一种多年冻土区路桥过渡带组合结构及施工方法.pdf

一种多年冻土区路桥过渡带组合结构，属于路桥过渡带组合结构。该组合结构的桩基上端为桩基承台，在保温材料上端顺序有空心混凝土箱体、刚度过渡带和钢筋，在空心混凝土箱体侧面有保温层和路基填土；在桥台有桥梁支座和桥梁主梁，最上层为路面；侧面为碎石护坡。空心混凝土箱体代替了路基填料，在过渡带范围内提高了路基抵抗不均匀变形的能力；其下部和侧面的保温层保证将施工时的热扰动影响降到最低；路基面和空心混凝土箱体之间的刚度过渡层起到调节从桥台绝对刚度和路基相对较小刚度作用，避免引起运营期间路面的破坏。优点：抵抗地基不均匀沉降、调节路面下刚度过渡、保护和主动冷却冻土、施工简便、运营维护成本低、适应多种冻土地基类型。

1.  一种多年冻土区路桥过渡带组合结构，其特征在于：该组合结构包括：路面、桥梁主梁、桥梁支座、桥台、桩基承台、桩基、保温材料、空心混凝土箱体、刚度过渡带、钢筋、保温层、路基填土和碎石护坡；桩基上端为桩基承台，在保温材料上端顺序有空心混凝土箱体、刚度过渡带和钢筋，在空心混凝土箱体侧面有保温层和路基填土；在桥台有桥梁支座和桥梁主梁，最上层为路面；侧面为碎石护坡。

2.  根据权利要求1所述的多年冻土区路桥过渡带组合结构，其特征在于：所述的空心混凝土箱体用来抵抗过渡带冻土地基不均匀沉降，同时减少路基填料自身变形的影响；混凝土箱体的几何特征：宽度取路基路面宽度，扣除路肩部分；长度依据物理实验和数值模拟结果过渡带的影响范围2~3倍的路基宽度，取2~3倍的路基宽度；高度从地面保温层到路面底面下1.0~1.5m；箱体厚度取30~50cm，混凝土标号C30~C50，选择发热量低的水泥配置。

3.  根据权利要求1所述的多年冻土区路桥过渡带组合结构，其特征在于：所述的空心混凝土箱体通过其底面和侧面的保温材料和保温层，减少施工时混凝土水化热对冻土地基的热影响，保温层材料选择EPS：厚度10~20cm，综合保温效果好，导热系数低于0.1W/(mK)；其碾压强度达到路基标准；保温效果和强度耐久性50年以上。

4.  根据权利要求1所述的多年冻土区路桥过渡带组合结构，其特征在于：所述的刚度过渡带和钢筋用来调节从桥台到填土路基之间的刚度差，原则设置3排钢筋，钢筋间距0.5~1.0，排距0.3~0.6m；钢筋直径20~30mm的螺纹钢要进行防腐处理。

5.  根据权利要求1所述的多年冻土区路桥过渡带组合结构，其特征在于：所述的刚度过渡带两侧设置碎石护坡，利用碎石护坡经济高效的主动冷却路基和地基的手段及其“烟囱效应”，即冬季冷空气下沉通过碎石层在地面加热后沿着孔隙护联通的坡向上运动，又被冷空气冷却；夏季时这种作用停止碎石层的空气成为良好的隔热材料，阻止热量进入；根据当地实测的阴阳坡程度，通过阴阳坡设置不同碎石层厚度来调节。

6.  权利要求1所述的多年冻土区路桥过渡带组合结构的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
首先在桥台、桩基承台和桩基施工完成后，对天然冻土地面路基施工范围内进行人工平整和碾压，达到道路设计的压实度标准后，地面敷设保温材料，保温材料的保温性能和自身承受压力能力要先进行测试；
在保温材料上支模绑扎钢筋，浇筑空心混凝土箱体，空心混凝土箱体的结构尺寸以及路基宽度、路基刚度、过渡带影响范围、设计荷载等综合因素确定，选择低水化热水泥，保温养护28天；
空心混凝土箱体拆模后，在靠近路基一侧敷设保温材料，按照路基设计逐层碾压路基填土材料达到空心混凝土箱体顶面高度；
两侧的碎石护坡采用人工堆砌方式施工，第一次两侧对称堆砌至空心混凝土箱体顶面高度；
在空心混凝土箱体顶面铺设细砂层，分层碾压，达到设计高度，设置桥台引起不同长度的钢筋，设计3层，用来调节刚度，钢筋的长度、直径、布置方式要和设计载荷填土材料和桥台之间的刚度差综合因素确定；
采用人工堆砌方式施工碎石护坡，要依据当地的阴阳坡效应设置不同的厚度来调节；
g、路面施工和桥面和普通填土路基一起施工。

一种多年冻土区路桥过渡带组合结构及施工方法
技术领域
本发明涉及一种路桥过渡带组合结构，特别是一种多年冻土区路桥过渡带组合结构及施工方法。
背景技术
路桥过渡带的不均匀变形是由于从桥台到普通路基之间的存在较大的刚度差，造成桥头路面的不均匀沉降、路面开裂，严重影响行车舒适度，甚至危及行车安全。而在多年冻土地区路桥过渡带还处于三向导热状态，路基走向导致的阴阳坡效应引起路基和冻土地基温度场的不均匀将会进一步加剧路桥过渡带的病害，以青藏公路为例，对550多公里的多年冻土地区路桥过渡带进行病害调查，普遍存在以下问题：
(1)过渡段阳坡平均沉降量大于阴坡；
(2)随着路基高度增加，过渡段沉降量增大，但沉降增加率逐渐减小；
(3)随着地温增加、含冰量增加，过渡段沉降量逐渐增大；
(4)高温冻土区过渡段沉降均大于低温冻土区。
分析多年冻土地区(尤其高温冻土地区，-0.5～-1.5℃)，路桥过渡带产生上述病害的最主要原因如下：
(1)过渡段路基压缩变形，路基填料的压缩变形随着时间逐渐降低，材料选择不大会在施工后1～2产生较大的工后沉降，且容易导致路基自身冻胀融沉变形；
(2)季节融化层压缩变形，高温冻土本身具有较大的蠕变性能，施工和运营期间的热扰动以及全球升温效应会加剧高温冻土的升温，如果高温冻土全部融化地基承载力急剧降低导致道路中断；
(3)和非冻土区一样，桥台到普通填土路基之间的刚度差是导致路桥过渡带产生不均匀变形和路面开裂的主要原因之一。
目前常规的处理路桥过渡带的工程措施按照非冻土区路基施工，待产生较大的不均匀沉降后整修路面，回填砂石材料后，重新铺设路面，严重影响了道路的通行能力，并且没有从根本上解决问题；科研工作者已经认识到这一问题的复杂性引入了处理冻土区路桥过渡带的方法，但是多数是从上述分析的原因中的一个方面进行处理，治理的效果不甚理想，例如：引入桥台搭板的方法调节桥台到普通路基的刚度差问题，但是忽略了温度场对于路基和冻土地基的影响；采用碎石护坡可以在一定程度上调节阴阳坡效应，且起到较好的降低路基和地基温度的作用，但是忽视了最根本的调节刚度差的问题。
发明内容
技术问题：本的发明的目的是要克服传统的路桥过渡带施工和防治技术的不足之处，提供一种综合治理、施工简便、运营维护成本低的多年冻土区路桥过渡带组合结构。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：该组合结构包括：路面、桥梁主梁、桥梁支 座、桥台、桩基承台、桩基、保温材料、空心混凝土箱体、刚度过渡带、钢筋、保温层、路基填土和碎石护坡；桩基上端为桩基承台，在保温材料上端顺序有空心混凝土箱体、刚度过渡带和钢筋，在空心混凝土箱体侧面有保温层和路基填土；在桥台有桥梁支座和桥梁主梁，最上层为路面；侧面为碎石护坡。
所述的空心混凝土箱体用来抵抗过渡带冻土地基不均匀沉降，同时减少路基填料自身变形的影响；混凝土箱体的几何特征：宽度取路基路面宽度，扣除路肩部分；长度依据物理实验和数值模拟结果过渡带的影响范围2～3倍的路基宽度，取2～3倍的路基宽度；高度从地面保温层到路面底面下1.0～1.5m；箱体厚度取30～50cm，混凝土标号C30～C50，选择发热量低的水泥配置。
所述的空心混凝土箱体通过其底面和侧面的保温材料和保温层，减少施工时混凝土水化热对冻土地基的热影响，保温层材料选择EPS：厚度10～20cm，综合保温效果好，导热系数低于0.1W/(mK)；其碾压强度达到路基标准；保温效果和强度耐久性50年以上。
所述的刚度过渡带和钢筋用来调节从桥台到填土路基之间的刚度差，原则设置3排钢筋，钢筋间距0.5～1.0，排距0.3～0.6m；钢筋直径20～30mm的螺纹钢要进行防腐处理。
所述的刚度过渡带两侧设置碎石护坡，利用碎石护坡经济高效的主动冷却路基和地基的手段及其“烟囱效应”，即冬季冷空气下沉通过碎石层在地面加热后沿着孔隙护联通的坡向上运动，又被冷空气冷却；夏季时这种作用停止碎石层的空气成为良好的隔热材料，阻止热量进入；根据当地实测的阴阳坡程度，通过阴阳坡设置不同碎石层厚度来调节。
施工方法为：
a、首先在桥台、桩基承台和桩基施工完成后，对天然冻土地面路基施工范围内进行人工平整和碾压，达到道路设计的压实度标准后，地面敷设保温材料，保温材料的保温性能和自身承受压力能力要先进行测试；
b、在保温材料上支模绑扎钢筋，浇筑空心混凝土箱体，空心混凝土箱体的结构尺寸以及路基宽度、路基刚度、过渡带影响范围、设计荷载等综合因素确定，选择低水化热水泥，保温养护28天；
c、空心混凝土箱体拆模后，在靠近路基一侧敷设保温材料，按照路基设计逐层碾压路基填土材料达到空心混凝土箱体顶面高度；
d、两侧的碎石护坡采用人工堆砌方式施工，第一次两侧对称堆砌至空心混凝土箱体顶面高度；
e、在空心混凝土箱体顶面铺设细砂层，分层碾压，达到设计高度，设置桥台引起不同长度的钢筋，设计3层，用来调节刚度，钢筋的长度、直径、布置方式要和设计载荷填土材料和桥台之间的刚度差综合因素确定；
f、采用人工堆砌方式施工碎石护坡，要依据当地的阴阳坡效应设置不同的厚度来调节；
g、路面施工和桥面和普通填土路基一起施工。
有益效果，冻土是一种对温度极为敏感的岩土材料，其在冻结状态下承载能能力可以 满足路基和车辆荷载的要求，多年冻土地区路基的工程设计提出了保护冻土的原则。通过设置保温层阻止施工和运营期间的热扰动，铺设碎石护坡主动降低路基和冻土地基温度，同时调节阴阳坡效应；设置空心混凝土箱体抵抗高温冻土地基的不均匀沉降，同时减小路基自身变形；设置刚度过渡带调节桥台到普通路基的刚度差。本发明从综合治理的角度对多年冻土路桥过渡带的进行治理，数值模拟和物理模拟试验已经证实该方案的可靠性。
该路桥过渡带组合结构，包括空心混凝土箱体用来替代路基填料，抵抗过渡带影响范围内冻土地基不均匀沉降，减少路基自身变形和受冻融的影响，其结构尺寸可以依据路基的宽度、高度和车辆设计荷载技术指标自由调整，箱体的施工和普通的混凝土结构的施工相同，一般施工人员容易掌握；箱体施工时要严格遵照保护冻土的设计原则，在箱体的底面和侧面设置保温材料，减少施工时的热扰动对冻土地基的影响，主要是箱体浇筑时的水化热，保温材料的保温效果和在荷载作用下变形性质以及耐久性都要达到路基设计的要求；采用不同长度钢筋刚度过渡层调节刚度差可以有效缓解路面在路基刚度差作用的破坏；碎石护坡是已经比较成熟的经过实践检验的主动冷却手段，还可以通过不同的碎石护坡厚度平衡阴阳坡的影响。
优点：从调节刚度差、抵抗不均匀形变、主动冷却冻土等综合方法治理多年冻土地区的路桥过渡带的病害，同时该组合结构还具有适用多种冻土类型，如高温冻土、低温冻土、富冰冻土。克服目前冻土区路桥过渡带治理的被动性、单一性问题，是综合的治理措施，具有很好的适应性、施工简便、维护成本低抵抗地基不均匀沉降、调节路面下刚度过渡、保护和主动冷却冻土、运营维护成本低。
附图说明
图1是本发明的路桥过渡带纵剖面示意图。
图2是图1中A-A横剖面结构示意图。
图中：1、路面；2、桥梁主梁；3、桥梁支座；4、桥台；5、桩基承台；6、桩基；7、保温材料；8、空心混凝土箱体；9、刚度过渡带；10、钢筋；11、保温层；12、路基填土；13、碎石护坡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利的一个实施例作进一步的描述：
如图1和图2为本发明的多年冻土区路桥过渡带组合结构。该路桥过渡带组合结构，包括空心混凝土箱体用来替代路基填料，抵抗过渡带影响范围内冻土地基不均匀沉降，减少路基自身变形和受冻融的影响，其结构尺寸可以依据路基的宽度、高度和车辆设计荷载技术指标自由调整，箱体的施工和普通的混凝土结构的施工相同，一般施工人员容易掌握；箱体施工时要严格遵照保护冻土的设计原则，在箱体的底面和侧面设置保温材料，减少施工时的热扰动对冻土地基的影响，主要是箱体浇筑时的水化热，保温材料的保温效果和在荷载作用下变形性质以及耐久性都要达到路基设计的要求；采用不同长度钢筋刚度过渡层调节刚度差可以有效缓解路面在路基刚度差作用的破坏；碎石护坡是已经比较成熟的经过实践检验的主动冷却手段，还可以通过不同的碎石护坡厚度平衡阴阳坡的影响。
空心混凝土箱体代替了路基填料，在过渡带范围内提高了路基抵抗不均匀变形的能力；其下部和侧面的保温层保证将施工时的热扰动影响降到最低；碎石护坡经过实践证明是冻土地区主动冷却路基和地基的最为经济高效的手段；路基面和空心混凝土箱体之间的刚度过渡层起到调节从桥台绝对刚度和路基相对较小刚度作用，避免引起运营期间路面的破坏。
该组合结构包括：路面1、桥梁主梁2、桥梁支座3、桥台4、桩基承台5、桩基6、保温材料7、空心混凝土箱体8、刚度过渡带9、钢筋10、保温层11、路基填土12和碎石护坡13；桩基6上端为桩基承台5，在保温材料7上端顺序有空心混凝土箱体8、刚度过渡带9和钢筋10，在空心混凝土箱体8侧面有保温层11和路基填土12；在桥台4有桥梁支座3和桥梁主梁2，最上层为路面1；侧面为碎石护坡13。
所述的空心混凝土箱体8用来抵抗过渡带冻土地基不均匀沉降，同时减少路基填料自身变形的影响；混凝土箱体的几何特征：宽度取路基路面宽度，扣除路肩部分；长度依据物理实验和数值模拟结果过渡带的影响范围2～3倍的路基宽度，取2～3倍的路基宽度；高度从地面保温层到路面底面下1.0～1.5m；箱体厚度取30～50cm，混凝土标号C30～C50，选择发热量低的水泥配置；
所述的空心混凝土箱体8通过其底面和侧面的保温材料7和保温层11，减少施工时混凝土水化热对冻土地基的热影响，保温层材料选择EPS：厚度10～20cm，综合保温效果好，导热系数低于0.1W/(mK)；其碾压强度达到路基标准；保温效果和强度耐久性50年以上；
所述的刚度过渡带9和钢筋10用来调节从桥台到填土路基之间的刚度差，原则设置3排钢筋，钢筋间距0.5～1.0，排距0.3～0.6m；钢筋直径20～30mm的螺纹钢要进行防腐处理；
所述的刚度过渡带两侧设置碎石护坡，利用碎石护坡经济高效的主动冷却路基和地基的手段及其“烟囱效应”，即冬季冷空气下沉通过碎石层在地面加热后沿着孔隙护联通的坡向上运动，又被冷空气冷却；夏季时这种作用停止碎石层的空气成为良好的隔热材料，阻止热量进入；根据当地实测的阴阳坡程度，通过阴阳坡设置不同碎石层厚度来调节。
施工方法：
a、首先在桥台4、桩基承台5和桩基6施工完成后，对天然冻土地面路基施工范围内进行人工平整和碾压，达到道路设计的压实度标准后，地面敷设保温材料7，保温材料的保温性能和自身承受压力能力要先进行测试；
b、在保温材料7上支模绑扎钢筋10，浇筑空心混凝土箱体8，空心混凝土箱体的结构尺寸以及路基宽度、路基刚度、过渡带影响范围、设计荷载等综合因素确定，选择低水化热水泥，保温养护28天；
c、空心混凝土箱8体拆模后，在靠近路基一侧敷设保温材料11，按照路基设计逐层碾压路基填土材料12达到空心混凝土箱体8顶面高度；
d、两侧的碎石护坡13采用人工堆砌方式施工，第一次两侧对称堆砌至空心混凝土箱体8顶面高度；
e、在空心混凝土箱体顶面铺设细砂层，分层碾压，达到设计高度，设置桥台引起不同长度的钢筋10，设计3层，用来调节刚度，钢筋10的长度、直径、布置方式要和设计载荷填土材料和桥台之间的刚度差综合因素确定；
f、采用人工堆砌方式施工碎石护坡，要依据当地的阴阳坡效应设置不同的厚度来调节；
g、路面1施工和桥面和普通填土路基一起施工。