黄国卿

云南省交通规划设计研究院陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室

摘 要：桥头引道差异沉降是公路运营中普遍存在的问题，既有的建设技术不能完全消除桥头引道差异沉降。本文在调研桥头引道差异沉降病害的基础上，明确了目前常见的两种桥头引道差异沉降类型;针对这两种类型的特征，分别提出了相应的控制指标，并基于标准1/4车模型和乘客舒适度阈值，反算两种桥头跳车控制标准，结果表明设计速度越高，相应的控制标准越严格。同时，总结了经验法和理论法两种典型的桥头引道差异沉降预测方法及适应性;最后，从实际工程角度出发，归纳了桥头引道差异沉降处理的决策原则和依据，研究结果可为路面桥梁的养护和决策提供支持。

关键词：桥头引道差异沉降;控制指标;控制标准;处置措施;

桥头引道差异沉降俗称为“桥头跳车”，是高等级公路运营中的一个通病，它不仅影响到乘客的舒适性，而且容易造成桥头伸缩缝及接缝路面的破坏，进而导致交通事故。我国东南沿海一带的公路多数修建在软土地基上，刚性桥面与柔性路面的差异沉降非常明显，为此，公路养护部门每年必须投入大量的人力和物力进行维护。以上海地区为例，几乎所有高等级道路在修建后5年内均存在不同程度的桥头引道差异沉降，“桥头跳车”现象十分普遍。据统计，2015年上海市市管公路用于桥头引道沉降处理的费用约占养护总费用的1/5，对于新建道路这一比例更高。由此可见，“桥头跳车”已成为高等级公路建设和营运中应该重视并亟待解决的问题。

从技术经济的角度而言，将桥头引道工后沉降严格控制在规范规定的容许范围内是相当困难的。譬如江、浙、沪三地的一些高速公路，尽管在建设过程中对桥头引道路段的软基进行了处理，但建成后3～8年内的沉降观测表明，桥头引道工后沉降几乎都超过10cm，最大达到了70cm以上，工后沉降一般需5～6年才逐渐趋于稳定。因此，既有的建设技术并不能消除高等级道路的“桥头跳车”现象，针对不同程度的桥头引道沉降需要不同的处置措施。

本文在充分调研桥头跳车病害数据的基础上，明确了目前常见的两种桥头引道差异沉降类型，针对这两种类型提出了相应的控制指标，并基于乘客舒适度阈值和标准1/4车模型，反算两种桥头跳车应控制的限值;同时，总结了经验法和理论法两种典型的桥头引道差异沉降预测方法及适应性;最后，从实际工程角度出发，归纳了桥头引道差异沉降处理的决策原则和依据，制定科学的处理方案，为路面桥梁的养护和决策提供支持。

1 桥头引道差异沉降类型

桥头引道工后沉降是由路堤堤身压缩变形和地基残余变形的共同作用所造成的，路-桥之间的结构突变进一步导致“桥头跳车”现象的产生。通过对上海市沪嘉、莘松、沪宁、外环线、南干线等高等级道路桥头引道工后沉降数据的分析表明，桥头引道工后沉降在纵断面上表现为2种不同的类型:“马鞍型”和“错台型”，两者所形成的“桥头跳车”现象在形态上和人体响应上都存在显著差异，因此两者的控制指标也不一样。

1.1 马鞍型

“马鞍型”桥头引道沉降主要发生在桥头搭板的路段，其典型纵断面曲线如图1所示。由于搭接板或者加紧处理后，在结合处并没有明显的错台现象，反而是沉降变形后的路面纵坡及设计路面纵坡之间形成的纵坡差导致“桥头跳车”，即让乘客不舒适最强烈的区域是在图1中的B点到A点之间。

图1“马鞍型”沉降纵坡特征示意图 下载原图

因此，“马鞍形”桥头引道差异沉降对行车舒适性的影响不是直接考察路基不协调变形引起的道路纵坡改变的绝对值，而是相邻两段道路改变后的纵坡差。纵坡差反映了差异沉降引起相邻路段的纵坡改变量，也决定了其对行车舒适性的影响程度，纵坡差越大，汽车在b点至a点的过程中的动载系数越大，乘客感觉更不舒适。因此，宜采用纵坡差作为“马鞍型”沉降的设计指标。C、A两点间纵坡差的计算式为:

式中:ΔGCA为差异沉降引起的路面C、A两点间的纵坡差;GCB为C、B段的路面纵坡;GBA为B、A段的路面纵坡。

其相应的设计标准为:

式中:ΔGm为允许纵坡差，该值与设计速度有关。

1.2 错台型

“错台型”桥头引道沉降主要发生于未设置桥头搭板的路段，其典型纵断面曲线如图2所示。由于桥台与台后路基、路面在结构上的差异，使得在路-桥结合处(A点)产生沉降突变，形成错台现象，造成纵坡线形突变。当错台量较大时，可使得车辆产生跳跃或下坠等非常规行驶轨迹，形成所谓“桥头跳车”，造成乘客的不适感。

图2“错台型”沉降纵坡特征示意图 下载原图

错台量由路、桥间的差异沉降决定，其理论计算公式为:

式中:Δlq为错台量;sl为桥头引道工后沉降;sq为桥台工后沉降;

允许错台量不是一成不变的，它随行车速度的变化而变化，因此，采用错台量作为设计指标时，路、桥(涵)工后差异沉降引起的错台量应该满足:

式中:Δm为允许错台量，该值与设计速度有关。

2 基于标准1/4车模型的桥头跳车控制标准

“桥头跳车”直接影响着乘客的舒适性，通过控制乘客的竖向加速度进而反算桥头跳车的控制标准是最常见的手段。对于实际道路而言，驶过桥头引道处的车辆种类众多，很难一一穷尽所有车辆的动力响应。本文参考国际平整度指数的定义，借鉴标准1/4车模型研究桥头跳车的控制标准。一方面，研究结果与国际平整度指数有着更好的相干性，更能体现出标准的普遍性;另一方面，采用简单参数的1/4车模型获得的动力响应相对更大些，得到的控制标准更保守。

标准1/4车辆模型见图3:Ms为车辆的簧载质量;Mu为车辆的非簧载质量;Ks为车身悬架刚度系数;Cs为车身悬架阻尼系数;Ku为车辆的轮胎刚度系数;q为不平整激励;Zs为车辆簧载质量Ms的绝对位移;Zu为车辆非簧上质量Mu的绝对位移。根据牛顿第二定律，不平整激励下车辆的非簧载质量和簧载质量的振动平衡方程分别为

1/4标准车辆模型参数为:C=6.00s-1,K=63.3s-2,U=0.15,K'=653s-2

图3 标准的1/4车模型 下载原图

联合求解6-7方程，统计在不同速度下，不同纵坡差、错台量对应的簧载质量的加速度最大值。同时，以0.315m/s2作为乘客“感觉不舒适”的加速度限值，反算各设计速度下的“马鞍型”的允许纵坡差值和“错台型”的允许错台量如表1所示。总体而言，设计速度越高，控制标准越严格，超过100 km/h时，允许纵坡差和允许错台量均小于1%和10mm。

表1“马鞍型”的允许纵坡差值和“错台型”的允许错台量 下载原图

3 桥头引道差异沉降处理的预测方法

桥头引道沉降处理决策过程中，需要考虑采取养护措施后道路纵断面在未来时间内的发展变化，因此研究桥头引道沉降的预测方法非常必要。沉降预测技术分为理论法和经验法两大类。理论法以Terzaghi一维固结理论和Boit固结理论为代表，具有较为严密的理论支持，可以对预测结果作出明确的物理解释，但参数的确定相当困难(尤其是工程竣工以后)，从而影响计算精度。

经验法一般不考虑复杂的土体本构关系，当沉降观测资料比较丰富时，经验法往往较理论法更为准确。最常用的经验法是曲线拟合法，其核心是选择一条符合实际沉降规律的历时曲线作为基本拟合曲线，通过对实测数据的回归确定拟合曲线的参数，然后预测测点的发展规律，常用的方法包括沉降时间倒数法，沉降率法，三点法，Hoshino法和浅层松尾法。

目前，越来越多的优化算法也应用到沉降数据预测的经验法中，这类算法可提高效率和精确度，但是非常依赖模型参数的标定。以神经网络法为例，基本原理是首先假定沉降历时曲线为未知函数f(x)，通过实测沉降数据的线性组合来拟合未知函数，在实际使用中通过对实测数据的反复学习来确定线性组合的系数矩阵和权函数参数，再通过对一些已知数据的应用来判定模型的精度，最后确定模型系数，形成沉降预测模型。神经网络法应用的难点在于要求的实测数据比较多，而且在权函数的确定上需要一定的技巧与实践经验，但神经网络法具有较强的自动学习和自动纠错功能。

4 桥头引道差异沉降处理的决策原则和依据

桥头引道沉降处理的决策基本原则是:在消除“桥头跳车”现象、恢复道路使用性能的前提下，制定科学的处理方案，使养护资金得到合理使用。因此在沉降处理工程中应遵循两个方面的原则:(1)实施沉降处理后，路段在尽可能长的时间内延缓“桥头跳车”现象的再次形成;(2)沉降处理费用经济、合理。

根据桥头引道的沉降历时规律，在沉降速率较大的时段进行沉降处理，一般只能保证在一段的时间范围内消除桥头跳车，完全消除桥头跳跃现象需要多次沉降，直到沉降趋于稳定。因此对桥头引道沉降历时规律的分析是决策时应该特别关注的因素。诸多养护工程经验也表明，在桥头引道沉降发展过程中，沉降处理宜以一定时间内基本消除桥头跳车现象为目标;当沉降趋于稳定以后，沉降处理应以全面恢复道路使用性能为目标。在不同的沉降发展阶段，应当选择不同的目标进行沉降处理:在沉降速率较大时，采取“过渡性沉降处理”;在沉降趋于稳定时，采取“综合性沉降处理”。

4.1 过渡性沉降处理技术

过渡性沉降处理技术是在对策选择时主要根据当前道路的纵断面特征，不考虑或者仅仅定性的考虑沉降未来发展趋势，处理目标是处理完成后确保消除“桥头跳车”现象，主要决策依据为，(1)道路条件(如道路等级、路幅宽度、设计车速等);(2)沉降评价标准与养护标准;(3)当前的纵断面特征;(4)当前的沉降状态;(5)资金和相关政策等。

在因缺乏必要的沉降观测资料而无法建立沉降预测模型时可采用这种技术进行桥头引道沉降处理工作。但是在过渡性沉降处理技术的决策依据中如果没有考虑道路沉降的发展变化情况，对于沉降处理的实施效果很难做出定量的准确评估，尤其是对从本次沉降处理到再次发生“桥头跳车”而需要沉降处理的时间缺乏判断，导致实际养护工作中一些路段的桥头引道沉降处理次数过于频繁，而实施沉降处理时无法对这一情况作出准确的分析;而另一些路段在希望减少沉降处理次数的指导思想下采取了较高的控制标准，但是由于没有考虑沉降历时规律的因素，使得实施效果即达不到当初的设想，养护费用又很高。可见，合理的过渡性沉降处理技术应该将沉降预测分析作为决策时特别重要的决策要素。

4.2 综合性沉降处理技术

当桥头引道沉降已经趋于稳定时，应采取以全面恢复道路使用性能为目标的综合性沉降处理措施。综合性沉降处理技术是在遵循养护规范[1]的基础上，结合路面的各种损坏情况调查，参照原设计标准全面恢复道路使用性能。桥头引道综合性沉降处理并不完全按照道路的原设计，而是按照原道路设计技术等级，结合道路现状重新进行设计。其决策依据包括:(1)道路条件(如道路等级、路幅宽度、设计车速等);(2)道路性状评价(桥头沉降状况评价、路面破损状况评价、结构强度评价、平整度评价、抗滑能力评价及路面使用性能综合评价);(3)与各项评价相应的对策选择集;(4)资金和相关政策等。

5 结语

(1)本文明确了目前常见的两种桥头引道差异沉降类型，并针对这两种类型的特点，提出了相应的控制指标。

(2)以标准的1/4车模型为基础，通过控制乘客舒适度的阈值，反算两种桥头跳车类型的控制标准，为桥头跳车的控制和决策提供支持。

(3)经验法和理论法是两种典型的桥头引道差异沉降预测方法，由于桥头引道差异沉降受多种因素作用，机理复杂，目前基于实测数据的经验法适用性更广泛。

(4)从实际工程角度出发，归纳了桥头引道差异沉降处理的决策原则和依据，分别总结了过渡性沉降处理技术和综合性沉降处理技术的方案，实践性较强。

参考文献

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