寒区路桥过渡段在地下水作用下的沉降分析

（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

在多年冻土地区，路桥过渡段除了存在路桥纵向差异沉降以外，还有冻土地区工程特有的问题。根据调查数据[1]，青藏铁路路桥过渡段沉降病害非常普遍，究其影响因素，主要有阴阳坡、多年冻土类型、地温、环境变异等。王进昌等[2]通过综合分析得出，地表水或冻结层上水水热侵蚀，引起人为多年冻土上限下降。阴琪翔等[3-4]基于过渡段相变传热模型，对温度场进行了分析与预测，并定量研究路基高度和冻土类型对过渡段长期热稳定性的影响。沈宇鹏等[5]基于现场地温、冻胀变形和沉降变形的试验数据，揭示寒区高速铁路路桥过渡段的地温与变形特征，从而评价路桥过渡段的稳定性状况。

多年冻土区地下水具有矿化度较高、储量变化大、水温低及显著的动态变化特点，温度一般高于0℃，可带走多年冻土中的一部分冷量，导致相邻一定范围内的冻土层升温甚至融化，进而影响路桥过渡段的沉降特性。为了分析地下水对路桥过渡段的沉降特性的影响，本文通过室内模型试验方法，以热源模拟地下水，观测其周边地温的变化及对沉降的影响。

1 路桥过渡段模型试验

1.1 过渡段模型制作

依据相似性理论，制作过渡段试验模型，基础采用钢管桩，承台采用钢筋混凝土。钢管为外径32.9mm、壁厚3.8mm、高度230mm的空心圆柱状结构；承台钢筋骨架采用Ф6型圆钢，将其与钢管桩焊接在一起，再浇筑承台混凝土。

过渡段模型箱尺寸长30cm×宽28cm×高38cm，用厚度为2mm的钢板焊接而成。桩底以下土层厚度为8cm，填料为黄土，拌合时含水率控制在20%，充分拌合后分层击实直至承台底标高处，累计厚度为28cm。之后进行台背回填，以级配碎石作为过渡段路基填料，含水率按3%控制，拌合均匀后分层击实，累加厚度为10cm。另外，填筑过程中，在桩底以下5cm标高处埋设热源，以模拟地下水的影响区域。

1.2 热源构造

热源电阻为600Ω，与电阻为0～2000Ω滑动变阻器串联，最后连接在调压范围为0～250V的接触调压器TDGC2-2000上，三者共同对发热量进行控制。在热源周边不同距离埋设温度传感器，用以测出热源影响下的温度分布。

1.3 试验装置

试验加载装置采用MTS-810 材料试验机，竖向位移使用GHSI750-4-20mA位移传感器采集，试验地温设定为-1.2℃，采用DW-40低温试验箱对土体进行冻结。

2 荷载工况及试验结果

本试验旨在分析桩底以下一定距离有地下水时对路桥过渡段沉降特性的影响，设定无地下水和有地下水两种工况进行试验。

2.1 地下水热源的温度效果

在模拟地下水工况时，将6个热源全部接通，通过反复的调压及温度监控，将调压器的输出电压设定为95V时，热源周边的土体温度接近实际地下水的温度。经过4～5h，温度场达到平衡，热源附近地温为0.6℃，距离热源8～10cm处地温为－1.2℃。

2.2 沉降结果

在无地下水和有地下水两种工况下分别加载60kPa，桥台和路基的沉降曲线如图1所示。在加载初期，沉降发展较快，达到稳定时累计沉降量最大。桩底无地下水时，经历10～11小时，桥台和路基的沉降均趋于稳定。桩底有地下水时，约17.5h之后路基沉降达到稳定，经过约19h桥台达到稳定，二者的沉降量都比较大；与无地下水时相比，桥台的最大沉降量增大0.80mm，路基增大0.44mm。无地下水时，路基的沉降量大于桥台；有地下水时，加载初期路基发生较大的瞬时沉降，随着时间的推移，桥台的沉降越来越大，最大沉降差为-0.31mm。

图1 有、无地下水的沉降曲线

在地下水影响区域内，地基土和桩基的性能均受到影响，土层的弹性模量减小，路基土的承载能力降低，总沉降量增大；桩端土体承载力降低，同时桩周冻结力发生重分布，产生较大的桩顶位移。由于钢管桩具有更好的导热性能，从而比路基产生更大的沉降。因此，在多年冻土地区，随着水文条件的变迁，新的地下水会影响既有工程的运营，不光对路桥过渡段的差异沉降有影响，对桩基和路基也存在很大的影响。

3 结论

本文通过室内模型试验方法，以黄土模拟多年冻土，以级配碎石模拟过渡段路基填料，以热源模拟地下水，分析地下水对多年冻土区路桥过渡段沉降特性的影响，得出以下结论：在热源作用下，亦即有地下水时，桥台和路基的沉降都增大，桥台最大沉降量增大0.80mm，路基增大0.44mm，说明在冻土地区地下温度变化时，钢管桩比路基更敏感。