泡沫混凝土處理橋頭跳車的機(jī)理分析及數(shù)值模擬

楊 樸 （江蘇兆通工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210017）

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，尤其是東南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，且逐漸向?yàn)┩俊\海地區(qū)發(fā)展。但在該類濱海地區(qū)，軟土分布較為廣泛，且具有含水率高、超深厚、強(qiáng)度低等不良特性。該類地區(qū)多細(xì)小河流，在其上部搭建橋梁跨越河流時(shí)，必須考慮到道路與橋梁連接的相關(guān)工程問題，也即要避免橋頭跳車現(xiàn)象。而在我國道路工程建造史上，對于該類問題至今未有專家和技術(shù)人員提出較好的解決方案，一直以來，橋頭跳車是我國公路建設(shè)實(shí)踐中的一大難題[1,2]。不僅表現(xiàn)在投入使用的高規(guī)格等級公路由于橋頭跳車問題進(jìn)行的維護(hù)費(fèi)用較高，同時(shí)還由于其妨礙正常高速行車，降低了行車舒適性，甚至引發(fā)一系列的交通事故，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大的隱患。

泡沫混凝土自上世紀(jì)90年代由煤炭科學(xué)研究總院由國外引入，并成功應(yīng)用于開灤煤礦特大頂板冒落崆峒的澆筑回填后，開啟了該新型輕質(zhì)材料在我國的飛速發(fā)展之路。泡沫混凝土是一種經(jīng)發(fā)泡劑發(fā)泡后與水泥漿均勻混和的含大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。近年來，逐漸應(yīng)用于橋頭軟土地基的處理方案中[3]。

2 泡沫混凝土處理橋頭跳車的機(jī)理

目前，用于橋頭軟土地基的回填料主要分為普通填土、泡沫混凝土以及宕渣。表1是3種回填料的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

從表1中可以看出，泡沫混凝土的重度僅為其余兩類回填料重度的一半不到，而其由于剛度較高，因此相對于另兩類填土還具有固化后自立、低彈抗震性等優(yōu)點(diǎn)。

不同路堤填料參數(shù) 表1

2.1 減重效應(yīng)

常見的橋頭跳車治理方法是提高地基承載力，具體做法就是在原有的不均勻沉降路面上加鋪新的路面，以此來填補(bǔ)不均勻沉降所引起的路面坡差。但該做法治標(biāo)不治本，由于加鋪了新的路面，對應(yīng)的路堤荷載也就增加了，對于地基會(huì)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，加大了對地基的荷載，不僅會(huì)導(dǎo)致新的不均勻沉降，同時(shí)還會(huì)引起邊坡的失穩(wěn)，久而久之會(huì)造成惡性循環(huán)。

而泡沫混凝土整體性、抗沖擊性能較好，密度小，無側(cè)向壓力。相比于另外兩類路堤填料，在使用泡沫混凝土填筑之后，路橋連接處的地基為超固結(jié)狀態(tài)，可以減少沉降與不均勻沉降，能夠消除原路堤的工后沉降，有望從根本上解決橋頭跳車問題。

2.2 剛度修正效應(yīng)

常見的橋頭跳車治理方法還有橋頭搭板法，從機(jī)理上分析，橋頭搭板法是屬于剛度過渡的方法，在剛度較大的橋梁和剛度較小的路堤中間安置一塊剛度介于二者之間的搭板，但這種處治方法，僅僅是暫時(shí)起到了平緩剛?cè)徇^渡路段縱向坡度的變化。據(jù)美國十多個(gè)運(yùn)輸部分的研究報(bào)導(dǎo)，有專家提出，橋頭搭板只是后移了“橋頭跳車”的位置。汽車駛離搭板末端與地基連接處時(shí)，會(huì)對橋頭搭板產(chǎn)生一定的損傷[4]。

泡沫混凝土作為路堤填料時(shí)，是采用的階梯狀進(jìn)行澆筑，每個(gè)階梯段的泡沫混凝土厚度不一樣，依次遞減。從而保證各個(gè)階梯段的有效剛度是呈線性遞減的，這也是從橋頭跳車發(fā)生的機(jī)理上進(jìn)行考慮，橋頭跳車主要是兩類剛度差異較大的材料在行車荷載下的不同動(dòng)力響應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生了差異沉降。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

“十二五”期間，福建省提出了國省干線規(guī)劃“八縱十一橫十五聯(lián)”。其中寧德市境內(nèi)的霞浦東沖至火車站段是國省干線“聯(lián)七線”的重要組成部分。本工程標(biāo)段所在位置如圖1所示。本文以一代表性斷面為例，進(jìn)行泡沫混凝土處理橋頭跳車的機(jī)理分析和數(shù)值模擬，該斷面地基土層物理特性如圖2所示。

圖1 本工程所在地理位置圖

圖2 本工程某斷面地基土層物理特性

3.2 有限元模型

為了探究泡沫混凝土在處理橋頭跳車問題中的工程優(yōu)越性以及數(shù)值模擬過程與工程實(shí)際進(jìn)程的一致性，本文事先對地基進(jìn)行超載預(yù)壓處理，之后導(dǎo)出其應(yīng)力場，再進(jìn)行泡沫混凝土、回填土、宕渣3種路堤澆筑之前導(dǎo)入超載預(yù)壓后的應(yīng)力場作為初始地應(yīng)力場。圖3是地應(yīng)力平衡后的地基豎向應(yīng)力分布，同時(shí)也是路堤回填模型的初始應(yīng)力場。

圖3 地應(yīng)力平衡后的地基豎向應(yīng)力分布

圖4所示為數(shù)值模型幾何參數(shù)以及計(jì)算網(wǎng)格劃分圖，地基土采用CPE4P單元網(wǎng)格（4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變孔壓單元)，單元形狀為結(jié)構(gòu)四邊形。上部填筑材料采用CPE4單元網(wǎng)格（4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元)，單元形狀為掃略四邊形。地基上部自由，左右兩側(cè)均為水平方向約束，豎向自由，地基底部水平向和豎向均固定。砂墊層作為地基土一部分，可視為排水邊界，地下水位為砂墊層底面處，模型左右兩側(cè)設(shè)置為不排水邊界。

圖4 有限元模型幾何說明及網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 材料參數(shù)及本構(gòu)選取

根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)告以及室內(nèi)土工試驗(yàn)，本文所涉及的材料物理力學(xué)取值，淤泥和淤泥質(zhì)黏土采用修正的劍橋模型，砂墊層和中砂采用摩爾庫侖塑性模型，具體如表2所示。

各土層特性參數(shù) 表2

表中：γ為土體天然重度；Es為壓縮模量；ν為泊松比；e為初始孔隙比；k'為土體水平/垂直滲透系數(shù)，塑料排水板處理范圍內(nèi)的淤泥和淤泥質(zhì)黏土的滲透系數(shù)按J.C.Chai二維等效模型計(jì)算；φ為內(nèi)摩擦角；c 為黏聚力[5]。

3.4 不同材料處理橋頭跳車的效果對比

通過對比宕渣路堤、填土路堤以及泡沫混凝土路堤與該工程實(shí)際地表沉降量，可以發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土在抑制地基表面沉降量過大這一問題上比宕渣和填土要好很多。從圖5所示的宕渣路堤沉降量中可以看出在坡腳處易出現(xiàn)沉降量突變的現(xiàn)象，這是由于宕渣本身重度大，在軟土地基上鋪設(shè)宕渣路堤容易引起路堤的失穩(wěn)，造成安全事故。圖6所示的填土路堤未出現(xiàn)宕渣路堤的沉降量突變的情況，因?yàn)樘钔谅返痰闹囟认鄬^小，且填土剛度與地基差別不大，但沉降量依然是比較大的，仍然會(huì)引發(fā)橋頭跳車問題。圖7所示的是泡沫混凝土路堤數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場施工的實(shí)測對比圖，可以看出二者差別不大，從側(cè)面反映數(shù)值模型采取的本構(gòu)參數(shù)是接近該工程實(shí)際情況的；另外在現(xiàn)場施工過程中，因不可避免的原因，路堤邊線處設(shè)置了變道，供渣土車及行車通過，因此從實(shí)測的結(jié)果可以看出，坡腳處沉降量比路堤中線處沉降量要大一些，這也為該路段可能發(fā)生的路堤不穩(wěn)定事故提供預(yù)警。

4 結(jié)論

本文分析了泡沫混凝土處理橋頭跳車的機(jī)理，并以福建某公路實(shí)際工程為背景，通過abaqus建立了有限元分析模型，分析了宕渣、填土及泡沫混凝土三種材料處理橋頭跳車的差異。結(jié)果表明，泡沫混凝土路堤的沉降量是三種材料中最小的，數(shù)值模擬的最大值約為0.04m，并且對比了實(shí)際測量結(jié)果，從側(cè)面反映該有限元模型選取的本構(gòu)參數(shù)符合實(shí)際工程情況，該計(jì)算結(jié)果可為福建軟土地區(qū)解決橋頭跳車問題提供工程參考。

圖5 宕渣路堤沉降圖

圖6 填土路堤沉降圖

圖7 泡沫混凝土路堤沉降圖