高架橋下路面不均勻沉降機(jī)理及車輛荷載影響研究

肖 昊 葉長(zhǎng)宏 宋文超 李小青

(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074; 2.武漢市建設(shè)工程設(shè)計(jì)審查辦公室 武漢 430000)

在當(dāng)前高速公路及城市快速道路的建設(shè)中，出于對(duì)耕地的保護(hù)、線路選擇的要求，以及城市用地緊張的原因，加之高架橋的設(shè)計(jì)施工技術(shù)已較為成熟，高架橋的使用越來(lái)越頻繁。在高架橋下，往往存在道路，而高架橋橋墩的存在可能會(huì)對(duì)附近道路的路基沉降產(chǎn)生影響。經(jīng)考察，尤其是在軟土地區(qū)，高架橋的存在，會(huì)使道路產(chǎn)生不均勻沉降，使得路面變形、開裂，嚴(yán)重影響了道路的行車舒適度和行車效率；同時(shí)車輛荷載對(duì)路基的破壞會(huì)導(dǎo)致道路的整體性變差，可能會(huì)致使道路產(chǎn)生更多嚴(yán)重的病害。因此，分析高架橋下路面不均勻沉降的機(jī)理并研究車輛荷載對(duì)道路不均勻沉降的影響，對(duì)于道路運(yùn)營(yíng)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 路基不均勻沉降分析

對(duì)于高架橋下軟土道路，在靠近橋墩處，極易出現(xiàn)不均勻沉降，從而影響道路車輛的行駛。

路基沉降變形隨時(shí)間可分為3個(gè)階段[1]：瞬時(shí)沉降(擠出變形)、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。瞬時(shí)沉降為加載過程中，土體來(lái)不及排水，由地基上部荷載的擠壓作用使土體流動(dòng)變形引起的附加沉降。主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降是在路堤和車輛荷載下而產(chǎn)生的固結(jié)變形。對(duì)軟土地基來(lái)說(shuō)，除了上述3部分沉降，還有軟土地基在車輛動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的塑性殘余變形[2-3]，這部分沉降占總沉降中較大的比例。

武漢漢口竹葉山地區(qū)高架橋及其下方城市道路于2011年建成通車，通車后1年，在靠近橋墩處多段出現(xiàn)波浪形病害，如圖1所示，波峰和波谷之間的高差最大可達(dá)30 cm。其后采用削平處理，但是隨著時(shí)間的延續(xù)，沉降差仍然增加，如圖2所示。

圖1 高架橋下路面波浪形病害

圖2 高架橋下路面削平處理

由現(xiàn)場(chǎng)情況可知，不均勻沉降主要是發(fā)生在橋墩附近，遠(yuǎn)離橋墩處道路幾乎沒有不均勻沉降的出現(xiàn)，因此可判斷，橋墩是導(dǎo)致路基不均勻沉降的主要因素。

車輛在經(jīng)過波浪形不均勻沉降形成的曲線形路面時(shí)，可將車輛荷載近似為圓周運(yùn)動(dòng)[4]，那么車輛在經(jīng)過波谷時(shí)，作用在路面上的力，不僅有自身的重力還有車輛的向心力，即

(1)

車輛在經(jīng)過波峰的時(shí)候，作用在路面上的力因?yàn)殡x心作用，會(huì)小于自身重力，即

(2)

式中：F峰、F谷分別為車輛在波峰、谷時(shí)作用在路面的力；m為車輛的質(zhì)量；v為車輛的速度；R為路面的曲率半徑。

由式(1)、(2)分析可知，車輛動(dòng)載會(huì)影響道路的不均勻沉降，隨著車輛的作用，作用在波谷與波峰之間的力相差了2個(gè)近似圓周運(yùn)動(dòng)的離心力之和，會(huì)導(dǎo)致波谷與波峰的沉降差變大，而波峰與波谷的沉降差變大后，會(huì)使路面的曲率半徑增大，則在同等車輛荷載條件下，波峰和波谷的受力差增大，會(huì)進(jìn)一步加劇路面的不均勻沉降。

2 數(shù)值分析模型建立

采用專業(yè)有限元分析軟件midas GTS NX對(duì)高架橋下軟土路基上的路面建立三維模型[5]。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

1) 地基土。采用midas GTS NX中所提供的修正莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，修正莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)是在莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)基礎(chǔ)上改善的本構(gòu)模型，適用于各種類型的地基，特別適用于像砂土或混凝土類具有摩擦特性的材料。

2) 路面結(jié)構(gòu)層、高架橋承重構(gòu)件。采用彈性材料，這種材料模型適用于小應(yīng)變分析，能夠在一定的簡(jiǎn)化條件下模擬結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性質(zhì)，通過彈性模量、泊松比、重度等參數(shù)來(lái)定義材料屬性。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

為了使計(jì)算分析結(jié)果更明顯，計(jì)算參數(shù)使用武漢市高架橋下路面不均勻沉降較為嚴(yán)重的竹葉山片區(qū)作為參考，設(shè)置了如表1所示土體條件，道路結(jié)構(gòu)及高架橋參數(shù)也均以該處情況作為參考，設(shè)置了如表2、表3所示道路結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)及高架橋計(jì)算參數(shù)。

表1 土體計(jì)算參數(shù)表

注：h-厚度；γ-重度；E50ref-三軸試驗(yàn)割線模量；Eoedref-主壓密加載試驗(yàn)的切線模量；Eurref-卸載再加載模量；μ-泊松比；e0-初始孔隙比；n-孔隙率；φ-內(nèi)摩擦角；c-黏聚力。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算參數(shù)表

表3 高架橋的計(jì)算參數(shù)表

模型中的高架橋的橋墩采用單墩的形式，整個(gè)模型共有3跨，每跨跨度30 m，橋墩高15 m，承臺(tái)的高度為3 m，承臺(tái)下的樁基長(zhǎng)45 m，高架橋下的路面寬度為40 m。高架橋下路面示意如圖3所示。

圖3 高架橋下路面分析示意圖

為簡(jiǎn)化數(shù)值分析模型，將示意圖中的橋面板省去，將橋面板上的荷載等效施加在橋墩上，采用midas GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析。

3 車輛荷載影響分析

采用上述高架橋、土體參數(shù)和模型進(jìn)行建模計(jì)算，將路面荷載設(shè)置為移動(dòng)荷載100，200，400，600 kPa，荷載設(shè)置為3車道。計(jì)算中坐標(biāo)軸方向

規(guī)定如下：X方向?yàn)樗椒较?，且垂直于行車方向，將其定義為道路的橫向方向；Y方向?yàn)榱硗庖粋€(gè)水平方向，且平行于行車方向，將其定義為道路的縱向方向；Z方向?yàn)樨Q直方向，以豎直向上為正。

3.1 橫向路面沉降變化

圖4為不同路面荷載對(duì)路面沉降橫向剖面云圖。將圖4中的承臺(tái)周圍路面沉降深度、路面邊緣沉降深度匯總成表4。

表4 不同移動(dòng)荷載橫向路面沉降值匯總表

圖4 不同移動(dòng)荷載作用路面沉降橫向剖面云圖

將表4中沉降數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖5所示。

由圖4、圖5和表4可見：

1) 道路在橋墩處沉降相對(duì)較小；遠(yuǎn)離橋墩處沉降較大，但基本是均勻沉降。

2) 不同車輛荷載對(duì)道路橫向沉降差影響不大。

3) 當(dāng)車輛荷載為600 kPa時(shí)，橫向路面沉降差有相對(duì)較大的增加。

3.2 縱向路面沉降變化

圖6為不同路面荷載對(duì)路面沉降縱向剖面云圖。

圖6 不同移動(dòng)荷載作用路面沉降縱向剖面云圖

將圖6中的承臺(tái)周圍路面沉降深度、跨中路面沉降深度值匯總成表5。

表5 不同移動(dòng)荷載縱向路面沉降值匯總表

將表5中沉降數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖7所示。

由圖6、圖7和表5可見：

1) 隨著車輛荷載的增大，縱向路面沉降差越來(lái)越大。

2) 車輛荷載對(duì)縱向路面沉降差的增加有加劇作用。

圖7 縱向路面沉降差與移動(dòng)荷載的關(guān)系圖

綜上分析結(jié)果可知：車輛荷載對(duì)于道路不均勻沉降確有加劇的作用，軟土地基上道路可規(guī)定讓大型車靠路邊緣行駛，小型車靠路中行駛。考慮到式(1)和式(2)中速度也是一項(xiàng)影響因素，還可在軟土地基處限制車輛的行駛速度，以在運(yùn)營(yíng)階段改善道路不均勻沉降的問題。

4 結(jié)論

1) 高架橋下道路不均勻沉降主要發(fā)生在橋墩附近，表現(xiàn)為橋墩附近沉降小于遠(yuǎn)離橋墩路面沉降，即橋墩處凸起。

2) 車輛荷載會(huì)加重橋墩附近的波浪形病害，隨著車輛荷載的增加，波峰和波谷的沉降差近似呈二次增長(zhǎng)。

3) 規(guī)定大型車靠路邊緣行駛，限制車輛的行駛速度，可在運(yùn)營(yíng)階段改善道路不均勻沉降的問題。

[1] 陳偉瀘.城市道路軟土路基的沉降計(jì)算問題[J].安徽建筑,2008,15(5):155-157.

[2] 凌建明,王偉,鄔洪波.行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(11):1315-1320.

[3] 耿大新,鐘才根,鄭明新.交通荷載作用下軟土基殘余變形的研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,24(4): 47-51.

[4] 孫立強(qiáng),閆澍旺,徐余.軟土路基“波浪型”不均勻沉降及其機(jī)制分析[J].巖土力學(xué),2011(32):54-57.

[5] 張宏光,謝永利.橋臺(tái)柔性搭板的數(shù)值仿真[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,26(3):39-42.