軟土地基橋頭跳車的新型解決方案

李鳳陽 （中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民群眾對(duì)于出行要求提升到新的高度，不再是滿足基本的出行要求，而是要求出行速度快、平穩(wěn)以及安全性能高[1]。在高速行駛過程中，路面結(jié)構(gòu)的平整決定了人-車-橋耦合環(huán)境下的穩(wěn)定性，路面的不均勻沉降以及剛度差異較大處的差異沉降均會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)，致使橋頭跳車問題的出現(xiàn)。差異沉降越大，橋頭跳車現(xiàn)象越嚴(yán)重，使得車內(nèi)人員瞬態(tài)抬升，影響駕駛員的正常操作以及方向偏移，增大了橋面行駛過程的危險(xiǎn)程度[2，3]。因此，解決橋頭跳車成為了公路橋梁設(shè)計(jì)人員所必須面臨的問題。

從上世紀(jì)九十年代開始，現(xiàn)澆泡沫混凝土開始在我國的建筑工程回填及巖土工程回填開始應(yīng)用，成為我國的第三大應(yīng)用領(lǐng)域[4]。由于其流動(dòng)性較好，在建筑補(bǔ)償?shù)鼗畛?、公路路基回填、巖土工程隧道回填等領(lǐng)域也逐漸出現(xiàn)泡沫混凝土的應(yīng)用方案。隨著泡沫混凝土應(yīng)用的越來越多，與之關(guān)聯(lián)的各類科研院所、生產(chǎn)廠家也越來越多，截止目前，國內(nèi)關(guān)于泡沫混凝土的企業(yè)達(dá)到了1000余家，全年總產(chǎn)量超過了4000萬立方米，不管是企業(yè)數(shù)目還是產(chǎn)量，均位居世界第一，中國泡沫混凝土的用量直接推動(dòng)了這一新型建筑材料的興起[5,6]。

文章基于珠海西部中心城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目II-1標(biāo)段工程，從應(yīng)力補(bǔ)償原理角度出發(fā)，探究采用新型泡沫混凝土路堤作為連接橋梁與軟土地基的介質(zhì)，其沉降特性以及對(duì)于橋頭跳車現(xiàn)象的緩解行為，并根據(jù)其沉降特性探索橋臺(tái)優(yōu)化形式，為之后處理橋梁工程中的橋頭跳車問題提供技術(shù)參考。

2 工程概況

文章依托的工程為珠海西部中心城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目II-1標(biāo)段工程，其土層特性具體表現(xiàn)為天然含水量高，孔隙比大，強(qiáng)度低，固結(jié)時(shí)間短。在進(jìn)行軟土地基前期處理時(shí)，采用塑料排水板與真空堆載預(yù)壓法聯(lián)合處理。文章以該標(biāo)段中的橋臺(tái)斷面為研究對(duì)象，其橋臺(tái)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，泡沫混凝土位于臺(tái)背回填處。文章通過有限元軟件ABAQUS建立路基與橋背連接處二維平面應(yīng)變模型，基于應(yīng)力補(bǔ)償原理探究在不同回填材料作用下，橋頭軟土地基處的沉降特性。

在軟土地基上搭建橋梁需要考慮橋頭跳車的危害，橋梁橋臺(tái)及主梁作為剛性結(jié)構(gòu)，在較長時(shí)間的行車荷載之下，其沉降微弱，相對(duì)于路面沉降，數(shù)量級(jí)可忽略不計(jì)。對(duì)于軟土地基，在行車荷載之下，其沉降特征不穩(wěn)定。若采用傳統(tǒng)的填土路堤，在靜載情況下，由于剛度效應(yīng)與重度效應(yīng)的雙重作用，對(duì)軟土地基的附加應(yīng)力會(huì)增加。在動(dòng)載情況之下，由于填土路堤自立性較差，土骨架承載能力有限，會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降。在傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)措施中，常采用在不均勻沉降處進(jìn)行瀝青結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償澆筑方法，雖然能夠保證短期內(nèi)路面結(jié)構(gòu)平整，但從路面養(yǎng)護(hù)工程災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中較常見的是，不均勻沉降發(fā)生的位置總是不盡相同，從應(yīng)力補(bǔ)償原理的角度進(jìn)行解釋，在不均勻沉降處進(jìn)行瀝青結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償澆筑增加了軟土地基的附加應(yīng)力，而行車荷載發(fā)生處又較為固定。因此對(duì)于不均勻沉降處下方的軟土而言，其承載壓力或超過其承受能力，易轉(zhuǎn)變?yōu)槌探Y(jié)狀態(tài)，出現(xiàn)較大變形，對(duì)于軟土地基的路面穩(wěn)定性造成難以預(yù)測的危害，使得路基結(jié)構(gòu)剪切變形過大產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，同時(shí)在與橋梁搭建處，更易出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象，危害行車安全。

圖1 與泡沫混凝土相連的橋臺(tái)結(jié)構(gòu)形式

3 泡沫混凝土路堤有限元模型

為了探究軟土地基橋頭跳車新型解決措施的有效性，文章建立了傳統(tǒng)路面路堤以及新型泡沫混凝土路堤的二維平面應(yīng)變模型。在建立模型之前，為與實(shí)際情況相符，還搭建了軟土地基先期堆載預(yù)壓模型，將先期堆載預(yù)壓后的軟土地基應(yīng)力場導(dǎo)出，作為路堤模型的初始應(yīng)力場。通過ABAQUS有限元軟件中的生死單元，對(duì)路堤的分級(jí)填筑進(jìn)行模擬，通過對(duì)比每一級(jí)填筑下的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，以獲得更接近實(shí)際情況的路堤沉降特性。

各土層特性參數(shù)如表所示，路堤二維平面應(yīng)變模型示意圖如圖2所示。其中地基土采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變孔壓單元，上部路堤采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元，邊界條件則是將地基上部設(shè)為自由邊界，地基左右兩側(cè)豎向自由，水平約束，模型底部則采用水平與豎向雙向固定。路堤下部有0.5m厚的砂墊層，可作為模型的排水邊界，地下水位為砂墊層的底面處。對(duì)于材料本構(gòu)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)土和粉質(zhì)黏土采用修正的劍橋模型，砂墊層與砂采用摩爾庫倫塑性模型，路堤填料采用彈性模型。

圖2 路堤二維平面應(yīng)變有限元模型

在進(jìn)行加載固結(jié)分析步時(shí)，采用的是瞬態(tài)固結(jié)孔隙流體響應(yīng)。由于是超軟土地基，在堆載過程中可能出現(xiàn)大變形，因此將幾何非線性選項(xiàng)打開，設(shè)置每載荷步最大孔隙壓力變化值為5 kPa。

4 路堤沉降特性分析

圖3所示是軟土地基在卸載穩(wěn)定之后進(jìn)行不同路堤材料的填筑，其中每一級(jí)填筑時(shí)間為兩天，固結(jié)時(shí)間為3天，最后一級(jí)填筑之后固結(jié)時(shí)間為30天，圖3(a)所示是指三種填筑路堤的地表沉降情況，圖3(b)所示是指三種填筑路堤的基底壓力情況。

圖3 路堤沉降特性

從圖中可以看到，泡沫混凝土路堤、填土路堤、宕渣路堤作用下地基沉降最大值為0.352m、1.008m、1.148m，沉降最值點(diǎn)發(fā)生在路堤中線處附近，從趨勢(shì)圖中可以發(fā)現(xiàn)，泡沫混凝土路堤作用下地基呈現(xiàn)整體沉降式，與填土路堤和宕渣路堤沉降形式不同，填土路堤與宕渣路堤則呈現(xiàn)路面尺寸范圍下沉降較大，隨著斜坡的過渡，沉降逐漸減小，這一沉降形式對(duì)于坡腳處穩(wěn)定性控制提出了較大難度，而采用泡沫混凝土路堤則能較好的控制坡腳處的穩(wěn)定性。從圖3中可以看出，泡沫混凝土路堤、填土路堤、宕渣路堤作用下的路堤中線處基底壓力最值分別是40.1 kPa、107.6 kPa、112.5 kPa，基底壓力分布形式與地表沉降形式類似?？梢钥闯觯还苁窃诘乇沓两颠€是基底壓力方面，泡沫混凝土路堤均較填土路堤與宕渣路堤呈現(xiàn)較高優(yōu)越性。

各土層特性參數(shù)一覽表

5 結(jié)論

文章基于珠海西部中心城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目II-1標(biāo)段工程探究了泡沫混凝土作為輕質(zhì)路堤處理深層軟土地基處理方案的有效性，對(duì)比了泡沫混凝土路堤、填土路堤以及宕渣路堤的沉降模擬情況，從地表沉降以及基底壓力可以發(fā)現(xiàn)，利用泡沫混凝土做路堤可以減輕路堤自重，減少沉降量，提高路堤穩(wěn)定性，模擬結(jié)果可為類似工程提供技術(shù)參考。