路橋過(guò)渡段的路基沉降分析

摘 要：因臺(tái)后路堤填土與橋臺(tái)構(gòu)筑物之間存在的沉降差異，在路橋過(guò)渡段導(dǎo)致車輛發(fā)生顛簸、跳躍等橋頭跳車現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響公路通行能力、行車安全及舒適性。文章采用三維有限元數(shù)值模擬方法對(duì)路橋過(guò)渡段路基的沉降差異問(wèn)題進(jìn)行了較深入地探討，同時(shí)對(duì)路堤高度、縱向長(zhǎng)度、壓實(shí)度及地基變形模量等影響因素進(jìn)行了分析，導(dǎo)致路橋過(guò)渡段沉降過(guò)大的主要原因就是臺(tái)背路堤壓實(shí)不足，地基變形模量明顯影響路橋過(guò)渡段的最大沉降值，地基處理是有效降低路堤沉降的主要措施，并對(duì)路橋過(guò)渡段路基沉降提出限值標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于提高路橋過(guò)渡段路基的設(shè)計(jì)施工質(zhì)量具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：路橋過(guò)渡段；數(shù)值模擬；路基沉降

1 路橋過(guò)渡段路基的沉降模型

采用三維有限元數(shù)值模擬方法分析路橋過(guò)渡段路基，在分析計(jì)算過(guò)程中，要將地基假設(shè)為理想彈塑性半無(wú)限體，結(jié)合計(jì)算精度要求，采取20米深度的有限尺寸地基，其坡腳外橫向?qū)挾葹槁返谈叨?倍，建立有限元分析模型并劃分單元網(wǎng)格。因臺(tái)背路堤與混凝土橋臺(tái)之間存在的沉降差異是由于材料剛度發(fā)生突變而造成的，通常情況下，施工結(jié)束后應(yīng)基本完成橋臺(tái)沉降，才能開(kāi)始或還在進(jìn)行對(duì)應(yīng)臺(tái)背路堤的固結(jié)沉降，因此模擬三維空間實(shí)體數(shù)值時(shí)，可偏安全地忽略不計(jì)橋臺(tái)沉降，當(dāng)做沉降已在自重作用下完成。

2 分析影響因素

2.1 路堤縱向長(zhǎng)度

路堤最大沉降差依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知變化規(guī)律與路堤長(zhǎng)度有關(guān)系，路橋過(guò)渡段在路堤高度下，路堤縱向長(zhǎng)度與最大沉降差具有反比例關(guān)系，不斷增加的路堤縱向長(zhǎng)度會(huì)使最大沉降差逐漸平緩。此外，通常曲線在10-15米之間轉(zhuǎn)折比較明顯，而路堤長(zhǎng)度超過(guò)10-15米時(shí)，對(duì)于路橋過(guò)渡段而言，縱向長(zhǎng)度幾乎不會(huì)影響沉降差。所以，應(yīng)將10-15米作為處治路橋過(guò)渡段路基的范圍比較合適。

2.2 路堤高度

路堤具有10米左右的縱向長(zhǎng)度時(shí)，根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，路橋過(guò)渡段最大沉降差同路堤高度二者之間表現(xiàn)出線性關(guān)系，通過(guò)回歸分析，二者之間的關(guān)系滿足下面的公式：

ΔS=-1.3652·h+1.12902R2=0.9999

上式中：ΔS表示路橋過(guò)渡段的最大沉降差，單位為厘米；h表示路堤高度，單位為米。當(dāng)它條件不發(fā)生變化時(shí)，高度越大的路堤也具有越大的對(duì)應(yīng)路橋過(guò)渡段最大沉降差。

2.3 壓實(shí)度

在壓實(shí)度上，因施工中存在的困難，緊鄰路橋過(guò)渡段臺(tái)背后的路堤通常不能達(dá)到要求，該一小段被稱為臺(tái)背壓實(shí)不足段，縱向長(zhǎng)度約在1米，壓實(shí)不足程度可根據(jù)以下兩個(gè)公式指標(biāo)進(jìn)行描述。

上面公式中，E為采用路堤近似高度的加權(quán)平均值表示回彈模量均值，E'為壓實(shí)度下降x%時(shí)的回彈模量均值。

根據(jù)上述公式的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于填料平均密度及回彈模量變化的路堤高度幾乎不具有任何影響，因此可忽略，但壓實(shí)度下降會(huì)導(dǎo)致密度及回彈模量發(fā)生較大的變化。

2.4 路堤填料密度

假設(shè)路堤為10米左右的縱向長(zhǎng)度、6米左右的高度，分別取900千克/立米、1200千克/立米、1500千克/立米、1800千克/立米、2100千克/立米的路堤填料密度，在路堤、地基及臺(tái)背路堤壓實(shí)不足路段，分別取20兆帕、50兆帕、38.8兆帕的變形模量，其它參數(shù)可取值如下，地基變形量為30兆帕，路堤填料平均密度為200千克/立米，臺(tái)背混凝土與填土之間的摩擦系數(shù)為0.4，壓實(shí)度按照下降1%計(jì)算。

路橋過(guò)渡段最大沉降可計(jì)算得出，路堤表面分別為3.056厘米、4.076厘米、5.102厘米、6.157厘米、7.253厘米；地基表面分別為2.408厘米、3.219厘米、3.986厘米、4.761厘米、5.542厘米；路堤自身壓縮分別為0.645厘米、0.864厘米、1.107厘米、1.382厘米、1.714厘米。

2.5 路堤變形模量

假設(shè)路堤路堤約為10米的縱向長(zhǎng)度、6米左右的高度，分別取20兆帕、30兆帕、50兆帕、80兆帕、120兆帕路堤填料變形模量，其它參數(shù)可取值如下，地基變形量為30兆帕，路堤填料平均密度為200千克/立米，臺(tái)背混凝土與填土之間的摩擦系數(shù)為0.4，壓實(shí)度按照下降1%計(jì)算。

路橋過(guò)渡段最大沉降可計(jì)算得出，路堤表面分別為5.932厘米、5.243厘米、4.751厘米、4.552厘米、4.493厘米；地基表面分別為3.126厘米、3.302厘米、3.431厘米、3.585厘米、3.726厘米；路堤自身壓縮分別為2.713厘米、1.945厘米、1.324厘米、0.967厘米、0.765厘米。

2.6 地基變形模量

假設(shè)路堤路堤約為10米的縱向長(zhǎng)度、6米左右的高度，分別取10兆帕、20兆帕、30兆帕、40兆帕、50兆帕的地基變形模量，其它參數(shù)可取值如下，地基變形量為30兆帕，路堤填料平均密度為200千克/立米，臺(tái)背混凝土與填土之間的摩擦系數(shù)為0.4，壓實(shí)度按照下降1%計(jì)算。

路橋過(guò)渡段最大沉降可計(jì)算得出，路堤表面分別為13.412厘米、6.843厘米、4.755厘米、3.747厘米、3.152厘米；地基表面分別11.362厘米、5.332厘米、3.437厘米、2.523厘米、1.987厘米；路堤自身壓縮分別為2.056厘米、1.515厘米、1.322厘米、1.227厘米、1.167厘米。

3 合理的路橋過(guò)渡段長(zhǎng)度

根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果可知，路橋過(guò)渡段沉降限值與橋臺(tái)后的橋頭搭板是否設(shè)置而存在差別，臺(tái)背路堤設(shè)置搭板的，因能夠?qū)⒙窐蜻^(guò)渡段的突變沉降消除，沉降限值一般不超過(guò)0.4%；臺(tái)背路堤不設(shè)搭板的，其沉降限值指標(biāo)要不超過(guò)路橋過(guò)渡段工后臺(tái)階高度。路橋過(guò)渡段銜接剛性橋臺(tái)與柔性路堤具有剛?cè)徇^(guò)渡作用，不僅要達(dá)到功能要求還要符合工程要求的最小長(zhǎng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合三維有限元數(shù)值模擬方法分析路橋過(guò)渡段的路基沉降，可得到以下兩個(gè)結(jié)果，一是通過(guò)研究分析路橋過(guò)渡段路基可知，過(guò)渡段適宜長(zhǎng)度應(yīng)在10-15米之間左右，導(dǎo)致路橋過(guò)渡段產(chǎn)生過(guò)大沉降的一個(gè)主要原因就是臺(tái)背路堤壓實(shí)不足，因此對(duì)于臺(tái)背路基壓實(shí)度要進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免在橋頭發(fā)生跳車現(xiàn)象。地基變形模量能明顯影響路橋過(guò)渡段的最大沉降值，因此要注意處理好地基才能有效控制路堤發(fā)生沉降。二是基于實(shí)際調(diào)研分析，針對(duì)路橋過(guò)渡段路基提出沉降限值標(biāo)準(zhǔn)，臺(tái)背路堤設(shè)置搭板的，克服了路橋過(guò)渡段產(chǎn)生的突變沉降。

參考文獻(xiàn)

[1]張起森.道路有限元分析法[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]吳鈺.不同方法估算路基最終沉降量的分析研究[J].華東公路，2012.13.

[3]葉見(jiàn)曙.橋頭引道工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.16.

作者簡(jiǎn)介：屈浩（1980-），男，本科學(xué)歷，研究方向：道橋工程。