软土地基桥头跳车的新型解决方案

李凤阳 （中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉430063）

1 引言

随着国民经济的飞速发展，人民群众对于出行要求提升到新的高度，不再是满足基本的出行要求，而是要求出行速度快、平稳以及安全性能高[1]。在高速行驶过程中，路面结构的平整决定了人-车-桥耦合环境下的稳定性，路面的不均匀沉降以及刚度差异较大处的差异沉降均会影响路面结构的平稳，致使桥头跳车问题的出现。差异沉降越大，桥头跳车现象越严重，使得车内人员瞬态抬升，影响驾驶员的正常操作以及方向偏移，增大了桥面行驶过程的危险程度[2，3]。因此，解决桥头跳车成为了公路桥梁设计人员所必须面临的问题。

从上世纪九十年代开始，现浇泡沫混凝土开始在我国的建筑工程回填及岩土工程回填开始应用，成为我国的第三大应用领域[4]。由于其流动性较好，在建筑补偿地基填充、公路路基回填、岩土工程隧道回填等领域也逐渐出现泡沫混凝土的应用方案。随着泡沫混凝土应用的越来越多，与之关联的各类科研院所、生产厂家也越来越多，截止目前，国内关于泡沫混凝土的企业达到了1000余家，全年总产量超过了4000万立方米，不管是企业数目还是产量，均位居世界第一，中国泡沫混凝土的用量直接推动了这一新型建筑材料的兴起[5,6]。

文章基于珠海西部中心城区基础设施建设项目II-1标段工程，从应力补偿原理角度出发，探究采用新型泡沫混凝土路堤作为连接桥梁与软土地基的介质，其沉降特性以及对于桥头跳车现象的缓解行为，并根据其沉降特性探索桥台优化形式，为之后处理桥梁工程中的桥头跳车问题提供技术参考。

2 工程概况

文章依托的工程为珠海西部中心城区基础设施建设项目II-1标段工程，其土层特性具体表现为天然含水量高，孔隙比大，强度低，固结时间短。在进行软土地基前期处理时，采用塑料排水板与真空堆载预压法联合处理。文章以该标段中的桥台断面为研究对象，其桥台结构形式如图1所示，泡沫混凝土位于台背回填处。文章通过有限元软件ABAQUS建立路基与桥背连接处二维平面应变模型，基于应力补偿原理探究在不同回填材料作用下，桥头软土地基处的沉降特性。

在软土地基上搭建桥梁需要考虑桥头跳车的危害，桥梁桥台及主梁作为刚性结构，在较长时间的行车荷载之下，其沉降微弱，相对于路面沉降，数量级可忽略不计。对于软土地基，在行车荷载之下，其沉降特征不稳定。若采用传统的填土路堤，在静载情况下，由于刚度效应与重度效应的双重作用，对软土地基的附加应力会增加。在动载情况之下，由于填土路堤自立性较差，土骨架承载能力有限，会出现不均匀沉降。在传统的路面结构养护措施中，常采用在不均匀沉降处进行沥青结构的补偿浇筑方法，虽然能够保证短期内路面结构平整，但从路面养护工程灾害统计数据中较常见的是，不均匀沉降发生的位置总是不尽相同，从应力补偿原理的角度进行解释，在不均匀沉降处进行沥青结构的补偿浇筑增加了软土地基的附加应力，而行车荷载发生处又较为固定。因此对于不均匀沉降处下方的软土而言，其承载压力或超过其承受能力，易转变为超固结状态，出现较大变形，对于软土地基的路面稳定性造成难以预测的危害，使得路基结构剪切变形过大产生失稳破坏，同时在与桥梁搭建处，更易出现桥头跳车现象，危害行车安全。

图1 与泡沫混凝土相连的桥台结构形式

3 泡沫混凝土路堤有限元模型

为了探究软土地基桥头跳车新型解决措施的有效性，文章建立了传统路面路堤以及新型泡沫混凝土路堤的二维平面应变模型。在建立模型之前，为与实际情况相符，还搭建了软土地基先期堆载预压模型，将先期堆载预压后的软土地基应力场导出，作为路堤模型的初始应力场。通过ABAQUS有限元软件中的生死单元，对路堤的分级填筑进行模拟，通过对比每一级填筑下的模拟数据与实测数据，对有限元模型进行修正，以获得更接近实际情况的路堤沉降特性。

各土层特性参数如表所示，路堤二维平面应变模型示意图如图2所示。其中地基土采用四节点平面应变孔压单元，上部路堤采用四节点平面应变单元，边界条件则是将地基上部设为自由边界，地基左右两侧竖向自由，水平约束，模型底部则采用水平与竖向双向固定。路堤下部有0.5m厚的砂垫层，可作为模型的排水边界，地下水位为砂垫层的底面处。对于材料本构，淤泥质粉质土和粉质黏土采用修正的剑桥模型，砂垫层与砂采用摩尔库伦塑性模型，路堤填料采用弹性模型。

图2 路堤二维平面应变有限元模型

在进行加载固结分析步时，采用的是瞬态固结孔隙流体响应。由于是超软土地基，在堆载过程中可能出现大变形，因此将几何非线性选项打开，设置每载荷步最大孔隙压力变化值为5 kPa。

4 路堤沉降特性分析

图3所示是软土地基在卸载稳定之后进行不同路堤材料的填筑，其中每一级填筑时间为两天，固结时间为3天，最后一级填筑之后固结时间为30天，图3(a)所示是指三种填筑路堤的地表沉降情况，图3(b)所示是指三种填筑路堤的基底压力情况。

图3 路堤沉降特性

从图中可以看到，泡沫混凝土路堤、填土路堤、宕渣路堤作用下地基沉降最大值为0.352m、1.008m、1.148m，沉降最值点发生在路堤中线处附近，从趋势图中可以发现，泡沫混凝土路堤作用下地基呈现整体沉降式，与填土路堤和宕渣路堤沉降形式不同，填土路堤与宕渣路堤则呈现路面尺寸范围下沉降较大，随着斜坡的过渡，沉降逐渐减小，这一沉降形式对于坡脚处稳定性控制提出了较大难度，而采用泡沫混凝土路堤则能较好的控制坡脚处的稳定性。从图3中可以看出，泡沫混凝土路堤、填土路堤、宕渣路堤作用下的路堤中线处基底压力最值分别是40.1 kPa、107.6 kPa、112.5 kPa，基底压力分布形式与地表沉降形式类似。可以看出，不管是在地表沉降还是基底压力方面，泡沫混凝土路堤均较填土路堤与宕渣路堤呈现较高优越性。

各土层特性参数一览表

5 结论

文章基于珠海西部中心城区基础设施建设项目II-1标段工程探究了泡沫混凝土作为轻质路堤处理深层软土地基处理方案的有效性，对比了泡沫混凝土路堤、填土路堤以及宕渣路堤的沉降模拟情况，从地表沉降以及基底压力可以发现，利用泡沫混凝土做路堤可以减轻路堤自重，减少沉降量，提高路堤稳定性，模拟结果可为类似工程提供技术参考。