路桥过渡段沉降的分析及处理

2024-02-02郝灵恩吴佳坤宫伟军

黑龙江交通科技 2024年1期

郝灵恩,吴佳坤,宫伟军

(中机中联工程有限公司,重庆 400000)

0 引言

我国的交通建设发展十分迅速,已建成的高速公路中随着运营时间的增长,凸显出了许多问题,特别是路桥过渡段不均匀沉降的问题,对汽车的安全性和舒适性造成了严重的影响,也成为了路基与桥梁在修建中的难点。

对于路桥过渡段方面的研究,国内外学者在施工控制、理论分析、现场试验等多方面提出了不同的见解。张洪亮等[1]在动力响应的基础上提出以容许坡差为控制指标,得到不同参数下的人体瞬态的振动影响,为容许坡差的控制提供了理论基础。同时以人体瞬态振动值为控制指标[2]建立了折线形的路桥阶梯控制模型,同时也建立了瞬态振动值和搭板容许纵坡变化值间的关系。陈晓麟等[3]在容许坡差方面进一步提出车辆-人体-座椅的振动模型,并在此基础上对舒适性和差异性沉降的关系进行了分析,得出了容许纵坡值的变化范围。屈战辉等[4]为了更好地实现路基与桥梁间的刚度过渡,在传统的工法基础上,采用柔性搭板的设计方法进行了沉降台试验,推导出层间距的计算公式,明确了设计参数的计算方法。俞永华等[5]采用数值模拟分析对土工格室在路桥过渡段的应用进行了研究,发现土工格室与搭板结合使用能够有效限制上层土体的沉降,能够将竖向应力向两侧进行分散。张军等[6]对土工格栅处理路桥过渡段进行了数值模拟和现场试验的对比分析,得出土工格栅不同参数下对路桥差异性沉降的影响变化规律,土工格栅的层数、强度参数等能够改善路桥过渡段的沉降差异。何玉琼等[7]采用CFG桩对路桥过渡段的软土地基进行了加固处理和分析研究,对比模拟分析和现场实测数据得出CFG桩能够对地基塑性区的减少做出贡献,降低地基和路基的沉降效果较好,同时也对CFG桩复合地基的参数进行了优化研究,为CFG桩在路桥过渡段的差异性沉降控制方面提供了理论基础。

为实现对路桥过渡段沉降的控制,一般会对桥台后的路基做加固处理,地基也要进行加固以便提高承载力。而在路基受到破坏后很难对其进行维修,很多时候为减小路桥过渡段的差异性沉降,除了换填强度更高的材料或轻质材料外,在设计中还会使用土工材料对路基进行加固处理。其中效果最明显的一种处治措施是采用桥台搭板,桥台搭板在短期内能够很好地缓解桥头跳车现象,但是在长时间的车辆荷载作用下会产生两方面的影响,一方面是搭板可能会疲劳断裂,另一方面是桥台与搭板连接处会形成拱起,长时间作用下会出现二次跳车现象。以上的措施很多时候都只能在新建工程中实施,在运营中的维修很难实现,对此,将采用数值模拟的方式对路桥过渡段的沉降进行分析,并模拟高压喷射注浆,模拟已建公路的加固处理。

1 高压喷射注浆法

高压喷射注浆法可分为四类,分别为单管法、二重管法、三重管法和多重管法。高压喷射注浆法是将喷嘴放置在注浆管中,在钻机的作用下将注浆管钻进指定深度和位置再将预制好的浆液经高压设备喷出,在高压浆液喷射的过程中会对周围的土体进行冲击,同时钻机也随着浆液的喷射而旋转,并逐步从指定深度慢慢旋出。这样就会使得管内土体与浆液进行混合搅拌,等到浆液和土体固化后便会形成浆土固结复合体,从而提高土体的强度,达到提高整体承载力的目的。

2 工程概况

兴国至泉州高速公路第三标段(K12+321.21～K18+554.61)为双向四车道设计,设计时速为80 km/h,标准路基宽度为26 m,自竣工运营以来受车辆、天气等因素的影响,在车行道出现裂缝、不规则沉降,特别是在路桥过渡段尤为明显,在桥梁与路基搭接处的沉陷深度达到6～16 cm,极大地影响了车辆行驶过程中的舒适性和安全性,急需对其进行病害治理。

该高速公路呈东西走向,位于山西东部,地形地貌复杂多变,地质勘察显示该区域的地层为第四系全新统人工堆积层及冲洪积层、第四系上更新统风积层及冲洪积层、第四系中更新统冲洪积层、上第三系上新统冲洪积层、石炭系上统、中统及奥陶系中统沉积岩构成。该区域四季分明,降水量较少。

3 建立有限元模型

采用数值模拟对该路桥过渡段进行模拟分析,选用对工程适用性较好的midas GTS NX进行建模,midas GTS NX具有模块化处理能力,能够将模型进行模块化处理,并且内置了多种岩土工程适用的本构模型,大大减小了工程建模的难度,同时又能在模型计算中取得精确的结果,在工程模拟计算领域得到广泛的认可,因此将采用该软件对其进行计算分析。

3.1 基本假定

(1)路基、地基为理想弹塑性模型,采用各向同性的摩尔-库伦本构模型。

(2)结构物为弹性本构模型。

(3)结构物单元与土层单元之间无相对滑动。

(4)模型仅考虑重力作用。

3.2 几何模型

模拟采用三维模型,由于模型为对称分布,在建模过程中采用纵断面和横断面的一半进行建模。路基顶面宽度取值13 m,边坡放坡坡率为1∶1.5,坡脚与地基连接,地基的总宽度为50 m,模型的纵向长度为43 m。在张宇超[8]的研究中表明与桥台距离10～15 m范围内的差异性沉降最大,故纵断面在距离桥台15 m处进行分段处理(台背填料),采用改变路桥过渡段模型材料抗剪强度的方式模拟实际过渡段中因各种因素导致的路基抗剪强度减小。最终模型尺寸(x×y×z)为43 m×50 m×28 m,如图1所示。

图1 有限元模型

3.3 模型参数

现场踏勘发现地基和桥台附近有少量杂填土和废弃填土,资料显示该路段地表以下土层较厚且均匀,承载力较好,结合现场和工程资料,对材料的参数进行简化处理,最终材料的参数取值如表1所示。

表1 模型参数表

在几何模型建立完成后,对模型进行网格划分和材料属性赋值。模型采用混合网格模式对网格进行划分,所有单元的网格密度均为2 m。划分完成后对模型施加Z方向上的重力荷载。边界条件施加为纵断面中线(Y轴负方向边界)的竖向自由,其余两向固定,模型底侧固定三个方向的约束,其余边界均约束水平向,竖向自由。

3.4 车辆荷载

考虑到公路工程的设计年限,除材料自身的重力荷载外,还有车辆荷载。根据规范和周边交通情况,对应高速公路,采用公路-Ⅰ级荷载,经计算最终采用均布荷载的形式施加在路基顶面,基顶荷载为30 kPa。

在建模完成后采用施工阶段模块进行模拟运行,首先激活地基桥台模块,进行初始重力场的平衡,然后进行位移归零处理,再施加路基土和台后填料,最后进行稳定性和变形计算分析。

4 计算结果分析

4.1 原始路桥过渡段沉降分析

(1)纵向结果分析。

取路基顶面的沉降值进行分析,以桥台位置为沉降曲线的初始位置,得到如图2所示的路基沉降曲线图。图2中差异性沉降曲线是由后沉降点的沉降取值与前沉降点取值的差值。

图2 路基纵向沉降曲线图

如图2所示,桥台后面的路基沉降值呈非线性分布,整体呈“勾”形分布,在距离桥台18 m范围内呈现先增大后减小的变化趋势。在距离桥台8 m范围内,路基的沉降值随桥台距离的增大而增大,在距离桥台8～18 m范围内路基的沉降随桥台距离的增大而减小,最后保持稳定在-4.3 cm。过渡段的沉降最大值在距桥台8 m处,为-9.2 cm。

差异性沉降曲线反映过渡段路基的坡度差值大小,表征了该区段内坡度值的变化差异性,桥头跳车的主要原因就是桥头路基的差异坡差情况,坡差差异越大,桥头跳车现象越明显。图2中差异性沉降曲线呈先减小后增大再减小变化规律。在距桥台10 m范围内呈减小趋势;在距桥台10～15 m范围呈增大趋势;在距桥台15～20 m范围内呈减小趋势,最后差值稳定基本为零。在距桥台8 m处由负值变为正值,坡度也存在变相的情况,加上沉降量差值最大处在桥台与台后填土的交界处,导致在行车过程中车头会先向下随之再向上抬起,桥头跳车的现象愈加明显。

(2)横向结果分析。

根据过渡段纵向沉降结果,选择纵向沉降值最大的断面(距桥台8 m)进行横向分析,得到如图3所示结果。

图3 路基横断面沉降曲线

如图3所示,横向上路基的沉降变化曲线,最大值出现在路基中线处,最大值为-6.2 cm。路基的沉降随距路基中心距离增大而逐渐减小,但增长幅度不同,在距离横断面中线8 m范围内的沉降值虽较大但变化幅度相对较小,在8～13 m范围内的沉降值变化幅值呈上升趋势,最小横向沉降值位于路肩处,为-4.9 cm。总体而言,横断面的沉降变化较纵断面小,总体差异沉降在1.5 cm内。

4.2 高压喷射注浆法处治不均匀沉降

(1)纵向结果分析。

高压喷射注浆法通过旋转喷射浆液形成桩土固结体来提升路基的承载能力,旋转喷射会形成旋喷桩,其本质与复合地基的处理是一样的,都是在土体中加入刚度较大的材料形成复合体共同作用达到提升承载力的目的。可通过改变原有桥后填土路基的刚度来模拟高压喷射注浆法处理后的沉降情况。可通过原有模型改变台后填料单元的刚度属性进行模拟,改变原有刚度为现有刚度的2～4倍进行计算分析。

如图4所示,在不同刚度下过渡段的沉降呈现先增大后减小的变化规律。随着过渡段刚度值的增大,过渡段的沉降最大值在减小,最大沉降量从-9.2 cm依次减小为-6.5 cm、-6 cm和-5.5 cm,最终都稳定在-4.3 cm。同时随过渡段刚度的增大,过渡段沉降的影响范围也在逐渐减小,如原填料的影响范围为0～18 m,2倍刚度工况下为0～16 m,4倍刚度工况下为0～14 m范围,前文所述的路桥过渡段沉降呈“勾”形的沉降得到一定程度的改善。