橋頭過(guò)渡段差異沉降影響因素分析

史軍強(qiáng)

（山西省公路工程監(jiān)理技術(shù)咨詢公司，山西 太原 030006）

在高速公路橋頭過(guò)渡段，由于地基土含水量高、壓縮性強(qiáng)的特性，在填料自身荷載以及車輛沖擊振動(dòng)荷載作用下會(huì)發(fā)生沉降變形，這是產(chǎn)生橋頭過(guò)渡段路基“橋頭跳車”現(xiàn)象的主要原因，對(duì)于高速公路行車舒適性有著嚴(yán)重影響。本文依據(jù)橋頭過(guò)渡段路基差異沉降的病害類型，分析了不同差異沉降類型的成因以及機(jī)理，結(jié)合某高速公路橋頭過(guò)渡段路基土力學(xué)特性，計(jì)算不同影響因素對(duì)橋頭過(guò)渡段路基沉降的影響，研究各影響因素對(duì)于路基沉降的敏感性，為研究橋頭過(guò)渡段路基差異沉降處治技術(shù)提供基礎(chǔ)。

1 路基沉降分析模型的建立

1.1 路基模型的基本假設(shè)

在土力學(xué)計(jì)算理論中，Mahrcoulomb準(zhǔn)則[1]是其中較為常用的屈服準(zhǔn)則，目前的土力學(xué)計(jì)算中一般采用另一種更能準(zhǔn)確反映土質(zhì)材料強(qiáng)度的準(zhǔn)則，即為Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則[2]。

Drucker-Prager模型的屈服準(zhǔn)則表達(dá)式如式（1）：

一般來(lái)說(shuō)，可以將公路路基沉降劃分為兩部分：一種為公路地基在路基等附加應(yīng)力的作用下發(fā)生的固結(jié)壓縮變形，也可以稱之為地基沉陷。另外一種是路基本身在自重應(yīng)力以及路面荷載的作用下發(fā)生的壓縮變形。本文采用有限元方法模型假設(shè)如下[3]：

a）按照二維平面模型計(jì)算分析；

b）土質(zhì)為彈塑性材料，采用D-P本構(gòu)模型；

c）各層之間完全連續(xù)，無(wú)相對(duì)滑移；

d）模型底面不發(fā)生豎向變形，側(cè)面不發(fā)生水平方向變形。

1.2 某高速公路橋頭過(guò)渡段地基土分類及模型計(jì)算參數(shù)

某高速公路橋頭過(guò)渡段地基土的組成主要有黃土狀土、粉質(zhì)黏土、亞砂土、黏土以及淤泥質(zhì)黏土等類型，根據(jù)勘測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，選擇3種工況條件的地質(zhì)，進(jìn)行有限元計(jì)算分析，其具體分布如表1～表4所示。

表1 工況一條件下模型計(jì)算參數(shù)

表2 工況二條件下模型計(jì)算參數(shù)

表3 工況三條件下模型計(jì)算參數(shù)

表4 路基土性質(zhì)參數(shù)

2 填筑高度對(duì)路基沉降的影響分析

路基填筑高度即表現(xiàn)為路基自重的增加，路基的填筑高度對(duì)于地基的附加應(yīng)力的變化具有直接的影響作用，路基對(duì)地基的附加應(yīng)力隨著路堤填筑高度的增加而增加，另外，由于路基填筑高度的增加，路基自身的壓縮變形厚度也隨之增大，會(huì)造成路基自身壓縮變形量的增加，所以路基填筑高度是影響路基沉降的主要原因之一[4]。

根據(jù)某高速公路實(shí)際工程情況，選擇3種不同工況條件下的地基類型，按照不同的路基高度建立有限元模型，進(jìn)行不同的地基類型、不同的路基填料條件下的路基頂面沉降量變化規(guī)律的計(jì)算分析，路堤填筑高度取值分別為4 m、6 m、8 m以及10 m四種，路基寬度為28 m，邊坡坡度為1∶1.5；地基土種類分別為：黃土狀土、粉質(zhì)黏土、亞砂土、淤泥質(zhì)黏土等類型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 不同路堤填筑高度條件下路基最大沉降量 cm

圖1 不同路堤填高條件下路基最大沉降量

分析表5不同路堤高度條件下路基頂面沉降計(jì)算結(jié)果以及圖1不同高度從路基沉降曲線可以得出如下結(jié)論：

a）路基沉降量與填筑高度成正相關(guān)，且沉降速率隨著填筑高度的增加而迅速增大。在路基填土種類相同的條件下，填筑高度越高，沉降變化速率越大，表明路基沉降量受路基填土高度的影響較為敏感。

b）對(duì)于亞砂土、淤泥質(zhì)土等承載能力較低的土質(zhì)狀況，在相同路基填高的條件下，沉降量隨土質(zhì)承載能力的降低而增大，承載能力越低沉降量變化速率越快。

3 施工時(shí)間對(duì)沉降的影響分析

為了對(duì)路基施工周期對(duì)于路基施工期沉降的影響程度，選擇某高速公路橋頭過(guò)渡段不同斷面埋設(shè)沉降觀測(cè)板，對(duì)于不同填筑高度的路基進(jìn)行路基沉降觀測(cè)，各斷面產(chǎn)生的沉降觀測(cè)結(jié)果如下。

3.1 施工時(shí)間

斷面1為90 d，斷面2為45 d，路基填筑高度都為5 m，沉降觀測(cè)結(jié)果、施工進(jìn)度以及沉降變化曲線分別如表6、圖2以及圖3所示。

表6 斷面1、斷面2沉降觀測(cè)結(jié)果

圖2 斷面1、斷面2施工進(jìn)度

圖3 斷面1、斷面2沉降變化曲線

3.2 施工時(shí)間

斷面3為120 d、斷面4為90 d，路基填筑高度都為10 m，沉降觀測(cè)結(jié)果、施工進(jìn)度以及沉降變化曲線分別如表7、圖4以及圖5所示。

表7 斷面3、斷面4沉降觀測(cè)結(jié)果

圖4 斷面3、斷面4施工進(jìn)度

圖5 斷面3、斷面4沉降變化曲線

分析不同高度路基沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)及沉降變化曲線可以得出：

a）對(duì)于相同填筑高度的路基，施工時(shí)間的不同對(duì)于路基總沉降量影響較小，其差別約在5%～10%之間，而路基施工時(shí)間對(duì)于路基的工后沉降量有著明顯的影響，其施工時(shí)間越短，工后沉降量越大，說(shuō)明路基在短時(shí)間內(nèi)不能完成塑性壓縮變形。

b）在滿足路基施工工期的條件下，應(yīng)該減小路基填筑速率延長(zhǎng)施工時(shí)間，從而使得路基在自重作用下有足夠的時(shí)間發(fā)生固結(jié)沉降，以減小路基工后沉降。

4 結(jié)論

本文分析了橋頭過(guò)渡段路基差異沉降類型以及不同類型路基的成因和機(jī)理，并且結(jié)合某高速公路橋頭過(guò)渡段路基土力學(xué)特性，計(jì)算分析了不同填筑高度以及施工時(shí)間對(duì)橋頭過(guò)渡段路基沉降的影響規(guī)律，研究了各影響因素對(duì)于路基沉降的敏感性，得出如下結(jié)論：

a）路基沉降量與填筑高度成正相關(guān)，且沉降速率隨著填筑高度的增加而迅速增大。

b）對(duì)于亞砂土、淤泥質(zhì)土等承載能力較低的土質(zhì)狀況，在相同路基填高的條件下，沉降量隨土質(zhì)承載能力的降低而增大，承載能力越低沉降量變化速率越快。

c）對(duì)于相同填筑高度的路基，施工時(shí)間的不同對(duì)于路基總沉降量影響較小，而路基施工時(shí)間對(duì)于路基的工后沉降量有著明顯的影響，其施工時(shí)間越短，工后沉降量越大，說(shuō)明路基在短時(shí)間內(nèi)不能完成塑性壓縮變形。

d）在滿足路基施工工期的條件下，應(yīng)該減小路基填筑速率延長(zhǎng)施工時(shí)間，從而使得路基在自重作用下有足夠的時(shí)間發(fā)生固結(jié)沉降，以減小路基工后沉降。