發(fā)泡聚苯乙烯板處理路-橋過渡段沉降的應(yīng)用研究

趙建斌，白曉紅，謝明星，苗晨曦

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

隨著我國高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，公路行車在舒適性和安全性方面的要求逐漸提高[1]。但在通過橋頭路堤時，橋臺與相鄰路堤之間的差異沉降會引起“橋頭跳車”問題[2-3]。若差異沉降較嚴(yán)重，甚至?xí)斐绍囕v失控，并導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。橋臺與相鄰路堤之間的差異沉降是長期困擾工程界的一大難題。在橋頭路堤投入使用時，橋臺與相鄰路堤之間幾乎不存在差異沉降。隨著時間的發(fā)展，路堤填土和其地基土尚未完成的固結(jié)和流變性均會造成路堤沉降的增大。而橋臺往往采用的是深基礎(chǔ)，從而橋臺的沉降大大減小，最終造成柔性路堤的沉降遠(yuǎn)大于剛性橋臺的沉降[4]。因此，如何減小橋頭路堤的長期沉降是緩解“橋頭跳車”問題的關(guān)鍵技術(shù)問題[5]。

國內(nèi)外處理橋臺與相鄰路堤之間差異沉降的方法為設(shè)置橋頭搭板，但由于橋頭搭板仍為剛性結(jié)構(gòu)，該方法并未在本質(zhì)上減小差異沉降，而是將差異沉降的位置后移至橋頭搭板與路堤交界處，行車通過時仍會產(chǎn)生“跳車”問題[6]。有學(xué)者提出采用柔性材料土工格柵處理橋頭路堤，將土工格柵分層鋪設(shè)形成加筋土路堤，并采用螺栓將土工格柵與橋臺錨固，充分發(fā)揮土工格柵的張拉效應(yīng)，從而使緊鄰橋臺段路堤的沉降逐漸減小，形成一定范圍的沉降過渡區(qū)，最終達(dá)到緩解“橋頭跳車”的目的[7-9]。但土工格柵減小的路堤沉降主要為土體的瞬時沉降和部分主固結(jié)沉降，并未緩解剩余主固結(jié)、次固結(jié)和土體流變性造成的沉降，橋臺與相鄰路堤之間的差異沉降仍會隨著時間的發(fā)展而逐漸增大。

EPS(Expanded Polystyrene，聚苯乙烯泡沫)塊體材料是一種具有密度小、壓縮變形大、強度高和減振性能好等優(yōu)點的柔性材料[10]，已廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，包括設(shè)置于擋土墻與填土之間以減小擋土墻土壓力[11-12]、設(shè)置于涵洞頂部以減小涵頂土壓力[13-14]和作為輕質(zhì)填料以減小路堤沉降等[15-16]?；贓PS在道路循環(huán)荷載下的良好受力性能[17]，1972年EPS首次作為輕質(zhì)填料應(yīng)用于改造橋頭路堤實際工程中，有效地減小了路堤沉降[18]。此后，這項技術(shù)被越來越多的國家引進應(yīng)用，充分證實了EPS可作為路堤填筑材料使用。值得注意的是，EPS逐漸被用于新建橋頭路堤的填筑，但其減小路堤沉降的效果并不理想[19]。謝洪濤和楊春和[20]認(rèn)為應(yīng)在橋頭先行完成路堤填土并通車，在經(jīng)過一段時間后路堤填土和地基土的主固結(jié)將完成大部分，此時再采用EPS換填一定厚度的路堤填土，可使得原路堤填土和地基土處于超固結(jié)狀態(tài)，從而消除大部分路堤沉降。

雖然EPS作為輕質(zhì)填料已在橋頭路堤實際工程中應(yīng)用，但針對該類工程案例的研究較少，且既有研究均未考慮土體流變特性對橋頭路堤沉降的影響。本文針對EPS改造已投入使用的橋頭路堤開展研究，基于實際工程的現(xiàn)場試驗結(jié)果得出路堤的長期沉降預(yù)測模型，通過有限差分軟件FLAC3D開展數(shù)值模擬，對該工程中土體流變特性引起的路堤長期沉降進行分析，探討在該類工程中使用EPS替換路堤填料時的設(shè)計參數(shù)。

1 工程概況

基于文獻[16]美國Texas州67號公路SH174段路橋過渡段改造工程開展研究。該路橋過渡段修建于1995年，截止于2011年路橋過渡段與橋臺之間的最大差異沉降達(dá)到40.7 cm.圖1為改造前該橋頭路堤簡圖，橋頭路堤高度為12 m，路堤填土為塑性指數(shù)較高的黏土，路堤填土下方為黏土層(約6 m厚)和石灰?guī)r。固結(jié)試驗結(jié)果表明，該場地土體的超固結(jié)比達(dá)到10.29.

圖1 改造前橋頭路堤簡圖

2012年1月開展為期28 d的改造工程：開挖原路堤頂部約3.0 m厚的填土；在開挖底面設(shè)置地下排水系統(tǒng)，并在排水系統(tǒng)上方鋪設(shè)砂土墊層，共0.6 m厚；在砂土層上方鋪設(shè)3層塊狀EPS，每層EPS均采用防滲土工膜包裹，EPS的高度均為0.6 m，密度ρ均為22 kg/m3；在EPS上方進行路面結(jié)構(gòu)的施工，包括柔性基層、熱拌瀝青混合料和混凝土路面，共0.6 m厚。圖2為該橋頭路堤改造區(qū)域示意圖，在第3層EPS的頂部分別距橋臺4.5 m和10.5 m處沿路堤橫截面方向共布設(shè)了4根測斜管，開展了為期近1 000 d的路堤沉降監(jiān)測。沉降監(jiān)測結(jié)束時，路面的最大沉降觀測值約為2.8 cm(不計改造過程中測斜管測得的路面沉降)。

圖2 路橋過渡段改造區(qū)域示意圖

2 長期沉降預(yù)測模型

LIN和WONG[21]提出路堤的長期沉降與時間呈雙曲線關(guān)系，并通過路堤沉降的現(xiàn)場監(jiān)測值擬合出路堤沉降與時間之間的關(guān)系：

(1)

式中：s為路堤的沉降量，mm；t為路堤填筑完成后的時間，d；α和β為通過沉降監(jiān)測值擬合的參數(shù)。

本文選取路面中心線和路肩處t/s隨t的變化規(guī)律分別進行線性回歸分析，如圖3所示。求出路面中心線和路肩處的α和β值，即可得到兩處的沉降預(yù)測曲線：

圖3 路面中心線和路肩處t/s隨t的變化規(guī)律

(2)

(3)

圖4為路面中心線和路肩處沉降預(yù)測曲線與沉降監(jiān)測值。由圖可知，基于雙曲線關(guān)系所得出的沉降預(yù)測曲線能較好地反映路堤沉降的發(fā)展規(guī)律。隨著時間的推移，盡管路堤沉降量的增加趨勢有所減緩，但其仍處于繼續(xù)增加的階段。

圖4 路面中心線和路肩處沉降預(yù)測曲線與沉降監(jiān)測值

3 數(shù)值模型的建立與驗證

由于現(xiàn)場監(jiān)測條件以及環(huán)境因素的限制，路堤沉降現(xiàn)場監(jiān)測的持續(xù)時間僅接近1 000 d，然而土體的流變貫穿路堤的整個使用過程。此外，長期沉降預(yù)測模型的建立需要現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，從而造成無法通過既有工程實例探討改造工程中EPS的設(shè)計參數(shù)。因此，有必要通過數(shù)值模擬的方法開展研究。

有限差分軟件FLAC3D提供了包括黏彈塑性流變模型在內(nèi)的8種流變模型，其中Cvisc流變模型可模擬復(fù)雜的流變性質(zhì)，同時呈現(xiàn)出土體的黏性、彈性和塑性特性，能夠全面描述土的壓縮和剪切兩大流變特性[22]。

本文采用FLAC3D對該橋頭路堤改造工程進行數(shù)值模擬。數(shù)值模型依據(jù)該實際工程建立，由于路堤沿縱軸線方向為對稱結(jié)構(gòu)，因此僅選取半幅路堤進行建模，并在路堤縱軸線上限制水平方向的位移。黏土層、砂土層和路堤填土采用Cvisc流變模型，石灰?guī)r、EPS和路面結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。EPS的彈性模量E和泊松比υ可依據(jù)其密度ρ求出[10]：

E=0.45ρ-3.0 .

(4)

υ=0.005 6ρ+0.002 4 .

(5)

式中：ρ為EPS的密度，kg/m3。其余材料的彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和泊松比υ依據(jù)文獻[21]取值，Cvisc流變參數(shù)通過反演擬合得出，數(shù)值模型的參數(shù)取值見表1.EM為Maxwell彈性模量，EK為Kelvin彈性模量，η為Maxwell粘滯系數(shù)，σt為抗拉強度。

表1 數(shù)值模型參數(shù)取值

由于該場地路堤填土和地基土均處于超固結(jié)狀態(tài)，按照MURAKAMI[23]固結(jié)試驗研究結(jié)論：黏土處于超固結(jié)狀態(tài)時，幾乎不會產(chǎn)生二次壓縮。因此，數(shù)值模擬中暫不考慮土體固結(jié)沉降的影響，僅考慮土體的流變特性對路堤沉降的影響。此外，由于路堤填土-橋臺之間的相互作用對路堤長期沉降的影響較小，在模擬土體流變特性時不考慮該因素的影響。

將蠕變的最大時間步和最小時間步分別設(shè)置為0.1和1×10-5，采用自動調(diào)節(jié)蠕變時間步長，蠕變時間的限值設(shè)置為3 000 d.圖5為該橋頭路堤改造工程完成后3 000 d內(nèi)路面中心線和路肩處沉降預(yù)測曲線與數(shù)值模擬結(jié)果。通過對比可以看出：在0～500 d內(nèi)，路堤沉降的數(shù)值解與沉降預(yù)測值基本一致；在500～2 500 d內(nèi)，路堤沉降的數(shù)值解略大于沉降預(yù)測值；在2 500～3 000 d內(nèi)，路堤沉降的數(shù)值解略小于沉降預(yù)測值?？傮w而言，數(shù)值模擬結(jié)果與沉降預(yù)測曲線較吻合。

圖5 路面中心線和路肩處沉降預(yù)測曲線與數(shù)值模擬結(jié)果

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 EPS改造橋頭路堤沉降分析

圖6為3 000 d后不同高度處路堤沿橫斷面方向的沉降曲線，圖中l(wèi)為距路面中心線處的水平距離。本文橋頭路堤改造工程中EPS沿路堤橫斷面方向的換填寬度為路面寬度，EPS外側(cè)的路堤邊坡仍為路堤填土，因此僅分析路面寬度范圍內(nèi)各高度處的沉降曲線。由于路面結(jié)構(gòu)的壓縮量較小，EPS頂面和路面的沉降曲線基本重合。路面沉降曲線呈中間大兩邊小的拋物線分布，而EPS底面、黏土層頂面和黏土層底面的沉降曲線近似呈水平線分布。

圖6 3 000 d后不同高度處路堤沿橫斷面方向的沉降曲線

由于在數(shù)值模擬中換填EPS后對速度場和位移場進行了清零，EPS底面與黏土層頂面之間和黏土層頂面與底面之間的沉降差可分別近似看作路堤填土和黏土層流變造成的沉降值。而數(shù)值模擬中EPS采用彈性模型，EPS頂面與底面之間的沉降差為EPS的壓縮量，即路堤橫斷面方向兩側(cè)的EPS壓縮量小、中間壓縮量大。為探明該現(xiàn)象的原因，在數(shù)值模型中去除路堤邊坡填土并保持其他參數(shù)不變，則EPS兩側(cè)和中間部分的壓縮量較接近。這說明兩側(cè)EPS受到路堤邊坡填土產(chǎn)生的側(cè)向土壓力的影響，從而使該部分壓縮量有所減小。

對沉降值最大的路面沉降曲線進行分析，分別選取100 d、200 d、500 d、1 000 d、2 000 d和3 000 d時沿橫斷面方向的沉降曲線，如圖7所示。在計算模型的流變前期(100 d≤t≤1 000 d)，路面中心線處(l=0 m)比路肩處(l=±6.6 m)的沉降增大速率快；而在流變后期(1 000 d≤t≤3 000 d)，路面中心線處比路肩處的沉降增大速率慢。這將會導(dǎo)致在一定的時間內(nèi)路面中間低而兩側(cè)高，在進行該類型改造工程時需考慮該因素對路面排水的影響。

圖7 不同時間下沿橫斷面方向的路面沉降曲線

4.2 EPS改造橋頭路堤效果分析

為分析EPS改造橋頭路堤的效果，建立未進行EPS改造的原路堤數(shù)值模型，并將該工況的路面中心線和路肩處沉降的數(shù)值模擬結(jié)果與EPS改造后的工況進行對比，如圖8所示。由圖可知，采用EPS改造橋頭路堤后，路面中心線和路肩處的沉降值均大幅減小，且減小幅度隨著時間的增加而逐漸增大。

圖8 有/無EPS處理的路面中心線和路肩處沉降變化曲線

當(dāng)t=3 000 d時，EPS改造后路面中心線和路肩處的沉降值分別為未進行EPS改造工況的39.9%和40.3%.

由于本文橋頭路堤改造工程土處于超固結(jié)狀態(tài)，相應(yīng)地，數(shù)值模型中未考慮土體的固結(jié)，因此，分析路堤沉降的減小原因時也未考慮土體固結(jié)的影響。換填的EPS重度遠(yuǎn)小于路堤填土，從而降低路堤自重荷載，最終造成路堤沉降量的減小。此外，EPS板自身結(jié)構(gòu)不具備流變特性，換填后路堤的填土量有所減少，因土體流變而造成的路堤沉降也將隨之減小。綜上所述，采用EPS換填橋頭路堤填土的方法可有效減小路堤的長期沉降。

4.3 EPS改造橋頭路堤參數(shù)分析

本文橋頭路堤改造工程采用的EPS密度ρ為22 kg/m3.為分析EPS密度對橋頭路堤沉降的影響，保持其他參數(shù)不變，分別建立ρ為12、16、20、24和28 kg/m3的數(shù)值模型，對3 000 d后路堤沿橫斷面方向的沉降曲線進行對比，如圖9所示。隨著EPS密度的增大，其彈性模量逐漸增加，造成EPS的壓縮量逐漸減小，從而導(dǎo)致路面的沉降量逐漸減小。由式(4)可知，EPS的彈性模量與密度呈線性關(guān)系，相應(yīng)地，不同EPS密度下路面沉降量的變化幅度也較均勻。

圖9 3 000 d后不同EPS換填密度下沿橫斷面方向的路面沉降曲線

本文橋頭路堤改造工程的換填比例n(換填厚度與路堤填土厚度的比值)為0.15.為分析EPS的換填比例對橋頭路堤沉降的影響，保持其他參數(shù)不變，分別建立n為0.10、0.20、0.30、0.40和0.50的數(shù)值模型，對3 000 d后路堤沿橫斷面方向的路面沉降曲線進行對比，如圖10所示。隨著換填比例的增大，路面的沉降量逐漸減小。但需要注意的是，當(dāng)換填比例增大時，路面沉降量的減小幅度逐漸減小。此外，由于EPS材料自重很輕，而橋頭位置在洪水季節(jié)有雍水的可能性[19]，進行EPS換填時需考慮路堤的抗浮穩(wěn)定性。因此，EPS的換填比例不宜過大，本文橋頭路堤改造工程的換填比例取0.2～0.3較佳。

圖10 3 000 d后不同EPS換填比例下沿橫斷面方向的路面沉降曲線

5 結(jié)論

1) 采用EPS部分替換已投入使用橋頭路堤的頂部填土，可有效地降低路堤自重和減少土體流變，從而減小路面沉降。

2) 采用EPS處理橋頭路堤后，路面的沉降隨時間的變化規(guī)律符合雙曲線發(fā)展規(guī)律。隨著時間的發(fā)展，路肩處沉降略小于路面中心線處的沉降，在進行EPS改造設(shè)計時，應(yīng)考慮該現(xiàn)象對路面排水的不利影響。

3) 進行EPS改造設(shè)計時，可選取密度較大的EPS材料進行換填，但EPS換填厚度與路堤填土厚度的比值應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，本文橋頭路堤改造工程的換填比例取0.2～0.3較佳。