降雨條件下路橋過渡段不均勻變形研究

作者簡介：黃永旺（1984—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

針對降雨條件下公路橋梁過渡段路基的不均勻變形沉降問題，文章基于Midas有限元軟件，研究了路橋過渡段沿線路方向在自重及4種降雨條件下的變形情況，比較分析了過渡段及路基段的不均勻性。研究結(jié)果表明：（1）路基某點的變形量由該點自身變形和其下方路基的變形累積兩部分組成；（2）模型在自重及4種降雨條件下，沿線路方向的變形在不斷變大，且過渡段路基的變形量要遠大于路基段地基的變形量，過渡段不均勻系數(shù)約為路基段不均勻系數(shù)的3倍，說明過渡段的變形更不均勻；（3）降雨條件下的路基變形不但與降雨量有關(guān)，與降雨情況也有關(guān)，最大入滲深度為最小入滲深度的3.5倍。

路橋過渡段；Midas軟件；降雨條件；不均勻變形

U416.1A080284

0?引言

21世紀以來，我國交通運輸不斷發(fā)展，經(jīng)濟也隨之提高，交通運輸可以增強經(jīng)濟體系的開放性，良好的交通條件可以加速區(qū)域內(nèi)部經(jīng)濟循環(huán)，保證經(jīng)濟發(fā)展。路橋過渡段作為交通建設(shè)中的特殊結(jié)構(gòu)，是道路與橋梁連接的關(guān)鍵［1］，針對其不均勻沉降的控制對其施工技術(shù)及病害的研究尤為重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對路橋過渡段取得了豐富的研究成果，劉曉娟［2］介紹了路基不均勻沉降的危害，強調(diào)了道路施工質(zhì)量的重要性，分析了不均勻沉降的原因；賈亞楠［3］總結(jié)了路橋過渡段常見病害，并提出了相應(yīng)的處置措施；吳可添［4］闡述了過渡段軟基的處置方法，并監(jiān)測過渡段的沉降變形，驗證處置方法的可行性；常文浩等［5］研究了凍脹作用對過渡段的凍脹變形，融解時的沉降變形，說明了外界環(huán)境對過渡段的不均勻變形的影響；薛鵬等［6］基于ANSYS軟件分析了CFG樁對過渡段不均勻沉降的影響；韋春艷［7］基于ABAQUS軟件分析了CFG樁的相關(guān)參數(shù)對過渡段不均勻變形的影響；陳藝偉［8］分析了過渡段不均勻沉降的原因，并提出了對橋頭搭板的寬度及長度設(shè)置、加筋土路基的預(yù)防措施；吳毅翔［9］介紹了路橋過渡段典型病害：橋臺跳車，并分析病害產(chǎn)生的原因。綜上所述，路橋過渡段中路基段和橋梁所用材料不同，膨脹率、彈性模量等均不同，故在同一環(huán)境下變形有所不同，在不同環(huán)境中的變形也有所差異；降雨作為常見的自然現(xiàn)象，公路橋梁過渡遇水膨脹率有所差異，雨水會影響地基及路基的變形；若對過渡段的不均勻變形的預(yù)防處置不到位，會出現(xiàn)跳車現(xiàn)象，影響行車舒適性，造成司乘人員的恐慌，縮短項目使用年限。由此可見，針對路橋過渡段的不均勻變形的研究具有很大的實用價值。

鑒于此，為避免某高速公路路橋過渡段橋頭跳車等病害發(fā)生，本文基于Midas Civil有限元軟件，研究了路橋過渡段沿線路方向在自重及4種降雨條件下的變形情況，討論了雨水入滲深度不同的影響因素，比較了過渡段及路基段的不均勻性。

1?室內(nèi)試驗分析

對某高速公路路橋過渡段路基探洞取樣，并根據(jù)土體空間位置及土質(zhì)進行分組，土樣1為基床表層土體，土樣2為基床底層土體，土樣3為路堤填土土體，土樣4為地基土體；開展液塑限試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

為探究過渡段在降雨條件下的變形情況，需研究試樣吸水后的膨脹率，對4種土樣進行自由膨脹率試驗及有荷膨脹率試驗。有荷膨脹率試驗中，為模擬試樣上方覆蓋土體的特征，在試樣上方施加50 kPa的豎向荷載，自由膨脹率及有荷膨脹率試驗結(jié)果如表2所示。

由表可知，過渡段土體自由膨脹率＜40%，故該土樣只具有微膨脹性；有荷情況下，膨脹率最大為0.008%，最小為0.005%，說明荷載對土體膨脹有較大影響，判斷該土體為微膨脹土。

不同含水率條件下的土體膨脹也有所差異，制備含水率為10%、15%、20%、25%的4種試樣，開展不同荷載條件下的三軸壓縮試驗，繪制4種試樣膨脹量變化曲線如圖1所示。

圖1?不同含水率試樣膨脹變化曲線圖

由圖1可知，隨著含水率的增加，膨脹量在不斷變大，隨著荷載的增加，膨脹量在不斷變小；無荷變有荷時，膨脹量降低幅度最大；無荷條件下，試樣膨脹量曲線斜率最大，含水率25%的試樣增加了468.8%。

2?數(shù)值模型的建立

為研究過渡段在降雨條件下的不均勻變形，以某高速公路路橋過渡段為研究背景，基于Midas Civil軟件建立公路路橋過渡段降雨-滲流有限元模型，模型長度為100 m，高度為80 m，過渡段為底寬10 m、頂寬25 m、坡度為1∶2.5的倒梯形，采用直徑為0.5 m、高為25 m的CFG樁進行加固，距橋臺0～25 m樁間距為1.5 m，25～100 m設(shè)置為2 m，如圖2所示。

根據(jù)我國氣象部門對降雨強度的劃分及當(dāng)?shù)夭煌竟?jié)降雨量的調(diào)查，降雨強度用地表平面流量表示，不同降雨類型的降雨強度如表4所示。

根據(jù)降雨資料發(fā)現(xiàn)不同降雨情況，降雨強度是不斷變化的，當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r可分為以下4種工況：工況1，小雨持續(xù)24 h；工況2，中雨持續(xù)6 h，小雨再持續(xù)18 h；工況3，大雨持續(xù)3 h，中雨持續(xù)5 h，小雨再持續(xù)10 h；工況4，暴雨持續(xù)1 h，大雨持續(xù)1 h，中雨持續(xù)2 h，小雨持續(xù)8 h。

3?數(shù)值模型結(jié)果分析

3.1?自重條件下變形分析

在自重作用下，路基沉降量沿線路方向的變化如圖3所示。

由圖3可知，過渡段路基沉降隨著距橋臺的距離的增加，沉降量在不斷的變大，路基段的沉降量也呈上升趨勢，較過渡段上升幅度在不斷變小，最后穩(wěn)定在1.47 mm，說明越靠近倒梯形過渡段，地基的沉降越不均勻。

距離橋臺20 m、80 m兩處，自重條件下，路基沉降變形隨深度的變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著深度的增加，沉降量在不斷減小，每一深度處的沉降量由該點自重導(dǎo)致的沉降量與下方沉降量的累積兩部分組成；距離橋臺80 m的變化曲線斜率大于距離橋臺20 m的變化曲線，即路基段沉降量隨深度變化曲線斜率大于過渡段沉降量隨深度變化曲線。

3.2?降雨條件下變形分析

在4種降雨工況條件下，路基會發(fā)生膨脹。路基膨脹變形沿線路方向變化如下頁圖5所示。

由圖5可知，工況1條件下，膨脹量隨距離的增大在不斷變大，4條膨脹量變化曲線趨勢基本一致，6 h曲線前10 m基本穩(wěn)定在0.2 mm，隨著距離的變大，25 m時的膨脹量變大到了0.99 mm，膨脹量增幅為0.79 mm，隨后的曲線斜率很小，膨脹量基本不變，100 m時的膨脹量變大到1.1 mm，膨脹量增幅為0.11 mm；12 h曲線前10 m基本穩(wěn)定在0.34 mm，隨著距離的變大，25 m時的膨脹量變大到了1.64 mm，膨脹量增幅為1.3 mm，隨后的曲線斜率很小，膨脹量基本不變，100 m時的膨脹量變大到1.9 mm，膨脹量增幅為0.26 mm；18 h曲線前10 m基本穩(wěn)定在0.65 mm，隨著距離的變大，25 m時的膨脹量變大到了3.1 mm，膨脹量增幅為2.45 mm，隨后的曲線斜率很小，膨脹量基本不變，100 m時的膨脹量變大到3.7 mm，膨脹量增幅為0.6 mm；24 h曲線前10 m基本穩(wěn)定在1 mm，隨著距離的變大，25 m時的膨脹量變大到了4.9 mm，膨脹量增幅為3.9 mm，隨后的曲線斜率很小，膨脹量基本不變，100 m時的膨脹量變大到5.6 mm，膨脹量增幅為0.7 mm。工況2、工況3及工況4的變化趨勢類似。由此可知，4種降雨工況條件下，過渡段的膨脹量增幅遠大于路基段，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

定義不均勻系數(shù)i如式（1）所示：

4種降雨工況條件下，過渡段及路基段的不均勻情況如圖6所示。

由圖6可知，過渡段的不均勻系數(shù)遠大于路基段的不均勻系數(shù)，說明4種降雨工況條件下，變形主要發(fā)生在過渡段，因此需要對過渡段地基進行加固，預(yù)防不均勻變形和病害。

為研究4種降雨工況條件下，降雨的入滲深度及沿深度方向的變形情況，繪制了相應(yīng)的膨脹量變化曲線，如圖7所示。

[HJ1.25mm]

圖7?降雨條件下深度方向膨脹變形曲線圖

由圖7可知，工況2的降雨量為12 mm，入滲深度最大為3.6 m；工況1的降雨量為15 mm，入滲深度為0.8 m；工況3的降雨量為16 mm，入滲深度為0.9 m，工況4的降雨量為12 mm，入滲深度為0.8 m。這說明入滲深度不但與降雨量存在一定關(guān)系，與降雨情況也有關(guān)。

4?結(jié)語

基于Midas Civil軟件，研究了路橋過渡段沿線路方向在自重及4種降雨條件下的變形情況，比較了過渡段及路基段的不均勻性，得到如下主要結(jié)論：

（1）模型在自重條件下，最終沉降量穩(wěn)定在1.47 mm，沿線路方向路基沉降量在不斷增加，過渡段路基的沉降量增幅及變形曲線斜率均大于路基段，說明自重條件下，過渡段的路基不均勻變形較為明顯。

（2）模型在4種降雨條件下，沿線路方向路基膨脹量在不斷增加，過渡段膨脹量增幅遠大于路基段膨脹量增幅，說明了過渡段的路基不均勻變形較為明顯。

（3）4種降雨工況條件下，工況1及工況4的入滲深度最小為0.8 m，工況2的入滲深度最大為3.6 m，最大入滲深度是最小入滲深度的3.5倍，說明雨水的入滲深度不但與降雨量有關(guān)，與降雨情況也相關(guān)。

（4）數(shù)值計算結(jié)果顯示，過渡段路基變形的不均勻性要遠大于路基段路基變形，因此需要對過渡段地基進行加固，預(yù)防病害的發(fā)生。

參考文獻

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