路橋過渡段沉降的分析及處理

郝靈恩,吳佳坤,宮偉軍

(中機中聯工程有限公司,重慶 400000)

0 引 言

我國的交通建設發展十分迅速,已建成的高速公路中隨著運營時間的增長,凸顯出了許多問題,特別是路橋過渡段不均勻沉降的問題,對汽車的安全性和舒適性造成了嚴重的影響,也成為了路基與橋梁在修建中的難點。

對于路橋過渡段方面的研究,國內外學者在施工控制、理論分析、現場試驗等多方面提出了不同的見解。張洪亮等[1]在動力響應的基礎上提出以容許坡差為控制指標,得到不同參數下的人體瞬態的振動影響,為容許坡差的控制提供了理論基礎。同時以人體瞬態振動值為控制指標[2]建立了折線形的路橋階梯控制模型,同時也建立了瞬態振動值和搭板容許縱坡變化值間的關系。陳曉麟等[3]在容許坡差方面進一步提出車輛-人體-座椅的振動模型,并在此基礎上對舒適性和差異性沉降的關系進行了分析,得出了容許縱坡值的變化范圍。屈戰輝等[4]為了更好地實現路基與橋梁間的剛度過渡,在傳統的工法基礎上,采用柔性搭板的設計方法進行了沉降臺試驗,推導出層間距的計算公式,明確了設計參數的計算方法。俞永華等[5]采用數值模擬分析對土工格室在路橋過渡段的應用進行了研究,發現土工格室與搭板結合使用能夠有效限制上層土體的沉降,能夠將豎向應力向兩側進行分散。張軍等[6]對土工格柵處理路橋過渡段進行了數值模擬和現場試驗的對比分析,得出土工格柵不同參數下對路橋差異性沉降的影響變化規律,土工格柵的層數、強度參數等能夠改善路橋過渡段的沉降差異。何玉瓊等[7]采用CFG樁對路橋過渡段的軟土地基進行了加固處理和分析研究,對比模擬分析和現場實測數據得出CFG樁能夠對地基塑性區的減少做出貢獻,降低地基和路基的沉降效果較好,同時也對CFG樁復合地基的參數進行了優化研究,為CFG樁在路橋過渡段的差異性沉降控制方面提供了理論基礎。

為實現對路橋過渡段沉降的控制,一般會對橋臺后的路基做加固處理,地基也要進行加固以便提高承載力。而在路基受到破壞后很難對其進行維修,很多時候為減小路橋過渡段的差異性沉降,除了換填強度更高的材料或輕質材料外,在設計中還會使用土工材料對路基進行加固處理。其中效果最明顯的一種處治措施是采用橋臺搭板,橋臺搭板在短期內能夠很好地緩解橋頭跳車現象,但是在長時間的車輛荷載作用下會產生兩方面的影響,一方面是搭板可能會疲勞斷裂,另一方面是橋臺與搭板連接處會形成拱起,長時間作用下會出現二次跳車現象。以上的措施很多時候都只能在新建工程中實施,在運營中的維修很難實現,對此,將采用數值模擬的方式對路橋過渡段的沉降進行分析,并模擬高壓噴射注漿,模擬已建公路的加固處理。

1 高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法可分為四類,分別為單管法、二重管法、三重管法和多重管法。高壓噴射注漿法是將噴嘴放置在注漿管中,在鉆機的作用下將注漿管鉆進指定深度和位置再將預制好的漿液經高壓設備噴出,在高壓漿液噴射的過程中會對周圍的土體進行沖擊,同時鉆機也隨著漿液的噴射而旋轉,并逐步從指定深度慢慢旋出。這樣就會使得管內土體與漿液進行混合攪拌,等到漿液和土體固化后便會形成漿土固結復合體,從而提高土體的強度,達到提高整體承載力的目的。

2 工程概況

興國至泉州高速公路第三標段(K12+321.21～K18+554.61)為雙向四車道設計,設計時速為80 km/h,標準路基寬度為26 m,自竣工運營以來受車輛、天氣等因素的影響,在車行道出現裂縫、不規則沉降,特別是在路橋過渡段尤為明顯,在橋梁與路基搭接處的沉陷深度達到6～16 cm,極大地影響了車輛行駛過程中的舒適性和安全性,急需對其進行病害治理。

該高速公路呈東西走向,位于山西東部,地形地貌復雜多變,地質勘察顯示該區域的地層為第四系全新統人工堆積層及沖洪積層、第四系上更新統風積層及沖洪積層、第四系中更新統沖洪積層、上第三系上新統沖洪積層、石炭系上統、中統及奧陶系中統沉積巖構成。該區域四季分明,降水量較少。

3 建立有限元模型

采用數值模擬對該路橋過渡段進行模擬分析,選用對工程適用性較好的midas GTS NX進行建模,midas GTS NX具有模塊化處理能力,能夠將模型進行模塊化處理,并且內置了多種巖土工程適用的本構模型,大大減小了工程建模的難度,同時又能在模型計算中取得精確的結果,在工程模擬計算領域得到廣泛的認可,因此將采用該軟件對其進行計算分析。

3.1 基本假定

(1)路基、地基為理想彈塑性模型,采用各向同性的摩爾-庫倫本構模型。

(2)結構物為彈性本構模型。

(3)結構物單元與土層單元之間無相對滑動。

(4)模型僅考慮重力作用。

3.2 幾何模型

模擬采用三維模型,由于模型為對稱分布,在建模過程中采用縱斷面和橫斷面的一半進行建模。路基頂面寬度取值13 m,邊坡放坡坡率為1∶1.5,坡腳與地基連接,地基的總寬度為50 m,模型的縱向長度為43 m。在張宇超[8]的研究中表明與橋臺距離10～15 m范圍內的差異性沉降最大,故縱斷面在距離橋臺15 m處進行分段處理(臺背填料),采用改變路橋過渡段模型材料抗剪強度的方式模擬實際過渡段中因各種因素導致的路基抗剪強度減小。最終模型尺寸(x×y×z)為43 m×50 m×28 m,如圖1所示。

圖1 有限元模型

3.3 模型參數

現場踏勘發現地基和橋臺附近有少量雜填土和廢棄填土,資料顯示該路段地表以下土層較厚且均勻,承載力較好,結合現場和工程資料,對材料的參數進行簡化處理,最終材料的參數取值如表1所示。

表1 模型參數表

在幾何模型建立完成后,對模型進行網格劃分和材料屬性賦值。模型采用混合網格模式對網格進行劃分,所有單元的網格密度均為2 m。劃分完成后對模型施加Z方向上的重力荷載。邊界條件施加為縱斷面中線(Y軸負方向邊界)的豎向自由,其余兩向固定,模型底側固定三個方向的約束,其余邊界均約束水平向,豎向自由。

3.4 車輛荷載

考慮到公路工程的設計年限,除材料自身的重力荷載外,還有車輛荷載。根據規范和周邊交通情況,對應高速公路,采用公路-Ⅰ級荷載,經計算最終采用均布荷載的形式施加在路基頂面,基頂荷載為30 kPa。

在建模完成后采用施工階段模塊進行模擬運行,首先激活地基橋臺模塊,進行初始重力場的平衡,然后進行位移歸零處理,再施加路基土和臺后填料,最后進行穩定性和變形計算分析。

4 計算結果分析

4.1 原始路橋過渡段沉降分析

(1)縱向結果分析。

取路基頂面的沉降值進行分析,以橋臺位置為沉降曲線的初始位置,得到如圖2所示的路基沉降曲線圖。圖2中差異性沉降曲線是由后沉降點的沉降取值與前沉降點取值的差值。

圖2 路基縱向沉降曲線圖

如圖2所示,橋臺后面的路基沉降值呈非線性分布,整體呈“勾”形分布,在距離橋臺18 m范圍內呈現先增大后減小的變化趨勢。在距離橋臺8 m范圍內,路基的沉降值隨橋臺距離的增大而增大,在距離橋臺8～18 m范圍內路基的沉降隨橋臺距離的增大而減小,最后保持穩定在-4.3 cm。過渡段的沉降最大值在距橋臺8 m處,為-9.2 cm。

差異性沉降曲線反映過渡段路基的坡度差值大小,表征了該區段內坡度值的變化差異性,橋頭跳車的主要原因就是橋頭路基的差異坡差情況,坡差差異越大,橋頭跳車現象越明顯。圖2中差異性沉降曲線呈先減小后增大再減小變化規律。在距橋臺10 m范圍內呈減小趨勢;在距橋臺10～15 m范圍呈增大趨勢;在距橋臺15～20 m范圍內呈減小趨勢,最后差值穩定基本為零。在距橋臺8 m處由負值變為正值,坡度也存在變相的情況,加上沉降量差值最大處在橋臺與臺后填土的交界處,導致在行車過程中車頭會先向下隨之再向上抬起,橋頭跳車的現象愈加明顯。

(2)橫向結果分析。

根據過渡段縱向沉降結果,選擇縱向沉降值最大的斷面(距橋臺8 m)進行橫向分析,得到如圖3所示結果。

圖3 路基橫斷面沉降曲線

如圖3所示,橫向上路基的沉降變化曲線,最大值出現在路基中線處,最大值為-6.2 cm。路基的沉降隨距路基中心距離增大而逐漸減小,但增長幅度不同,在距離橫斷面中線8 m范圍內的沉降值雖較大但變化幅度相對較小,在8～13 m范圍內的沉降值變化幅值呈上升趨勢,最小橫向沉降值位于路肩處,為-4.9 cm?？傮w而言,橫斷面的沉降變化較縱斷面小,總體差異沉降在1.5 cm內。

4.2 高壓噴射注漿法處治不均勻沉降

(1)縱向結果分析。

高壓噴射注漿法通過旋轉噴射漿液形成樁土固結體來提升路基的承載能力,旋轉噴射會形成旋噴樁,其本質與復合地基的處理是一樣的,都是在土體中加入剛度較大的材料形成復合體共同作用達到提升承載力的目的?？赏ㄟ^改變原有橋后填土路基的剛度來模擬高壓噴射注漿法處理后的沉降情況?？赏ㄟ^原有模型改變臺后填料單元的剛度屬性進行模擬,改變原有剛度為現有剛度的2～4倍進行計算分析。

如圖4所示,在不同剛度下過渡段的沉降呈現先增大后減小的變化規律。隨著過渡段剛度值的增大,過渡段的沉降最大值在減小,最大沉降量從-9.2 cm依次減小為-6.5 cm、-6 cm和-5.5 cm,最終都穩定在-4.3 cm。同時隨過渡段剛度的增大,過渡段沉降的影響范圍也在逐漸減小,如原填料的影響范圍為0～18 m,2倍剛度工況下為0～16 m,4倍剛度工況下為0～14 m范圍,前文所述的路橋過渡段沉降呈“勾”形的沉降得到一定程度的改善。

圖4 不同剛度路基沉降曲線

對不同剛度下的路基差異性沉降進行分析,差異性沉降計算方法與前文一致,結果見圖5。

圖5 不同剛度路基差異性沉降曲線

由圖5可知,差異性沉降隨著剛度的增大而逐漸顯小,這意味著縱向的坡差會得到減小,過渡段的跳車現象將會得到緩解,處治措施是有效的。

(2)橫向結果分析。

對不同剛度下橫斷面的沉降情況進行分析,橫斷面提取數據為前文所述不同剛度下縱斷面最大沉降處的橫斷面,得到如圖6所示結果。

圖6 不同剛度下路基橫斷面沉降曲線

不同剛度下的路基橫斷面沉降曲線在路基中線的沉降量最大,路肩處的最小。但剛度的變化對橫斷面的沉降影響呈整體性變化,剛度越大,整體的沉降量越小,同時路肩和路基中心處的差異性沉降越低。

5 結 論

(1)原始路橋過渡段的縱向沉降呈“勾”形分布,呈先增大后減小的變化規律,最大沉降值為-9.2 cm,位于距離橋臺8 m位置。其差異性沉降呈先減小后增大再減小的變化規律。

(2)橫向上路基的沉降最大值在路基中線處,為-6.2 cm,最小值位于路肩處,為-4.9 cm,整體沉降小。

(3)隨著剛度的增加,路基縱向和橫向的沉降量均得到了有效的控制?？v向上“勾”形變形得到改善,橫向上整體的沉降值得到了控制。