不存在压缩沉降问题，刚性比一般的填土路基得好得多，特别是可大大地减轻路堤的填土荷载，降低地基应力，抑制软基的沉降、侧移和破坏；通过在桥台背部填充适当形状的楔型轻质土体，可大大缩减桥台与路基连接处附近的差异沉降，使沉降曲线连续、缓慢而均匀地变化（参照图-3.1），从根本上消除高速公路中的桥涵跳车问题。此外，这种技术还可缩短施工工期，抑制软基的侧向挤压，对桥台几乎没有推挤力，可提高结构物的使用寿命。

图-3.1 桥涵与路基连接处附近的沉降关系

       曲线（台背采用气泡混合轻质填土）

3.2 应用实例

以下是气泡混合轻质填土技术在某软基桥台背填土的应用实例。

图-3.2 某软基上的桥梁断面示意图

图-3.2是某软基上修建的高速公路中的某桥梁断面示意图。

图-3.3 路基部的轻质填土断面示意图

其中桥台与路基连接处附近的软基深度为25米（N<10），A1桥台的桩基长度为44.4米，A2桥台的桩基长度为41.9米，A1及A2台背路基的填土高度均为5.5米（参照图-3.3），A1/A2桥台两侧的地质情况及填土高度基本相同。为检验气泡混合轻质填土在解决桥台与路基连接处附近的差异沉降的效果，对A1侧台背采用通常的回填中粗砂；而对A2侧台背采用气泡混合轻质填土，考虑到地下水位对路基浮力的影响，使用了两种不同容重的气泡混合轻质土（参照图-3.4），其中地下水位以下部分轻质填料的容重与水的相同，地下水位以上部分的容重为6.7kN/m³，两部分共使用了233.6 m³的气泡轻质土（参照图-3.4~3.5）。设计无侧限抗压强度为1000kPa。

图-3.4 桥台背部轻质填土断面示意图

图-3.5 桥台背部轻质填土后的侧面图

图-3.6是A1、A2桥台两侧路基部的沉降观测曲线。虽然两种填土的沉降曲线的变化倾向基本相同，但采用气泡轻质填土的A2桥台侧路基部的沉降很小，沉降曲线的变化非常平缓，施工后五个多月的时间里总沉降量只有5cm，且已处于沉降稳定状态；而采用一般填土的A1桥台侧路基部的沉降大，沉降曲线的斜率变化大，在同样的观测时间内，总沉降量已接近35cm，且有继续沉降的趋势；五个月的时间里，采用两种不同填土路基的沉降差已超过了30cm。

图-3.6  A1/A2桥台两侧路基的沉降比较

图-3.7是A1、A2桥台前列桩基的弯矩随深度的变化曲线。图中的虚线和实线分别代表A1、A2桥台前列桩基弯矩的变化情况。显然，采用气泡轻质填土的A2桥台桩基所承受的弯矩比采用一般填土的A1桥台桩基的小得多。

图-3.7  A1/A2桥台前列桩基的弯矩比较

图-3.8是A1、A2桥台所承受的土压力观测曲线。由于气泡混合轻质填土具有良好的自立性，在静态荷载作用下，A2桥台几乎没有受到土压力的作用；即使在交通荷载作用下，A2桥台所承受到的土压力也比采用一般填土的A1桥台小得多。

  图-3.8  A1/A2桥台所承受的土压力比较

4．结论

采用气泡轻质填土比目前常用的桥涵背回填中粗砂的直接施工费用稍高一些，但这种技术可简化桥涵背回填砂前基础的处理，简化桥台等结构物的挡土结构，可大幅度地缩短施工工期、节省用地，降低由于软基的工后沉降所需要的高额维护管理费，降低机车损耗，提高行车的舒适性和安全性等。我省地处经济较发达的珠江三角洲，软基深厚复杂，河网及路网的分布密度大，软基上修建的桥梁涵洞多；道路建设的周期短；土地相对昂贵,据初步调查，我省每年需要为已投入运营的高速公路付出巨额的维护管理费用，且大部分是集中在桥头路段的维修，气泡混合轻质填土技术的推广应用将为彻底解决软基路堤中的桥头跳车问题提供了一种全新的思路，对提高公路建设质量，降低工程整体造价具有重要的意义。

5．参考文献：

(1)    蔡家范等：沪宁高速公路江苏段软土地基综合处理技术研究和实践，沪宁高速公路江苏段建设论文集。北京；人民交通出版社，1997

(2)    梁波，张旭辉，王志刚：铁路粉煤灰高路堤的稳定性分析，第八届土力学及岩土工程会议论文集，pp.381~384.1999

(3)    三嶋他：気泡セメント軽量盛土工法FCB工法、「土木施工」第33巻9号、pp.37-44、1992

(4)    三嶋他：気泡混合軽量土を用いた高速道路の改築工事、「土木技術」第49巻8号、pp.64-70、1994

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(7)     古谷：軽量盛土材としての気泡モルタル、「土と基礎」Vol.37、pp.73-77、1989

(8)     赤井：エアミルクの高速道路における道路盛土への利用、「基礎工」Vol.18-№12、pp.49-49、1990

(9)    都築：エアミルクの道路盛土への適用例、「基礎工」Vol.18-№12、pp.102-108、1990

(10) 三嶋他：気泡混合軽量盛土工法、「基礎工」Vol.22-№10、pp.16-21、1994

(11) 長尾他：気泡混合軽量土を用いた橋台背面の土圧軽減工法、「基礎工」Vol.22-№10、 pp.71-75、1994

(12) 陈忠平等：轻质土的关键技术开发及其施工工艺的研究，[交通部联合攻关重点课题报告]，2003

(13) 陈忠平等：气泡混合轻质土的关键技术开发及其在高等级公路上的应用，[广东省科技厅科研课题立项报告]，2003