高速公路路橋過渡段加寬不均勻沉降有限元數(shù)值分析

魏立恒

摘要：建立了基于ADINA有限元軟件的路橋過渡段加寬數(shù)值模型，通過研究過渡段加寬后縱橫斷面沉降規(guī)律，分析了縱橫斷面處理前后路基以及地表的沉降規(guī)律、臺背回填區(qū)范圍和橋頭搭板對過渡段漸變沉降的影響。

Abstract： A numerical model of bridge transition widening based on ADINA finite element software is established. By studying the settlement law of longitudinal and transverse section after widening the transition section， the settlement law of subgrade and surface before and after the treatment of longitudinal and transverse section， the influence of backfill area of abutment back and abutment slab on the gradual settlement of the transition section are analyzed.

關(guān)鍵詞：不均勻沉降;數(shù)值模型;路橋過渡段;加寬

Key words： uneven settlement;numerical simulation;road-bridge transition section;widening

中圖分類號：U416.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）14-0072-03

0 ?引言

在高速公路拓寬過程中，對路基與橋梁過渡段加寬的研究內(nèi)容偏少。由于過渡段位置非常重要，緊挨橋臺等結(jié)構(gòu)，施工工藝非常復雜。如果路基與橋梁過渡段設(shè)計方案不合理，施工中采取的措施不合適，極有可能造成路基與橋梁過渡段縱、橫向差異沉降，引起公路重大病害。路基與橋梁過渡段的縱向不均勻沉降將導致上部路面橫向裂縫，出現(xiàn)橋頭跳車的現(xiàn)象[1-3]。新舊路基作用下地基不均勻沉降將導致路面產(chǎn)生縱向裂縫，以及沿新舊路基接縫處滑動，進而出現(xiàn)整體失穩(wěn)。這些病害不僅會影響行車車速以及舒適度，還會引起嚴重的交通事故。本文通過建立路橋過渡段加寬的有限元數(shù)值模型，分析了路橋過渡段加寬引起不均勻沉降的機理[4-6]。

1 ?建立有限元數(shù)值模型

1.1 材料本構(gòu)模型

影響材料本構(gòu)關(guān)系的因素很多。任何一種模型都不能考慮所有的因素，一個模型也不能適用于所有的材料和各種巖土問題。因此，在簡化的基礎(chǔ)上，本文選用理想的塑性Mohr-Coulomb屈服函數(shù)和非相關(guān)流動法則作為地基土、路堤填土和加寬路基土的本構(gòu)模型，這些材料需要輸入的材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、天然密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、拉伸限制以及膨脹角等。對于橋臺、橋頭搭板以及路面材料選擇較簡單的彈性本構(gòu)模型進行模擬，這些材料需要輸入的材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、天然密度等[7]。

1.2 計算模型的確定

為了分析高速公路改擴建中橋梁過渡段的縱向和橫向變形，研究不均勻沉降的控制方法，本文分別對橋梁過渡段的縱向和橫向變形進行了模擬。典型計算斷面的位置距橋臺背3m，把雙向四車道公路改為八車道公路，通常在雙向四車道公路兩側(cè)對稱加寬8m，從原來的路基頂面寬度26m擴展到42m。路堤填高5m，新舊公路坡度為1：1.5。舊路基上部路面為0.6m，由于縱斷面上有0.3m厚的橋頭板，新加寬的路基有0.3m厚的路面再加上0.3m厚的橋頭板。對舊路基與加寬路基分界面有限元設(shè)置進行了很好的處理，假設(shè)分界面是完全連續(xù)的，彼此之間沒有出現(xiàn)相對滑動和脫離。

橋頭路堤的長度和厚度分別為6m和0.3m，路面厚度為0.6m。橋臺后面的回填區(qū)域底部距離橋臺背面3m。根據(jù)1：1.5的坡度，開挖寬度為1.5m、高度為1.0m的臺階，與一般路基連接。路堤和基礎(chǔ)的長度在橋臺前為10m，橋臺后為50m?？v斷面圖見圖1所示。

模型中各種材料所選取的參數(shù)見表1所示。

1.3 邊界條件

根據(jù)本文有限元模型特征，采用自由度邊界條件。將各邊界的物理條件應(yīng)用于幾何單元，并將邊界線應(yīng)用于計算?？紤]到土的滲透性，通過定義滲透邊界來實現(xiàn)。當土具有滲透性時，定義為滲透邊界，否則定義為不滲透邊界[8]。該模型基于二維Y方向（水平方向）和Z方向（垂直方向），因此X方向是固定的。

1.4 網(wǎng)格劃分

在本文數(shù)值模型中，采用4節(jié)點平面應(yīng)變單元對地基、原路基、加寬路基、加鋪板、路面、橋臺進行網(wǎng)格劃分，并將其全部設(shè)置為二維實體單元。劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

1.5 工程條件模擬

該模型的計算分為兩部分：第一部分是舊路加寬前的運行階段，按舊路運行15年（約5500天）計算;第二部分是路橋過渡段拓寬新路基施工周期（平均10天填筑1層，每層高度0.5 m），運營時間按15年計，合計時間11120天，簡化起見需要考慮12000天。

2 ? 過渡段加寬縱斷面變形分析

2.1 縱斷面處理前變形分析

圖3顯示了臺背填土完成后新路基表面的垂直沉降曲線。與橫斷面相似，縱向剖面路基的沉降主要發(fā)生在施工后10年內(nèi)。臺背回填區(qū)沉降呈拋物線形，逐漸增大到最大值，在臺背9m范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定?？梢钥闯觯谛碌穆坊靥钔翖l件下，臺背6m范圍內(nèi)沉降突變迅速增大。在長期的車輛荷載作用下，可能會損壞上搭板和路面結(jié)構(gòu)。

圖4為臺背回填條件下地面垂直沉降。沉降量在距橋臺15m范圍內(nèi)逐漸增大至最大值。施工后15年沉降量最大可達20cm，臺背位置較小，達到18cm。

通過對新路基回填條件下路基和地表豎向沉降的分析，在橋臺填筑區(qū)域內(nèi)，橋臺后部地層表面豎向變形逐漸擴大，達到最大值10.4 cm。軟基的最大沉降量高達20 cm。為了防止豎向不均勻沉降，有必要對地基進行處理。

2.2 縱斷面地基優(yōu)化處理

為了保證垂直沉降從橋臺過渡到一般斷面，擬定了垂直軟土地基處理方案，如表2所示。采用CFG樁復合地基用于橋臺后部50m以內(nèi)的軟土地基處理。樁長為15m，樁的模量為15GPa。

臺背填充材料選用液態(tài)粉煤灰，選擇土工格柵進行加固，對該方案進行了有限元計算，并對其沉降漸變效應(yīng)進行了研究。

圖5是地基處理后斷面豎向沉降分布曲線。從圖中可以得到，經(jīng)過地基處理后的變形在橋臺處由0值逐漸增加到離橋臺處50m時的5cm，說明該地基處理方案是合理的，能控制好沉降的逐漸發(fā)展過程。

圖6是根據(jù)上述方案進行地基處理后的地面縱斷面的垂直沉降曲線。從圖中可以看出，地基處理后地表垂直沉降明顯減小，從橋臺到橋臺后50m處理區(qū)的沉降也呈現(xiàn)逐漸過渡的趨勢。

通過對地基處理后地基和地基表面豎向沉降的分析，得出在該條件下，樁長為15m、樁模量為15GPa的CFG樁-網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)處理臺后50m以內(nèi)的軟土地基，橋臺后部的地基處理方案是可行的。

2.3 臺背回填材料對比分析

本文比較了新路基土、石灰土和液態(tài)粉煤灰作為臺背回填材料時路基縱斷面表面和地表的垂直沉降，進一步分析了回填材料對縱斷面沉降逐漸過渡的影響。

圖7顯示了回填材料不同時15m范圍內(nèi)路基表面的垂直沉降。從圖中可以看出，液態(tài)粉煤灰在回填土區(qū)比其它兩種填料具有更好的緩沉效果，其次是石灰土，再次證明了液態(tài)粉煤灰作為回填土材料的優(yōu)勢。

圖8是地基表面的垂直沉降。從臺背后方20m范圍內(nèi)不同填料地表垂直沉降來看，由于石灰土與液態(tài)粉煤灰的密度較小，剛度大于新路基土的剛度，地表垂直沉降減小，橋臺后部回填區(qū)附加應(yīng)力較小。路面不均勻沉降主要是由軟土地基沉降引起的。臺背回填材料選用密度較小的輕質(zhì)填料（液態(tài)粉煤灰），以減少回填區(qū)表面的垂直沉降，有利于防止過渡段的垂直不均勻沉降。

2.4 臺背回填區(qū)大小對比分析

為便于施工，發(fā)揮剛度漸變作用，回填區(qū)底部與臺背之間的距離一般不小于2m，并與一般地段有一定的坡度相連?；靥钔恋撞颗c臺背之間的距離多少是合理的，沒有相應(yīng)的標準。當回填區(qū)底部與臺背之間的距離分別為2m、3m、4m和5m時，計算路基表面的垂直沉降。分析了回填距離對過渡段加寬縱斷面沉降和剛度過渡的影響。回填土區(qū)與一般地段的重疊坡度為1：1.5，填料為液態(tài)粉煤灰。

由圖9可以看出如果回填區(qū)底端與臺背之間間距由2m變?yōu)?m時，沉降減小更為明顯。但是，隨著距離的不斷增大，沉降量逐漸減小，沉降過渡效果沒有明顯改善。考慮到施工和經(jīng)濟原因，在該工況下軟土地基處理后，從回填區(qū)底部到橋臺背面選擇3m是合理的。

2.5 搭板長度對比分析

圖10表明不設(shè)置搭板、搭板長度為5m、搭板長度為6m、搭板長度為7m和搭板長度為8m情形下臺背后方15m范圍內(nèi)路面表層的垂直沉降。從圖中能夠得到在不鋪板的情況下，路面在荷載作用下變形明顯。搭設(shè)搭板后，路面的變形將得到很大的控制，說明在路橋結(jié)合處搭設(shè)搭板是必要的。然而，隨著橋頭搭板的增長，搭板的垂向變形并不明顯，這主要是由于鋼筋混凝土板的長度較短，剛度較大。搭板長度為6m能夠?qū)崿F(xiàn)沉降的平穩(wěn)過渡，因此在這種工況下搭板的尺寸是合理的。

3 ?結(jié)論

本文利用ADINA軟件建立了公路橋梁加寬過渡段的二維有限元非線性分析模型。通過對路基表面和地表的垂直沉降、處理前的地表和新舊路基基腳水平位移的分析，探討了回填材料、回填料區(qū)域大小和搭接長度對沉降逐漸過渡的影響，主要結(jié)論如下：①路基加寬后，新舊路面附加垂直沉降曲線呈“反盆型”分布，舊路中心地面沉降值最小，舊路路面沉降值越接近新加寬路基，舊路路面沉降值越大，最大值在舊路坡腳附近，然后沿新路逐漸減小。②CFG樁-網(wǎng)復合地基處理橋頭軟基能顯著降低路基表面豎向沉降和水平位移。在CFG復合地基中，樁的彈性模量、樁長和樁距取值要恰當。超過一定值后，增加樁長和樁間距，降低樁模量不能進一步顯著降低地基沉降，反而會造成資源浪費。增加土工格柵層數(shù)對減少新老路面的垂直沉降影響不大。當格柵層數(shù)相同時，在路基頂部鋪設(shè)更有利于減少新舊道路的附加垂直沉降，但格柵對沉降減小的影響很小。③選擇輕質(zhì)、剛度好的材料作為路基填料，可以減少新老路之間的不均勻沉降。公路橋梁過渡段軟土地基采用CFG剛性樁處理，沉降過渡區(qū)在橋臺后方合理設(shè)置，可起到從橋臺到一般斷面沉降逐漸過渡的作用。④臺背回填選用重量輕、剛度大的材料，回填料厚度遠薄近厚，使臺背整體剛度逐漸降低，從而實現(xiàn)了臺背回填沉降的逐步過渡。回填土面積越大，漸變面積越大，漸變效果越好，但變化不太明顯。在這種情況下，回填區(qū)底部與回填土區(qū)之間的距離為3m，比較合理。在路橋交界處設(shè)置橋頭板是必要的，但橋頭板長度有合理的取值，不必設(shè)置過長的橋頭板。

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