路橋過(guò)渡段沉降的分析及處理

郝靈恩,吳佳坤,宮偉軍

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司,重慶 400000)

0 引 言

我國(guó)的交通建設(shè)發(fā)展十分迅速,已建成的高速公路中隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng),凸顯出了許多問(wèn)題,特別是路橋過(guò)渡段不均勻沉降的問(wèn)題,對(duì)汽車的安全性和舒適性造成了嚴(yán)重的影響,也成為了路基與橋梁在修建中的難點(diǎn)。

對(duì)于路橋過(guò)渡段方面的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在施工控制、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多方面提出了不同的見(jiàn)解。張洪亮等[1]在動(dòng)力響應(yīng)的基礎(chǔ)上提出以容許坡差為控制指標(biāo),得到不同參數(shù)下的人體瞬態(tài)的振動(dòng)影響,為容許坡差的控制提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)以人體瞬態(tài)振動(dòng)值為控制指標(biāo)[2]建立了折線形的路橋階梯控制模型,同時(shí)也建立了瞬態(tài)振動(dòng)值和搭板容許縱坡變化值間的關(guān)系。陳曉麟等[3]在容許坡差方面進(jìn)一步提出車輛-人體-座椅的振動(dòng)模型,并在此基礎(chǔ)上對(duì)舒適性和差異性沉降的關(guān)系進(jìn)行了分析,得出了容許縱坡值的變化范圍。屈戰(zhàn)輝等[4]為了更好地實(shí)現(xiàn)路基與橋梁間的剛度過(guò)渡,在傳統(tǒng)的工法基礎(chǔ)上,采用柔性搭板的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了沉降臺(tái)試驗(yàn),推導(dǎo)出層間距的計(jì)算公式,明確了設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法。俞永華等[5]采用數(shù)值模擬分析對(duì)土工格室在路橋過(guò)渡段的應(yīng)用進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)土工格室與搭板結(jié)合使用能夠有效限制上層土體的沉降,能夠?qū)⒇Q向應(yīng)力向兩側(cè)進(jìn)行分散。張軍等[6]對(duì)土工格柵處理路橋過(guò)渡段進(jìn)行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的對(duì)比分析,得出土工格柵不同參數(shù)下對(duì)路橋差異性沉降的影響變化規(guī)律,土工格柵的層數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)等能夠改善路橋過(guò)渡段的沉降差異。何玉瓊等[7]采用CFG樁對(duì)路橋過(guò)渡段的軟土地基進(jìn)行了加固處理和分析研究,對(duì)比模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出CFG樁能夠?qū)Φ鼗苄詤^(qū)的減少做出貢獻(xiàn),降低地基和路基的沉降效果較好,同時(shí)也對(duì)CFG樁復(fù)合地基的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,為CFG樁在路橋過(guò)渡段的差異性沉降控制方面提供了理論基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)路橋過(guò)渡段沉降的控制,一般會(huì)對(duì)橋臺(tái)后的路基做加固處理,地基也要進(jìn)行加固以便提高承載力。而在路基受到破壞后很難對(duì)其進(jìn)行維修,很多時(shí)候?yàn)闇p小路橋過(guò)渡段的差異性沉降,除了換填強(qiáng)度更高的材料或輕質(zhì)材料外,在設(shè)計(jì)中還會(huì)使用土工材料對(duì)路基進(jìn)行加固處理。其中效果最明顯的一種處治措施是采用橋臺(tái)搭板,橋臺(tái)搭板在短期內(nèi)能夠很好地緩解橋頭跳車現(xiàn)象,但是在長(zhǎng)時(shí)間的車輛荷載作用下會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響,一方面是搭板可能會(huì)疲勞斷裂,另一方面是橋臺(tái)與搭板連接處會(huì)形成拱起,長(zhǎng)時(shí)間作用下會(huì)出現(xiàn)二次跳車現(xiàn)象。以上的措施很多時(shí)候都只能在新建工程中實(shí)施,在運(yùn)營(yíng)中的維修很難實(shí)現(xiàn),對(duì)此,將采用數(shù)值模擬的方式對(duì)路橋過(guò)渡段的沉降進(jìn)行分析,并模擬高壓噴射注漿,模擬已建公路的加固處理。

1 高壓噴射注漿法

高壓噴射注漿法可分為四類,分別為單管法、二重管法、三重管法和多重管法。高壓噴射注漿法是將噴嘴放置在注漿管中,在鉆機(jī)的作用下將注漿管鉆進(jìn)指定深度和位置再將預(yù)制好的漿液經(jīng)高壓設(shè)備噴出,在高壓漿液噴射的過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍的土體進(jìn)行沖擊,同時(shí)鉆機(jī)也隨著漿液的噴射而旋轉(zhuǎn),并逐步從指定深度慢慢旋出。這樣就會(huì)使得管內(nèi)土體與漿液進(jìn)行混合攪拌,等到漿液和土體固化后便會(huì)形成漿土固結(jié)復(fù)合體,從而提高土體的強(qiáng)度,達(dá)到提高整體承載力的目的。

2 工程概況

興國(guó)至泉州高速公路第三標(biāo)段(K12+321.21～K18+554.61)為雙向四車道設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h,標(biāo)準(zhǔn)路基寬度為26 m,自竣工運(yùn)營(yíng)以來(lái)受車輛、天氣等因素的影響,在車行道出現(xiàn)裂縫、不規(guī)則沉降,特別是在路橋過(guò)渡段尤為明顯,在橋梁與路基搭接處的沉陷深度達(dá)到6～16 cm,極大地影響了車輛行駛過(guò)程中的舒適性和安全性,急需對(duì)其進(jìn)行病害治理。

該高速公路呈東西走向,位于山西東部,地形地貌復(fù)雜多變,地質(zhì)勘察顯示該區(qū)域的地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層及沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層及沖洪積層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層、上第三系上新統(tǒng)沖洪積層、石炭系上統(tǒng)、中統(tǒng)及奧陶系中統(tǒng)沉積巖構(gòu)成。該區(qū)域四季分明,降水量較少。

3 建立有限元模型

采用數(shù)值模擬對(duì)該路橋過(guò)渡段進(jìn)行模擬分析,選用對(duì)工程適用性較好的midas GTS NX進(jìn)行建模,midas GTS NX具有模塊化處理能力,能夠?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行模塊化處理,并且內(nèi)置了多種巖土工程適用的本構(gòu)模型,大大減小了工程建模的難度,同時(shí)又能在模型計(jì)算中取得精確的結(jié)果,在工程模擬計(jì)算領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可,因此將采用該軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 基本假定

(1)路基、地基為理想彈塑性模型,采用各向同性的摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

(2)結(jié)構(gòu)物為彈性本構(gòu)模型。

(3)結(jié)構(gòu)物單元與土層單元之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

(4)模型僅考慮重力作用。

3.2 幾何模型

模擬采用三維模型,由于模型為對(duì)稱分布,在建模過(guò)程中采用縱斷面和橫斷面的一半進(jìn)行建模。路基頂面寬度取值13 m,邊坡放坡坡率為1∶1.5,坡腳與地基連接,地基的總寬度為50 m,模型的縱向長(zhǎng)度為43 m。在張宇超[8]的研究中表明與橋臺(tái)距離10～15 m范圍內(nèi)的差異性沉降最大,故縱斷面在距離橋臺(tái)15 m處進(jìn)行分段處理(臺(tái)背填料),采用改變路橋過(guò)渡段模型材料抗剪強(qiáng)度的方式模擬實(shí)際過(guò)渡段中因各種因素導(dǎo)致的路基抗剪強(qiáng)度減小。最終模型尺寸(x×y×z)為43 m×50 m×28 m,如圖1所示。

圖1 有限元模型

3.3 模型參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)地基和橋臺(tái)附近有少量雜填土和廢棄填土,資料顯示該路段地表以下土層較厚且均勻,承載力較好,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和工程資料,對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,最終材料的參數(shù)取值如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

在幾何模型建立完成后,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性賦值。模型采用混合網(wǎng)格模式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分,所有單元的網(wǎng)格密度均為2 m。劃分完成后對(duì)模型施加Z方向上的重力荷載。邊界條件施加為縱斷面中線(Y軸負(fù)方向邊界)的豎向自由,其余兩向固定,模型底側(cè)固定三個(gè)方向的約束,其余邊界均約束水平向,豎向自由。

3.4 車輛荷載

考慮到公路工程的設(shè)計(jì)年限,除材料自身的重力荷載外,還有車輛荷載。根據(jù)規(guī)范和周邊交通情況,對(duì)應(yīng)高速公路,采用公路-Ⅰ級(jí)荷載,經(jīng)計(jì)算最終采用均布荷載的形式施加在路基頂面,基頂荷載為30 kPa。

在建模完成后采用施工階段模塊進(jìn)行模擬運(yùn)行,首先激活地基橋臺(tái)模塊,進(jìn)行初始重力場(chǎng)的平衡,然后進(jìn)行位移歸零處理,再施加路基土和臺(tái)后填料,最后進(jìn)行穩(wěn)定性和變形計(jì)算分析。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 原始路橋過(guò)渡段沉降分析

(1)縱向結(jié)果分析。

取路基頂面的沉降值進(jìn)行分析,以橋臺(tái)位置為沉降曲線的初始位置,得到如圖2所示的路基沉降曲線圖。圖2中差異性沉降曲線是由后沉降點(diǎn)的沉降取值與前沉降點(diǎn)取值的差值。

圖2 路基縱向沉降曲線圖

如圖2所示,橋臺(tái)后面的路基沉降值呈非線性分布,整體呈“勾”形分布,在距離橋臺(tái)18 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。在距離橋臺(tái)8 m范圍內(nèi),路基的沉降值隨橋臺(tái)距離的增大而增大,在距離橋臺(tái)8～18 m范圍內(nèi)路基的沉降隨橋臺(tái)距離的增大而減小,最后保持穩(wěn)定在-4.3 cm。過(guò)渡段的沉降最大值在距橋臺(tái)8 m處,為-9.2 cm。

差異性沉降曲線反映過(guò)渡段路基的坡度差值大小,表征了該區(qū)段內(nèi)坡度值的變化差異性,橋頭跳車的主要原因就是橋頭路基的差異坡差情況,坡差差異越大,橋頭跳車現(xiàn)象越明顯。圖2中差異性沉降曲線呈先減小后增大再減小變化規(guī)律。在距橋臺(tái)10 m范圍內(nèi)呈減小趨勢(shì);在距橋臺(tái)10～15 m范圍呈增大趨勢(shì);在距橋臺(tái)15～20 m范圍內(nèi)呈減小趨勢(shì),最后差值穩(wěn)定基本為零。在距橋臺(tái)8 m處由負(fù)值變?yōu)檎?坡度也存在變相的情況,加上沉降量差值最大處在橋臺(tái)與臺(tái)后填土的交界處,導(dǎo)致在行車過(guò)程中車頭會(huì)先向下隨之再向上抬起,橋頭跳車的現(xiàn)象愈加明顯。

(2)橫向結(jié)果分析。

根據(jù)過(guò)渡段縱向沉降結(jié)果,選擇縱向沉降值最大的斷面(距橋臺(tái)8 m)進(jìn)行橫向分析,得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 路基橫斷面沉降曲線

如圖3所示,橫向上路基的沉降變化曲線,最大值出現(xiàn)在路基中線處,最大值為-6.2 cm。路基的沉降隨距路基中心距離增大而逐漸減小,但增長(zhǎng)幅度不同,在距離橫斷面中線8 m范圍內(nèi)的沉降值雖較大但變化幅度相對(duì)較小,在8～13 m范圍內(nèi)的沉降值變化幅值呈上升趨勢(shì),最小橫向沉降值位于路肩處,為-4.9 cm。總體而言,橫斷面的沉降變化較縱斷面小,總體差異沉降在1.5 cm內(nèi)。

4.2 高壓噴射注漿法處治不均勻沉降

(1)縱向結(jié)果分析。

高壓噴射注漿法通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴射漿液形成樁土固結(jié)體來(lái)提升路基的承載能力,旋轉(zhuǎn)噴射會(huì)形成旋噴樁,其本質(zhì)與復(fù)合地基的處理是一樣的,都是在土體中加入剛度較大的材料形成復(fù)合體共同作用達(dá)到提升承載力的目的。可通過(guò)改變?cè)袠蚝筇钔谅坊膭偠葋?lái)模擬高壓噴射注漿法處理后的沉降情況?？赏ㄟ^(guò)原有模型改變臺(tái)后填料單元的剛度屬性進(jìn)行模擬,改變?cè)袆偠葹楝F(xiàn)有剛度的2～4倍進(jìn)行計(jì)算分析。

如圖4所示,在不同剛度下過(guò)渡段的沉降呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。隨著過(guò)渡段剛度值的增大,過(guò)渡段的沉降最大值在減小,最大沉降量從-9.2 cm依次減小為-6.5 cm、-6 cm和-5.5 cm,最終都穩(wěn)定在-4.3 cm。同時(shí)隨過(guò)渡段剛度的增大,過(guò)渡段沉降的影響范圍也在逐漸減小,如原填料的影響范圍為0～18 m,2倍剛度工況下為0～16 m,4倍剛度工況下為0～14 m范圍,前文所述的路橋過(guò)渡段沉降呈“勾”形的沉降得到一定程度的改善。

圖4 不同剛度路基沉降曲線

對(duì)不同剛度下的路基差異性沉降進(jìn)行分析,差異性沉降計(jì)算方法與前文一致,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同剛度路基差異性沉降曲線

由圖5可知,差異性沉降隨著剛度的增大而逐漸顯小,這意味著縱向的坡差會(huì)得到減小,過(guò)渡段的跳車現(xiàn)象將會(huì)得到緩解,處治措施是有效的。

(2)橫向結(jié)果分析。

對(duì)不同剛度下橫斷面的沉降情況進(jìn)行分析,橫斷面提取數(shù)據(jù)為前文所述不同剛度下縱斷面最大沉降處的橫斷面,得到如圖6所示結(jié)果。

圖6 不同剛度下路基橫斷面沉降曲線

不同剛度下的路基橫斷面沉降曲線在路基中線的沉降量最大,路肩處的最小。但剛度的變化對(duì)橫斷面的沉降影響呈整體性變化,剛度越大,整體的沉降量越小,同時(shí)路肩和路基中心處的差異性沉降越低。

5 結(jié) 論

(1)原始路橋過(guò)渡段的縱向沉降呈“勾”形分布,呈先增大后減小的變化規(guī)律,最大沉降值為-9.2 cm,位于距離橋臺(tái)8 m位置。其差異性沉降呈先減小后增大再減小的變化規(guī)律。

(2)橫向上路基的沉降最大值在路基中線處,為-6.2 cm,最小值位于路肩處,為-4.9 cm,整體沉降小。

(3)隨著剛度的增加,路基縱向和橫向的沉降量均得到了有效的控制?？v向上“勾”形變形得到改善,橫向上整體的沉降值得到了控制。