高架橋基礎(chǔ)承臺開挖引起的路面差異沉降控制方法研究

鄧超

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 引言

隨著城市化進程的不斷推進，交通運輸量明顯上升，城市道路建設(shè)力度不斷加大。但是像公路擴建、高架承臺施工等帶來的新老路基之間的差異沉降問題也需解決。由于新路基與老路基之間的剛度不同，使得新老路基路面在長期車輛荷載作用下產(chǎn)生明顯的差異沉降，沉降過大則會使路面變形與開裂。因此，需要采取一些經(jīng)濟與有效的控制措施來減小新老路基間的差異沉降。

近年來，眾多學(xué)者對差異沉降的產(chǎn)生做了許多研究，并提出了一系列的解決辦法。邱偉等采用聚苯乙烯泡沫(EPS)置換路堤填土以減小基底附加應(yīng)力，以此解決軟土路基的不均勻沉降問題；唐朝生等運用FLAC3D軟件對高速公路上新老路基拼接中產(chǎn)生的差異沉降進行了數(shù)值模擬分析，并且對路基的變形發(fā)展及應(yīng)力集中和分布情況做了研究；吳躍東等根據(jù)高速公路拼寬路段的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為復(fù)合地基能夠控制差異沉降；劉蔭成運用Abaqus有限元軟件建模并分析了在交通荷載作用下的近橋臺處產(chǎn)生的差異沉降。

同時土工格柵作為一種有效的加筋材料，在公路領(lǐng)域被廣泛運用以減小路面沉降。胡衛(wèi)國等通過室內(nèi)試驗對土工格柵的加筋作用做了機理分析，并通過數(shù)值模擬得出加筋路堤中最優(yōu)的加筋位置與格柵長度；劉凱等研究建議級配碎石基層瀝青路面中級配碎石的模量與厚度，并且從路面結(jié)構(gòu)抗開裂性能與疲勞壽命方面考慮確定最佳格柵鋪設(shè)位置；楊廣慶等為了減小高速公路路基擴建后新老路基之間的差異沉降，提出了一種道路路基加寬錨固加筋新技術(shù)，為路基加寬提供了一種新的控制沉降的方法；汪益敏等通過自行設(shè)計與制造的模型試驗系統(tǒng)進行試驗，發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)土工格柵能夠減小軟土地基拓寬路堤的沉降；觀祖保等通過試驗與有限元分析發(fā)現(xiàn)擋塊式土工格柵能夠解決普通土工格柵錨固長度不足的問題，對解決新老路基結(jié)合處的沉降問題具有重大參考意義；冷景巖等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法研究了路基結(jié)構(gòu)的沉降特性，認(rèn)為加筋路基適用于公路軟土地基；唐咸遠(yuǎn)等通過有限元軟件，分析了玻纖格柵在路面改建工程中新舊路面搭接處的作用，為相關(guān)工程提供合理建議。

該文背景工程為上海市濟陽路快速化改建工程，濟陽路是上海市中心城區(qū)“一橫三環(huán)+十字九射”快速路系統(tǒng)的組成部分之一。工程采用“高架快速路+地面道路”的斷面布置形式，主線北接盧浦大橋引橋，跨越川楊河接中環(huán)線立交，向南跨越外環(huán)線立交后接浦星公路蘆恒路節(jié)點改善工程。工程采用水泥攪拌樁、帶托盤的TC管樁和高壓旋噴樁進行地基處理，且考慮回填材料使用二灰土、EPS和氣泡混凝土。改建工程新建高架4.55 km，主線均為高架橋梁，其中高架橋基礎(chǔ)承臺施工時需要開挖基坑并回填，由此會產(chǎn)生新老路基路面的差異沉降問題,擬鋪設(shè)土工格柵來控制路面沉降。該文通過有限差分軟件FLAC3D對該改建工程進行建模分析，研究土工格柵層數(shù)、模量、位置、回填材料以及開挖方式對路面差異沉降的影響，探究控制差異沉降的最優(yōu)措施，以期對工程有所裨益。

2 計算模型建立與荷載形式的選擇

為了研究在車輛荷載作用下高架橋下基礎(chǔ)承臺施工開挖基坑后回填對路面產(chǎn)生的差異沉降，建立三維模型進行模擬分析。由于道路是對稱的，為了提高計算效率，故取一半的承臺與一側(cè)的道路進行建模，模型如圖1所示。道路的路面結(jié)構(gòu)層分別采用0.3 m瀝青混凝土面層，基層為0.4 m水泥碎石基層，墊層采用0.3 m的級配碎石。承臺高度取2 m，承臺寬度4 m，土層厚度分別為：老路基5 m，粉質(zhì)黏土1.5 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土3.5 m，淤泥質(zhì)黏土7 m。模型中間部分為道路，道路設(shè)置為三車道，行車道寬度11.5 m，且車道右側(cè)設(shè)置為人行道。開挖基坑底部長1 m，在承臺埋入后進行回填。模型設(shè)置的x方向長度為22.5 m，y方向長度取承臺長度的一半為3.5 m，模型的數(shù)值參數(shù)見圖2。

圖1 三維模型圖(單位：m)

圖2 模型剖面圖(單位：m)

在計算過程中需要設(shè)置一些沉降監(jiān)測點。為了分析新老路基路面的差異沉降，以道路左側(cè)坐標(biāo)為x=0，在行車路面設(shè)置一些沉降監(jiān)測點，且監(jiān)測點y坐標(biāo)都為1.75 m，即取模型y向中心點進行監(jiān)測，記錄在車輛荷載作用下路面的豎向位移以及產(chǎn)生的差異沉降。

計算過程中軟件定義的邊界條件如下：

(1) 在x=0和x=22.5 m平面上沿x軸方向水平固定。

(2) 在y=0和y=3.5 m平面上沿y軸方向水平固定。

(3) 在z=0平面上沿z軸方向垂直固定。

車輛荷載以雙輪組單軸100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎對路面的壓強為0.7 MPa，汽車左右兩輪的中心間距為1.8 m，輪胎的寬度為0.2 m。鑒于快速路車流量大，車輛荷載作用頻率高的特點，為了簡化計算，車輛荷載采用寬度0.2 m，長度3.5 m的條形荷載來模擬，條形荷載的壓強為0.7 MPa。由于行車道為三車道，故模擬有3列汽車同時在車道中心行駛的情況，施加6組條形荷載作為車輛荷載進行計算。由于研究內(nèi)容為新老路基間的差異沉降，故只考慮行車道上的車輛荷載，對于車道右側(cè)的人群荷載不作考慮。

3 模型參數(shù)選取

FLAC3D軟件中建模需要選擇相應(yīng)的本構(gòu)模型，各個土層及基坑填砂均采用摩爾-庫侖塑性模型，承臺和路面結(jié)構(gòu)層都采用彈性模型。在本構(gòu)模型選取后再分別進行模型參數(shù)的賦予。模型的土層參數(shù)以及模型基本材料參數(shù)見表1、2。土工格柵采用FLAC3D自帶的Geogrid單元進行模擬，采用彈塑性本構(gòu)模型，具體參數(shù)見表3。

表1 土體參數(shù)

表2 模型基本材料參數(shù)

表3 土工格柵材料參數(shù)

4 結(jié)果分析

4.1 土工格柵層數(shù)對路面差異沉降的影響

土工格柵有較好的延展性、張力和柔韌性，鋪設(shè)在路面結(jié)構(gòu)層中可以與路面結(jié)構(gòu)層成為一個整體，使所受的車輛荷載更好地分散，提高路面整體承載能力，減小路面的不均勻沉降。由于承臺施工需要開挖基坑并回填，所以將格柵鋪設(shè)在路面結(jié)構(gòu)層中，若鋪設(shè)在老路基中則將增加鋪設(shè)時的施工難度，并且鋪設(shè)成本也將加大。該文模擬分析時最多采用3層格柵，其中第1層鋪設(shè)在面層與基層的交界處，第2層鋪設(shè)在基層與墊層交界處，第3層鋪設(shè)在墊層與老路基交界處。在行車道下整體鋪設(shè)土工格柵，探究土工格柵對減小差異沉降的作用。分析時定義開挖基坑上部路面沉降最大處與行車道老路基上部路面中心點處(x=7.25 m)的沉降差值作為差異沉降來分析，以此評估格柵的效果(圖3)。

圖3 格柵層數(shù)對差異沉降的影響

由圖3可知：隨著格柵鋪設(shè)層數(shù)的增加，行車路面沉降值普遍減小，且差異沉降也逐步減小。無格柵時兩者差異沉降為0.75 cm，而鋪設(shè)1、2、3層格柵時差異沉降分別為0.30、0.25和0.19 cm。由此可見，通過增加鋪設(shè)格柵的層數(shù)可以明顯減小路面沉降和不均勻沉降，并且隨著格柵層數(shù)的增加，格柵加筋效果減弱。此外，不鋪設(shè)格柵情況下的新老路基結(jié)合處(x=3 m)的路面沉降值最大，但是通過鋪設(shè)多層土工格柵，可以提高新老路基的整體穩(wěn)定性，使車輛荷載能夠分?jǐn)偟礁嗤馏w上，明顯減小新老路基的差異沉降。

4.2 格柵鋪設(shè)位置對路面差異沉降的影響

工程中格柵的鋪設(shè)位置也會對格柵的效果產(chǎn)生影響，故在不同位置鋪設(shè)單層格柵進行對比分析，模擬鋪設(shè)格柵的位置分別在面層與基層交界處(位置1)、基層與墊層交界處(位置2)、墊層和路基交界處(位置3)(圖4)。

圖4 格柵位置對差異沉降的影響

由圖4可知：在3個位置鋪設(shè)的格柵均能起到降低路面沉降的作用，但效果有限。在不同位置鋪設(shè)格柵后的路面差異沉降值分別為0.30、0.50和0.60 cm，都小于不鋪設(shè)格柵時的0.75 cm。其次，在位置1鋪設(shè)的單層格柵效果最優(yōu)，而其他兩處位置鋪設(shè)的格柵均有效，且效果相差不大。故實際工程中若只鋪設(shè)單層格柵，建議鋪設(shè)在面層與基層的交界處，倘若條件允許，建議鋪設(shè)多層格柵。

4.3 格柵彈性模量對路面差異沉降的影響

彈性模量是工程材料的一個重要參數(shù)指標(biāo)，土工格柵的彈性模量不同，導(dǎo)致其力學(xué)性能也不同。通過對幾種不同彈性模量的格柵進行模擬分析，得出能降低新老路基差異沉降的最優(yōu)彈性模量值，為工程選用格柵提供一定的參考意義。圖5分別采用彈性模量為10、15、20和25 GPa的土工格柵進行模擬分析，并且在考慮格柵模量的影響時控制格柵的鋪設(shè)層數(shù)相同，都為3層格柵。

圖5 彈性模量對差異沉降的影響

由圖5可知：隨著格柵模量的增加，行車路面的沉降普遍減小，且新老路基之間的差異沉降也明顯減小。當(dāng)土工格柵的模量逐步增加時，新老路基結(jié)合處的沉降由最大變?yōu)榕c周圍沉降相當(dāng)，使得路面的不均勻沉降減小。當(dāng)格柵模量從10、15、20 GPa增加到25 GPa時，差異沉降分別為0.49、0.29、0.19和0.11 cm，相對于不鋪設(shè)格柵時的0.75 cm都有不同程度的減少。此外，格柵模量越大，路面的整體性越好，對承擔(dān)車輛荷載后產(chǎn)生的沉降與沉降不均勻性也有極大改善，故推薦選用彈性模量較大的土工格柵。

4.4 基坑回填材料對路面差異沉降的影響

二灰土是利用廢料粉煤灰、石灰與土料混合作為地基回填土的一種新型材料，具有強度高、穩(wěn)定性好、施工方便、經(jīng)濟效果好等特點。近幾年逐漸應(yīng)用在公路領(lǐng)域，并且取得了良好的效果。實際工程中常采用回填砂作為回填材料進行回填，但無法大幅度減少差異沉降，故模擬采取二灰土這一新型材料進行回填。二灰土的材料參數(shù)參考文獻[14]，取值如表4所示，得到回填材料對路面差異沉降的影響如圖6所示。

表4 二灰土材料參數(shù)

圖6 回填材料對差異沉降的影響

由圖6可知：將二灰土作為新的回填材料可以大幅度減小新老路基的差異沉降，差異沉降由0.75 cm減小為0.35 cm。此外，在鋪設(shè)3層土工格柵的基礎(chǔ)上，同時使用二灰土回填，探究控制差異沉降的最優(yōu)方式。兩種方法結(jié)合時的最大沉降為6.72 cm，而鋪設(shè)3層二灰土?xí)r最大沉降為7.43 cm，故兩種方式結(jié)合能最大程度地減小路面沉降，且在減小差異沉降方面也有一定優(yōu)勢。因此，在工程中可采用鋪設(shè)格柵與二灰土回填的方式來最大限度地減小路面沉降與新老路基的差異沉降。

4.5 開挖方式對路面差異沉降的影響

在高架橋承臺施工時需要開挖一個小型的基坑作為承臺施工的作業(yè)面，而基坑的開挖方式一般有放坡開挖和臺階開挖兩種。當(dāng)采用放坡開挖時，土方放坡系數(shù)為1.25，而采用臺階開挖時，采用5階臺階進行開挖，每階臺階高0.5 m，具體開挖示意圖如圖7所示。運用軟件分別建模分析兩種開挖方式對路面沉降的影響，且回填材料都使用回填砂，不鋪設(shè)格柵，單純對比開挖方式的影響，探究最佳的開挖方式，所得計算結(jié)果見圖8。

圖7 開挖方式示意圖(單位：m)

圖8 開挖方式對差異沉降的影響

由圖8可知：不同的開挖方式對路面沉降產(chǎn)生一定的影響，且采用臺階開挖后回填的路面沉降大于放坡開挖。采用臺階開挖時新老路基結(jié)合處的最大沉降為9.06 cm，而放坡開挖時為8.86 cm。此外，放坡開挖時差異沉降為0.75 cm，優(yōu)于臺階開挖時的0.91 cm，故在考慮基坑開挖方式時，推薦采用放坡開挖。

5 結(jié)論

(1) 新老路基結(jié)合處的沉降是路面沉降最大處，且土工格柵的層數(shù)和模量對新老路基差異沉降的影響較大。隨著格柵鋪設(shè)層數(shù)的增加，格柵作用效果增加，但格柵的加筋效果減弱。此外，格柵模量越大，新老路基的差異沉降越小。

(2) 土工格柵的不同鋪設(shè)位置都能起到減小新老路基差異沉降的效果，且在面層與基層交界處鋪設(shè)格柵的效果最優(yōu)。鋪設(shè)單層格柵的作用有限，可以鋪設(shè)多層格柵來增加格柵的效果。

(3) 二灰土作為一種新型的基坑回填材料，能夠大幅度減小路面沉降，且對新老路基的差異沉降也有明顯作用。采用二灰土回填與鋪設(shè)格柵的方式結(jié)合使用，能夠最大程度減小新老路基的差異沉降。

(4) 基坑的開挖采用放坡開挖能夠局部減小路面的沉降，并且對差異沉降也有效果，但作用效果有限。