低改高高速公路路桥过渡段加宽沉降规律

李友云，安钢，谢继登，赵秀艳，何敏

1. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114； 2. 保利长大工程有限公司，广东 广州 510000；3.中国建设第五工程局有限公司 第三建设有限公司，湖南 长沙 410000

0 引言

高速公路路桥过渡段中的结构物与过渡段路基存在明显差异沉降，引起桥头跳车，降低了行车的安全性及舒适性，增加道路养护成本。差异沉降改变了车辆通过路桥过渡段时的动力学特性，跳车产生的冲击荷载将加大差异沉降，加速桥头结构物的损坏，造成桥台结构裂缝、搭板断裂、桩台变位、路面车辙等病害[1-5]。

近年来诸多研究者探讨路桥过渡段的沉降规律。吴江龙[6]分析高速公路路桥过渡段常见病害类型，探讨其产生的原因，提出改善措施。俞永华等[7]应用MARC软件，建立路桥过渡段差异沉降的三维计算模型，研究表明：土工格室复合体限制了周围土体的侧向变形，减小了路堤本身的压缩变形。沈宇鹏等[8]建立七自由度车辆模型和过渡段三维动力学模型，分析提出搭板的优化设计参数。袁前胜等[9]通过有限元分析，证明路桥过渡段最大沉降随高度增加而增大。当桥墩台北回填过渡段原地面坡比从1∶3增加到1∶6时，沉降有所增大。谷世平等[10]深入分析工程地质情况，系统总结桥头跳车的原因。袁腾文[11]通过调查路桥过渡段存在的主要病害及其造成的危害，详述在典型工程项目中的应用效果。李智峰[12]应用Abaqus有限元软件建立三维路桥过渡段计算模型，研究一定差异沉降下搭板最大垂直变形的指数表达式，分析搭板性能参数与最大垂直变形和路桥过渡段差异沉降的关系。万仁新[13]分析路桥过渡段不均匀沉降产生的原因，探讨路桥过渡段施工质量控制措施。王楚发等[14-16]以理论分析和数值计算为研究手段，系统地分析软弱土地段高速铁路路桥过渡段的沉降规律，提出相应的地基处理方法。马国栋等[17-19]理论分析了路基拓宽工程中常见病害及其成因机理，采用ANSYS数值仿真拓宽路基产生的不均匀沉降，分析新老路基不均匀沉降的规律特点。蒋关鲁等[20-22]建立交变温度环境中的活动层，通过地下水热效应及渗流效应模拟设备观测坡脚积水和地下水对路桥过渡段差异性沉降的影响。

低改高新老路基差异沉降对路桥过渡段影响的研究较少[23-25]，加之施工现场较复杂，观测原件经常遭到破坏，无法准确获得沉降变形数据。本文通过Abaqus有限元软件分析预测在交通荷载作用下低改高高速公路路桥的路基差异沉降对路桥过渡段的影响，分析在填土完成和运营期间的位移、应力变化，以期为设计及施工提供依据。

1 工程概况

莲株高速(二级公路，原莲易公路)改建为高速公路项目工程起于醴陵莲花冲，止于株洲市红旗立交东，全长50.4 km。全线共设置桥梁27座，桥涵结构物较多，为保证低改高公路路桥过渡段的长期稳定，需加强新旧路基搭接、路基与桥涵结构物的过渡，避免纵横向差异沉降过大。

本文选取K1093+620—K1093+900的15号桥为研究背景，桥面双向4车道，采用高速公路标准，路基宽24.5 m，设计填土高6 m。

2 有限元模拟计算分析

2.1 有限元模拟原理

土体在外部荷载下应力应变表现出非线性、各向异性、弹塑性等特征，各国学者研究提出多种本构关系以表征土体的应力变形特征。库伦于1773年提出Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，其Mohr-Coulomb破坏准则认为当土体某平面上的剪应力达到某一限值，将引起屈服，剪应力的准则方程为：

τn=f(c,φ,σn)，

式中：c为土体黏聚力，φ为土体内摩擦角，σn为屈服面上的正应力。

屈服条件为：

τn=c+σntanφ。

Mohr-Coulomb准则在π平面上的屈服曲线是一个封闭的非正六边形。Mohr-Coulomb准则反映材料抗拉与抗压强度的差异，对静水压力具敏感性，模型所需参数较少，通过输入φ、c、弹性模量E、泊松比μ、密度ρ、膨胀角等定义土体属性。

对混凝土材料采用理想线弹性本构关系，其表达式为：

σ=Dεe，εe=D-1σ，

本文的模拟计算中，地基土、旧路填土、新路基填土采用Mohr-Coulomb模型，屈服准则为Mohr-Coulomb准则；桩体、桥台、搭板、路面结构层、台背回填料选用理想线弹性本构模型，屈服准则为Von-Mises准则。

2.2 模型基本假定

1)地基与旧路基固结已完成，初始应力由地基及旧路基荷载提供，提供生死单元的方式模拟加宽路基、桥台结构的填筑;2)将承台侧搭板的边界条件进行绑定约束，其余3条边则按自由边考虑;3)车辆荷载等效简化为10 kPa均布面荷载[12-13];4)假定土体材料及桩上接触处不承受拉力;5)将路面结构简化为一层，满足均匀性假设。

2.3 模型参数

莲株高速公路升级改造工程中的地质勘测资料和文献[9]提供Abaqus模拟分析时所需各材料力学参数，如表1所示。根据土体中水的质量分数不同时的土体力学参数，结合路基湿度场分析结果给出新路基各层位材料参数，见表2～7。

表1 新路基各层位材料参数

表2 新路基93区填料使用后的力学特性参数

表3 新路基94区填料使用后的力学特性参数

表4 新路基96区填料使用后的力学特性参数

表5 换填至96区旧路侧96区填料使用后的力学特性参数

表6 换填至94区旧路侧96区填料使用后的力学特性参数

表7 换填至94区旧路侧94区填料使用后的力学特性参数

2.4 模型建立

将K1093+620—K1093+900的15号桥选为路桥过渡段，根据设计参数建立模型如图1所示。

a)路基纵断面 b)路基横断面图1 路基模型示意图

模型计算主要有3个阶段：第1阶段为地应力平衡，模拟地基、旧路基及桥台部分在自重荷载下的平衡状态；第2阶段为模拟路基、路面填筑；第3阶段为通过施加均布荷载实现模拟通车运营阶段行车荷载作用，本模型工后运营时间为15 a。

分析步中涉及生死单元，在新路基未填筑之前进行地应力平衡，此时新路基及路面部分为杀死状态。在相对应的分析步中回填相应层位，激活这一区域并激活所涉及接触和荷载。

2.5 Abaqus模型分析前处理定义

1)边界条件

在Load模块中定义边界条件。根据路基和桥台部分在实际工况下的受力与约束状态，模型中设置的边界条件为：模型地基底部施加全约束(水平位移和垂直位移都为0)，模型顶部为自由面，其余部分施加水平约束，只考虑上部填土引起的应力、位移变化。

2)接触条件

在Abaqus中接触分析需定义一对接触面，并指定主控表面和从属表面，主控面上的节点可浸入从属面，主控面应为接触面中刚度较大或网格较粗的面。本模型涉及的接触主要有桩侧桩周土与桩基接触面、台身与台后填土接触面、承台与承台周围土体接触面和搭板与搭板周围沥青混凝土接触面。

接触切向行为的摩擦公式采用罚摩擦公式，允许黏性接触面间发生微小的相对滑动，其中桩土间摩擦系数为0.35，承台、台身与土体间摩擦系数为0.35。法向行为的压力过盈采用“硬”接触。桩体底面与土体进行绑定约束。

3)网格划分

在有限元模拟计算中，划分几何模型网格的单元形状、类型、数量将对计算结果产生较大影响。为使各结构网格划分既满足工程模拟精度，又节约计算成本，将结构物与其周围土体处网格密度适当增大，距计算区域较远处网格密度适当减小，更好地反映结构物与土体的相互作用，减少内存占用，提高运算速度。

本模型中，地基及路基采用六面体单元、结构划分、减缩积分及沙漏控制，网格类型为C3D8R，土体部分全局网格划分尺寸为1.5，靠近结构物部分网格密度适当增加。台身采用六面体单元、结构划分，桩基础采用中性轴算法，自由划分，非协调模式，网格类型为C3D8I，全局网格划分尺寸为0.5，如图2所示。

a)台身 b) 地基及路基图2 台身和地基、路基三维模型

3 计算结果分析

3.1 过渡段横向沉降位移分析

对低改高公路工程路桥过渡段加宽，分析过渡段横断面加宽后的变形规律，所选横断面距台背距离z分别为-4、-13、-20 m，具体分析距台背不同距离下过渡段横断面竖向位移变化情况。

1)竖向位移

距台背4 m处(z=-4 m)道路横断面沉降云图如图3所示(图中单位为mm)，各横断面地基表面及路基顶面竖向位移曲线如图4、5所示。

图3 z=-4 m处路堤横断面竖向位移云图

a)不同横断面地基表面沉降 b)z=-13 m不同运营时间地基表面沉降图4 地基表面沉降曲线

a)不同横断面路基表面沉降 b)z=-13 m不同运营时间路基表面沉降图5 路基顶面沉降曲线

由图3～5可知：地基表面竖向位移整体趋近于“盆”形，旧路基沉降较小，道路中线附近沉降开始快速增大，在新路肩左侧z=33 m处出现最大沉降。横断面距台背越远，沉降整体越大，但沉降横向分布基本一致。由图4b)可知：运营后新旧地基沉降均有所增加，但拓宽侧沉降增加更为明显，填筑完成时地基表面最大沉降为4.1 cm，运营2 a后增至5.9 cm，运营15 a最大沉降为6.9 cm，地基横向差异沉降达到6.0 cm。运营2 a内生成的沉降占工后总沉降的64%。由图5b)可知：运营后路面沉降均有所增加，但拓宽侧沉降增加更为明显。填筑完成时路基表面最大沉降为4.2 cm，运营2 a后增至6.1 cm，运营15 a最大沉降为7.2 cm。工后沉降主要集中在运营2 a内生成，运营5 a后路面沉降基本不再增加。

2)水平位移

道路x方向水平位移云图如图6所示(图中单位为mm)，路基顶面拼接处、旧路下方地基及坡脚的下方土体有明显x方向水平位移，地基及路面表面x方向水平位移曲线如图7、8。

图6 道路x方向水平位移云图

由图7可知：在加宽路基荷载及沉降作用下，下部地基从横断面最大沉降处(z=33 m)向两侧挤压，使地基产生相反的水平位移，形心左侧地基向旧路坡脚方向流动，形心右侧向新路坡脚流动，横断面方向地基沿y方向的最大水平位移位于地基8 m深度处。

a)不同横断面地基表面x向水平位移 b)z=-13 m不同运营时间地基表面x向水平位移图7 地基表面x方向附加水平位移曲线

由图8b)可知：填筑完成时，路基拼接处最大水平位移为5.0 mm，运营2 a后为8.5 mm，运营15 a后为9.6 mm，路面水平位移的产生依赖于路基沉降。

a)不同横断面路面表面x向水平位移 b)z=-13 m不同运营时间路面表面x向水平位移图8 路面表面x方向附加水平位移曲线

3.2 过渡段纵向沉降位移分析

1)竖向位移

因较大沉降出现在靠近加宽路基路肩处，选取新路基靠近路肩处切面(x=33 m)为纵断面，其竖向位移云图如图9所示(图中单位为mm)，地基表面、路基表面沿道路纵向的竖向位移曲线如图10、11。

图9 过渡段纵断面竖向位移云图

由图10可知：纵向地基表面沉降由台背至远处逐渐增大，与横断面相同，地基沉降主要集中在填筑期及工后5 a内。工后15 a，靠近桥台处地基沉降为5.5 cm，距桥台15 m处为6.9 cm。

图10 x=33 m纵断面地基表面附加竖向位移曲线 图11 x=33 m纵断面路基表面附加竖向位移曲线

由图11可知：桥梁通车后，工后沉降主要集中在工后5 a内，工后15 a桥台与台后15 m间总差异沉降为7.2 cm，其中工后差异沉降为3.0 cm。路基与桥台接触部位有错台现象，运营2 a错台高度为2.9 cm，错台易引起桥头跳车，在车辆冲击荷载作用下，将加速结构物损害，增大差异沉降。

2)水平位移

道路纵断面(x=30 m)沿z方向水平位移云图如图12所示(图中单位为mm)，纵断面水平位移主要表现在地基近桥台一定深度处及路基换填区顶部。在回填土的挤压变形下，地基土体发生向桥台方向的侧向流动，而回填区顶部产生向台后的滑移。取地基y=-5 m深度处及路基表面绘制水平位移曲线如图13所示。

图12 x=33 m纵断面地基表面附加水平位移云图 图13 x=33 m纵断面路基表面附加水平位移曲线

由图13可知：地基表现向z轴正向的水平位移，近桥台处水平位移最大，水平位移随距桥台的距离增大而逐渐减小。

过渡段加宽路基纵断面等效应力和剪应力分布如图14、15所示(图中单位为MPa)。

图14 过渡段路基纵断面等效应力分布云图 图15 过渡段路基纵断面剪应力分布云图

由图14可以看出：台背换填区底部及台后路基顶部一定范围内有应力集中现象，地基整体应力水平沿纵向随距台背距离增大而逐渐增大,并趋于定值。

由图15可以看出：纵断面剪应力主要集中在台背换填区及桩底区域。换填区底部受承台支撑，且与一般土体台阶搭接，底部4 m范围内承台、换填材料和路基填料的沉降变形特性差异明显，剪应力集中将降低回填区土体的稳定性，在施工过程中应加强换填区下部地基的处理，如换填、强夯加固等。

3.3 应力分布

过渡段加宽路基横断面等效应力和剪应力分布如图16、17所示(图中单位为MPa)。

图16 过渡段路基横断面等效应力分布云图 图17 过渡段路基横断面剪应力分布云图

由图16可知：加宽路基顶部沉降量较大，此处路基土产生附加拉应力造成应力集中，拉应力若超过路基材料容许拉应力，路基材料受拉破坏，路基沿新旧路基拼接处发生纵向开裂。在加宽路基施工中应采取有效控制技术减小新旧路基的差异沉降，提高路面结构抗拉能力，避免差异沉降引起的拉应力过大。

由图17可知，拓宽后在路基拼接位置及加宽路基边坡存在局部剪应力集中现象。

4 结论

1)采用 Abaqus软件建立三维低改高路桥过渡段加宽模型，模拟分析加宽横向位移特征。分析表明：沉降主要集中在填筑期及工后5 a内，拓宽侧工后沉降主要集中在2 a内，占工后沉降的64%；越接近加宽路基，旧路地表沉降越大；水平位移在加宽侧形心下部向两侧流动，路基顶部表现为向加宽侧的水平位移，结合部附近水平位移较大。

2)进行纵断面方向模拟分析表明：路基及地基沉降均由桥台向一般路基逐渐增大，差异沉降表现在台后15 m范围内，运营15 a桥台与台后15 m间总差异沉降为7.2 cm，其中工后差异沉降3.0 cm；路基z方向水平位移与地基土流动方向相反，换填区顶部向路基偏移，产生横向裂缝。

3)低改高高速公路加宽路基顶部沉降较大，此处路基土产生附加拉应力，造成应力集中，拉应力若超过路基材料容许拉应力，路基材料受拉破坏，路基沿新旧路基拼接处发生纵向开裂。