橋墩承臺(tái)對(duì)高架橋下路面不均勻沉降的影響

張 玉 張 峰 肖 昊 鄭立斐

(1.河南交院工程有限公司 鄭州 450000； 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430000； 3.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

近年來(lái)，建設(shè)高架橋成為改善交通狀況的有效措施。在高架橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋下路面大量出現(xiàn)不均勻沉降，嚴(yán)重影響交通通行，同時(shí)還存在諸多安全隱患。路面不均勻沉降引起路基整體性變差，路基整體或部分下沉，路面開(kāi)裂破壞，導(dǎo)致行車(chē)舒適度降低，阻礙車(chē)速，影響交通流量[1-2]。因此，分析和研究承臺(tái)對(duì)高架橋下橋墩間路面不均勻沉降的影響，并提出合理化的建議是十分必要的。

1 數(shù)值分析模型的建立

為了更準(zhǔn)確地模擬高架橋下橋墩間的路面變形情況，建立三維模型進(jìn)行有限元分析，模型中的高架橋橋墩采用單墩形式，整個(gè)模型中共有3跨，每跨的跨度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。

為簡(jiǎn)化數(shù)值分析模型，省去橋面板，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，數(shù)值分析模型見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)值分析模型

1.1 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，適用于各種類(lèi)型的地基，特別適用于像砂土或混凝土類(lèi)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。采用彈性材料模型，這種模型適用于小應(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(guò)彈性模量、泊松比、重度等參數(shù)來(lái)定義材料屬性。

1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

該模型中具體的參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

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

2 承臺(tái)埋深H對(duì)路面不均勻沉降的影響

采用上述的模型及計(jì)算參數(shù)進(jìn)行建模模擬，采用的承臺(tái)埋深是以路面面層為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算[3]，模型的埋深分別為H=0.2，0.85，1.35，1.85，2.35，2.85 m。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?chē)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(chē)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。

2.1 橫向路面沉降變化

不同承臺(tái)埋深時(shí)路面沉降橫向剖面云圖略，將其中特征數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

表3 不同承臺(tái)埋深下橫向路面沉降值匯總表

由表3可見(jiàn)：

1) 道路在承臺(tái)處相對(duì)凸起，在道路兩側(cè)相對(duì)凹陷。

2) 當(dāng)承臺(tái)的埋深深度不同時(shí)，承臺(tái)的沉降值都很小，數(shù)值相差不大，相對(duì)于路面的沉降值，承臺(tái)的沉降值變化可以忽略不計(jì)。

3) 隨著承臺(tái)的埋深增加，承臺(tái)周?chē)穆访婧偷缆穬蓚?cè)的路面的沉降值均增大，但二者的沉降差值有略微降低的趨勢(shì)，當(dāng)承臺(tái)埋深在1.85～2.35 m時(shí)，路面的沉降差降低較明顯，但整體變化不明顯。

2.2 縱向路面沉降變化

承臺(tái)不同埋深下，路面沉降縱向剖面云圖略。

將其中特征數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

表4 不同承臺(tái)埋深下縱向路面沉降值匯總表

由表4可見(jiàn)，當(dāng)承臺(tái)的埋深深度不同時(shí)，承臺(tái)的沉降值都很小，數(shù)值相差不大，相對(duì)于路面的沉降值，承臺(tái)的沉降值變化可以忽略不計(jì)。

將表4中的路面沉降差的數(shù)值點(diǎn)畫(huà)成曲線圖，如圖2所示。

圖2 路面沉降差與承臺(tái)埋深關(guān)系圖

根據(jù)圖2中的變化趨勢(shì)可以看出。

1) 隨著承臺(tái)埋深增加，路面沉降差逐漸減小。

2) 當(dāng)承臺(tái)的埋深小于1 m時(shí)，隨著承臺(tái)埋深增加，路面沉降差的遞減變化不明顯。

3) 當(dāng)承臺(tái)埋深在1～2.5 m時(shí)，隨著承臺(tái)埋深增加，路面沉降差遞減變化顯著，差值減小幅度較大。

4) 當(dāng)承臺(tái)埋深超過(guò)2.5 m時(shí)，隨著承臺(tái)埋深增加，路面沉降差遞減變化不明顯。

3 承臺(tái)與路面的相對(duì)剛度K對(duì)路面不均勻沉降的影響

3.1 承臺(tái)與路面的相對(duì)剛度K

路面的剛度是指道路在車(chē)輛荷載作用下，受力影響范圍內(nèi)，路面沉降變形區(qū)域的抗變形能力。沿著路面橫向或縱向分析，路面不同區(qū)域，路面與公路構(gòu)筑物之間的剛度差異十分明顯，在同一外力的反復(fù)作用下，路面產(chǎn)生不同的變形量，必然會(huì)引起非常明顯的沉降差異，導(dǎo)致路面破壞，無(wú)法保持其正常使用功能[3]。

橋涵結(jié)構(gòu)物一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有較大的剛性，不易發(fā)生沉降和變形。但是對(duì)于鋪筑在高架橋承臺(tái)附近處的路面而言，一般采用瀝青混凝土等材料鋪筑，屬于半剛性或柔性結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生壓縮沉降。當(dāng)高架橋建成，橋下路面通車(chē)后，隨著時(shí)間的推移和車(chē)輛及自身重力荷載的影響，路面及高架橋承臺(tái)處的填土密實(shí)度增大，孔隙率降低，結(jié)構(gòu)層之間被壓縮，而橋梁承臺(tái)由于本身的剛度大，因此產(chǎn)生的沉降變形相對(duì)于橋下路面小很多，可以忽略不計(jì)[4]。久而久之，當(dāng)路面與承臺(tái)的相對(duì)沉降差超過(guò)一定程度時(shí)，瀝青混凝土路面就會(huì)出現(xiàn)沉降或斷裂，兩者之間形成錯(cuò)臺(tái)，便會(huì)在承臺(tái)附近處出現(xiàn)“跳車(chē)”現(xiàn)象[5-6]。

一般認(rèn)為，“剛度”就是物體在外力作用下抵抗變形的能力，是物體在外力作用下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的表征，在工程上一般采用彈性模量來(lái)衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度。為減小承臺(tái)與路面的相對(duì)剛度，采取增加路面剛度方式進(jìn)行模擬分析。模型中承臺(tái)的埋深取2.35 m，路面的彈性模量分別取3，5，10，15，20，25 GPa。

3.2 橫向路面沉降變化

圖3為不同路面彈性模量時(shí)，路面沉降橫向剖面云圖。

圖3 不同路面彈性模量下路面沉降橫向剖面云圖

由圖3可見(jiàn)，道路在承臺(tái)處相對(duì)凸起，在道路兩側(cè)相對(duì)凹陷。隨著路面的彈性模量的增加，承臺(tái)周?chē)穆访娉两底兓淮螅堑缆穬蓚?cè)的路面的沉降值均逐漸降低，二者的沉降差值減小較明顯。將特征點(diǎn)處沉降數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

表5 不同彈性模量下橫向路面沉降值匯總表

由表5可見(jiàn)，當(dāng)路面的彈性模量變化時(shí)，承臺(tái)的沉降值都很小，數(shù)值相差不大，相對(duì)于橫向路面的沉降值，承臺(tái)的沉降值變化可以忽略不計(jì)。

將表5中的橫向路面沉降差的數(shù)值繪制成曲線圖，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)：

1) 隨著路面彈性模量的增加，橫向路面的沉降差逐漸減小。

2) 當(dāng)路面的彈性模量小于5 GPa時(shí)，隨著路面的彈性模量的增加，橫向路面的沉降差的遞減變化不明顯。

圖4 橫向路面沉降差與彈性模量關(guān)系圖

3) 當(dāng)路面的彈性模量在5～15 GPa時(shí)，隨著路面的彈性模量的增加，橫向路面的沉降差遞減變化顯著，遞減的速率較大，差值減小幅度也較大。

4) 當(dāng)路面的彈性模量超過(guò)15 GPa時(shí)，橫向路面的沉降差的遞減速率逐漸減小，但是橫向路面的沉降差值仍在減小。

3.3 縱向路面沉降變化

圖5為不同路面彈性模量時(shí)，路面沉降縱向剖面云圖。

圖5 不同路面彈性模量下路面沉降縱向剖面云圖

由圖5可見(jiàn)，隨著路面的彈性模量增加，路面的“波浪形”變化幅度削弱，即表明路面的沉降差值逐漸減小，同時(shí)道路的整體沉降值也在減小。將圖特征點(diǎn)處沉降數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

表6 不同彈性模量時(shí)，縱向路面沉降值匯總表

由表6可見(jiàn)，當(dāng)路面彈性模量增加時(shí)，承臺(tái)的沉降值逐漸增大，但數(shù)值增加不大。而且相對(duì)于縱向路面的沉降值，承臺(tái)的沉降值變化基本可以忽略不計(jì)。

將表6中的縱向路面沉降差的數(shù)值點(diǎn)繪制曲線圖，如圖6所示。

圖6 縱向路面沉降差與彈性模量的關(guān)系圖

由圖6可見(jiàn)：

1) 隨著路面彈性模量的增加，縱向路面的沉降差逐漸減小，而且縱向路面沉降差的數(shù)值小于橫向路面沉降差的數(shù)值。

2) 當(dāng)路面的彈性模量小于5 GPa，隨著路面彈性模量的增加，縱向路面的沉降差的遞減變化不明顯。

3) 當(dāng)路面的彈性模量在5～15 GPa時(shí)，隨著路面彈性模量的增加，縱向路面的沉降差遞減變化顯著，遞減的速率較大，差值減小幅度也較大。

4) 當(dāng)路面的彈性模量超過(guò)15 GPa時(shí)，縱向路面沉降差的遞減速率逐漸減小，但路面的沉降差值仍在減小。

4 結(jié)語(yǔ)

利用midas GTS NX建立高架橋與地基路面的三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算，承臺(tái)對(duì)路面不均勻沉降的影響主要表現(xiàn)在以下兩方面。

1) 當(dāng)承臺(tái)的埋深小于1 m時(shí)，隨著承臺(tái)的埋深增加，路面沉降差逐漸減小，但減小的幅度不明顯。當(dāng)承臺(tái)的埋深在1～2.5 m時(shí)，隨著承臺(tái)的埋深增加，路面的沉降差也逐漸減小，并且減小幅度較大。當(dāng)承臺(tái)的埋深超過(guò)2.5 m時(shí)，隨著承臺(tái)的埋深增加，路面的沉降差逐漸減小，但減小的幅度也不明顯。

2) 路面的沉降差隨路面彈性模量的增加而遞減，當(dāng)路面彈性模型小于5 GPa，路面的沉降差的遞減變化不明顯。當(dāng)路面的彈性模量在5～15 GPa時(shí)，道路的沉降差遞減變化顯著，遞減的速率較大，差值減小幅度也較大。當(dāng)路面彈性模量超過(guò)15 GPa時(shí)，道路沉降差的遞減速率逐漸減小，但沉降差值仍在減小。

3) 為減小路面的沉降差和節(jié)約施工成本，根據(jù)具體工程概況，可將承臺(tái)的埋深控制在1～2.5 m內(nèi)。

4) 減小承臺(tái)與路面的相對(duì)剛度，即提高路面的剛度可有效減小路面的沉降差，針對(duì)此因素，可采用混凝土剛性路面以減小路面的沉降差。

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