沿海道路桥梁沉降实时监测研究

关敬文，李丽琳，吴刚刚

(1.广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011；2.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

当前，我国交通运输业飞速发展，道路桥梁建设技术不断进步。沿海地区道路桥梁是广西国民经济发展的重要运输线，由于该地区土质、环境的特殊性，对沿海道路桥梁过渡段路基沉降施工控制的研究尤为迫切。这不止影响到建设阶段的工程施工，更会影响到路桥后期的维护和保养工作。红黏土、淤泥土等特殊灾害性地基填土会带来桥头跳车、差异沉降等问题，这也是当今道路桥梁过渡段施工的核心问题，一般采用沉降控制技术来解决。由于路基强度损伤以及沉降变形会产生重大危害，为提高道路桥梁过渡段行车的安全性及舒适性，迫切需要研究红黏土路基强度损伤以及沉降变形对道路桥梁过渡段的不利影响，从而优化并提出更适宜道路桥梁过渡段的设计和施工参数。因此，对工程竣工后道路桥梁过渡段路基土体强度损伤机理和沉降变形影响因素的研究势在必行，国内学者围绕其施工过程展开一系列研究：

何峰[1]首先分析沉降原理，并提出解决路基路面沉降的施工对策；廖艺[2]则重点介绍沉降给路基路面所带来的不良影响，并针对各中问题进行详细分析，进而提出解决方案；钟丽[3]则以耒宜高速公路进行现场病害调查，并分析其成因，更进一步提出关于路基不均匀沉降对路面影响的计算公式，揭示了路面横向应力分布规律。

本文以南宁吴圩机场第二高速项目其中的平垌2号分离式立交桥为工程背景，首先分析沉降形成的机理，而后提出沉降计算的理论公式，通过观测平垌2号分离式立交桥路段的沉降，将观测结果与理论计算数据作对比，从而揭示其中的沉降规律。

1 沉降形成的原因

路基的工后沉降包括两大部分：地基工后沉降量与路堤工后沉降量[4-7]。差异沉降带来的影响主要有：降低行车舒适性；降低行车速度，影响行车安全；增加养护费用等。根据国内外众多研究和调查，普遍认为路桥过渡段差异沉降来源可归结为以下几方面：

(1)台背填料一般为渗透性材料，空隙率大，在施工中很难将填料颗粒间的空隙完全消除。加上台背填土施工时压路机碾压作业面小、压实机具不易靠近台背等原因，导致台背回填结束后台背的部分填料仍有较大的空隙率，在行车荷载和填料自重作用下，填料产生较大压缩变形。

(2)地基土体(尤其是软黏土)有着压缩性大、固结时间长、孔隙水压力消散速度慢等特性，故而在工程竣工后地基仍在下沉。随着人们对工期要求越来越高，使得路堤自然沉降期缩短，而地基稳定的时间不变，工后沉降量势必增大。

(3)路面排水不畅使得雨水沿路面裂缝和台背连接处的接缝渗入路堤，导致路堤填土被冲刷和侵蚀。加之外部车辆荷载的冲击作用，必然造成桥头路堤沉陷。

(4)桥涵结构物通常由混凝土浇筑而成，具有较大的刚度，而台背路堤和路面属于半刚性或柔性结构。工程竣工后，桥台后地基及填土产生较大的固结变形，而桥台基础基本不发生沉降，在交接处必将出现一定的差异沉降。

(5)通过对运营桥梁的调查发现，设计中对路堤填土高度、桥台基础形式以及加载预压高度的选择，对路桥过渡段的工后差异沉降也有较大影响。

2 理论公式的提出

沉降随时间发展曲线拟合的方法较多，主要有指数曲线和双曲线拟合法，另外，还有泊松曲线拟合以及Asaoka法等，本项目采用Asaoka法对路基试验段进行拟合分析。

对于一维固结问题，Mikasa的固结微分方程采用应变形式表达如下：

(1)

式中：ε(t，z)——竖向应变；

t——时间；

z——排水距离；

Cv——固结系数。

Asaoka认为，以体积应变表示的一维固结方程可近似地用一个以级数形式的微分方程表示：

(2)

式中S为总固结沉降量(包括瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降)；a1，a2，…，an以及b均为取决于固结系数和土层边界条件的常数。Asaoka法基本思想就是利用已有的沉降观测资料求出这些未知数，然后据此参数预估最终沉降。一般情况下，微分方程取第一阶，即n=1就可以满足精度要求。该一阶微分方程写成差分形式：

Sj=β0+β1Sj-1

(3)

利用最小二乘法即可求参数β0、β1。再根据差分方程的递推关系即可逐步递推得到最终沉降预测表达式：

(4)

取j→∞，Sj即为沉降极限值：

(5)

上式中，S∞→∞说明目前观测沉降阶段，沉降并未进入收敛阶段，不宜进行最终沉降量预测；S∞→β0/(1-β1)说明沉降出现收敛情况，适合进行工后沉降预测。

上述方法的求解都是基于等时间间隔的沉降数据预测分析而言，针对实际工程中大量存在的非等时间间隔沉降数据，以上的参数求解方法和递推方法都无法实现，导致Asaoka方法不能直接应用于非等时间间隔沉降数据的分析预测，因此本课题采用非等间隔Asaoka法。

将一阶微分方程写成差分格式如下：

(6)

式中：(tj，Sj)为沉降-时间曲线上的观测点。利用最小二乘法有：

(7)

其中：

在差分方程中，分别采用前向差分和后向差分格式，采用前向差分ΔSj=Sj+1-Sj，α=1；若采用后向差分ΔSj=Sj-Sj-1，α=2。显然不同的差分情况下所得结果并不一样。将所得的参数、近似代替微分方程式中的a1，b，并由一阶微分方程求解可得沉降预测函数表达式：

(8)

j取极限，可得到沉降极限值：

(9)

3 观测仪器及布设方法介绍

为能准确掌握实际依托工程中路基各层的沉降，本项目在施工时预先埋设传感器进行测量。依托工程路基共分为三层，每层分别布置3个传感器，其中包含一个基准控制点和两个测量点，故本项目测量点共布设9个传感器。将传感器安装至预设位置后，利用传输线将其与数据接收设备相连接，其后可通过数据接收设备读取测量控制点的沉降数据，以达到实时监测的目的。

本次测量采用长沙金码高科技实业有限公司的产品，型号为JMYJ-2020静态自动电阻应变仪。该仪器是一种全自动无人值守、20通道静态电阻应变测试的智能仪器，具有测量速度快、精度高、体积小、重量轻、使用简单方便等特点，适用于各种材料及构件的应力、应变多点巡检测量。

4 理论结果与实测数据对比分析

在实际工程中，由于多种因素的影响使得路基工程沉降观测并不严格按照等时间间距进行，而且出现非等时间间距的情况很多。对于这类数据，无法直接使用。

采用Asaoka法处理数据，需要选择观测数据中的等时间间隔数据，如果可用数据点较少，则对预测精度的影响较大。而非等间隔Asaoka法不考虑观测数据的非等时间间隔问题，可以充分利用沉降观测数据。采用前向差分下的工作等间隔Asaoka法的预测结果与实测结果对比见下页表1。

从表1的数据可以看出：沉降观测数据具有非等时间间隔，若采用Asaoka方法，首先要将数据进行等间隔化处理，否则只能利用其中的几组数据进行分析。采用三次样条曲线进行插值处理，时间间隔取Δt=14 d、16 d、18 d，插值后的沉降数据见表1，再由Asaoka法计算过程做出沉降线性拟合图(见图1)。

表1 实测沉降数据与预测值对比表

(a)

(b)

(c)

(d)

由表1和图1可以看出，对数据采集系统的4个采集通道下的数据经过前向差分下的非等间隔Asaoka法进行处理，其预测沉降曲线与实际沉降曲线比较吻合，相关系数为0.994，拟合程度较好。同时可以看出预测值比实测值偏小，其原因是Asaoka法的微分方程只取到一阶，高阶部分忽略不计，此时与实验相对应的是忽略了次固结沉降量等较为次要的沉降量，最终导致误差的存在。

5 结语

广西沿海地区广泛分布着红黏土和淤泥质土等特殊灾害性土体，为路桥过渡段的路基施工带来了有别于普通土壤的各种难题。道路与桥梁过渡段的施工质量非常重要，直接导致现桥头跳车现象以及其他质量问题的产生。

为掌握特殊灾害性土体在施工后的沉降规律，本项目首先阐述路桥过渡段路基产生不均匀沉降的原因，并提出沉降理论计算公式，进而通过已经取得的相关参数及监测数据印证所提出的理论公式，揭示差异沉降规律。对数据采集系统的4个采集通道下的数据经过前向差分下的非等间隔Asaoka法进行处理，其预测沉降曲线与实际沉降曲线比较吻合，相关系数为0.994，拟合程度较好。

本文得出广西沿海地质条件情况下的沉降与时间的关系曲线，阐明广西沿海特殊条件下的差异沉降机理，为选出理想的降低路桥沉降差的设计方案提供理论依据。旨在确保道路与桥梁的施工质量和使用功能，并尽可能减少路桥过渡段的差异沉降，降低桥头跳车等问题的发生，减少生命财产损失。

[1]何 锋.道路桥梁沉降段路基路面施工对策[J].交通世界，2017(24)：106-107.

[2]廖 艺.试析道路桥梁沉降段路基路面施工技术要点[J].技术与市场，2015，22(8)：105-106.

[3]钟 丽.高速公路路基沉降计算及不均匀沉降对路面结构影响研究[D].长沙：中南大学，2012.

[4]隋耀华，王晓峰，王桂尧.桥头跳车产生原因及防治措施研究[J].湖南交通科技，2003，29(1)：71-73.

[5]付宏渊.土工格网处理桥头跳车设计的现场试验分析[J].中外公路，2001，21(4)：64-66.

[6]程翔云.桥头跳车防治综述[J].公路，1997(12)：1-5.

[7]旷开萃.高等级公路桥头跳车的综合研究和分析[D].上海：同济大学，2003.