高速公路路桥过渡段加宽不均匀沉降有限元数值分析

魏立恒

摘要：建立了基于ADINA有限元软件的路桥过渡段加宽数值模型，通过研究过渡段加宽后纵横断面沉降规律，分析了纵横断面处理前后路基以及地表的沉降规律、台背回填区范围和桥头搭板对过渡段渐变沉降的影响。

Abstract： A numerical model of bridge transition widening based on ADINA finite element software is established. By studying the settlement law of longitudinal and transverse section after widening the transition section， the settlement law of subgrade and surface before and after the treatment of longitudinal and transverse section， the influence of backfill area of abutment back and abutment slab on the gradual settlement of the transition section are analyzed.

关键词：不均匀沉降;数值模型;路桥过渡段;加宽

Key words： uneven settlement;numerical simulation;road-bridge transition section;widening

中图分类号：U416.1                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）14-0072-03

0  引言

在高速公路拓宽过程中，对路基与桥梁过渡段加宽的研究内容偏少。由于过渡段位置非常重要，紧挨桥台等结构，施工工艺非常复杂。如果路基与桥梁过渡段设计方案不合理，施工中采取的措施不合适，极有可能造成路基与桥梁过渡段纵、横向差异沉降，引起公路重大病害。路基与桥梁过渡段的纵向不均匀沉降将导致上部路面横向裂缝，出现桥头跳车的现象[1-3]。新旧路基作用下地基不均匀沉降将导致路面产生纵向裂缝，以及沿新旧路基接缝处滑动，进而出现整体失稳。这些病害不仅会影响行车车速以及舒适度，还会引起严重的交通事故。本文通过建立路桥过渡段加宽的有限元数值模型，分析了路桥过渡段加宽引起不均匀沉降的机理[4-6]。

1  建立有限元数值模型

1.1 材料本构模型

影响材料本构关系的因素很多。任何一种模型都不能考虑所有的因素，一个模型也不能适用于所有的材料和各种岩土问题。因此，在简化的基础上，本文选用理想的塑性Mohr-Coulomb屈服函数和非相关流动法则作为地基土、路堤填土和加宽路基土的本构模型，这些材料需要输入的材料参数包括弹性模量、泊松比、天然密度、粘聚力、内摩擦角、拉伸限制以及膨胀角等。对于桥台、桥头搭板以及路面材料选择较简单的弹性本构模型进行模拟，这些材料需要输入的材料参数包括弹性模量、泊松比、天然密度等[7]。

1.2 计算模型的确定

为了分析高速公路改扩建中桥梁过渡段的纵向和横向变形，研究不均匀沉降的控制方法，本文分别对桥梁过渡段的纵向和横向变形进行了模拟。典型计算断面的位置距桥台背3m，把双向四车道公路改为八车道公路，通常在双向四车道公路两侧对称加宽8m，从原来的路基顶面宽度26m扩展到42m。路堤填高5m，新旧公路坡度为1：1.5。旧路基上部路面为0.6m，由于纵断面上有0.3m厚的桥头板，新加宽的路基有0.3m厚的路面再加上0.3m厚的桥头板。对旧路基与加宽路基分界面有限元设置进行了很好的处理，假设分界面是完全连续的，彼此之间没有出现相对滑动和脱离。

桥头路堤的长度和厚度分别为6m和0.3m，路面厚度为0.6m。桥台后面的回填区域底部距离桥台背面3m。根据1：1.5的坡度，开挖宽度为1.5m、高度为1.0m的台阶，与一般路基连接。路堤和基础的长度在桥台前为10m，橋台后为50m。纵断面图见图1所示。

模型中各种材料所选取的参数见表1所示。

1.3 边界条件

根据本文有限元模型特征，采用自由度边界条件。将各边界的物理条件应用于几何单元，并将边界线应用于计算。考虑到土的渗透性，通过定义渗透边界来实现。当土具有渗透性时，定义为渗透边界，否则定义为不渗透边界[8]。该模型基于二维Y方向（水平方向）和Z方向（垂直方向），因此X方向是固定的。

1.4 网格划分

在本文数值模型中，采用4节点平面应变单元对地基、原路基、加宽路基、加铺板、路面、桥台进行网格划分，并将其全部设置为二维实体单元。划分的网格如图2所示。

1.5 工程条件模拟

该模型的计算分为两部分：第一部分是旧路加宽前的运行阶段，按旧路运行15年（约5500天）计算;第二部分是路桥过渡段拓宽新路基施工周期（平均10天填筑1层，每层高度0.5 m），运营时间按15年计，合计时间11120天，简化起见需要考虑12000天。

2   过渡段加宽纵断面变形分析

2.1 纵断面处理前变形分析

图3显示了台背填土完成后新路基表面的垂直沉降曲线。与横断面相似，纵向剖面路基的沉降主要发生在施工后10年内。台背回填区沉降呈抛物线形，逐渐增大到最大值，在台背9m范围内趋于稳定。可以看出，在新的路基回填土条件下，台背6m范围内沉降突变迅速增大。在长期的车辆荷载作用下，可能会损坏上搭板和路面结构。

图4为台背回填条件下地面垂直沉降。沉降量在距桥台15m范围内逐渐增大至最大值。施工后15年沉降量最大可达20cm，台背位置较小，达到18cm。

通过对新路基回填条件下路基和地表竖向沉降的分析，在桥台填筑区域内，桥台后部地层表面竖向变形逐渐扩大，达到最大值10.4 cm。软基的最大沉降量高达20 cm。为了防止竖向不均匀沉降，有必要对地基进行处理。

2.2 纵断面地基优化处理

为了保证垂直沉降从桥台过渡到一般断面，拟定了垂直软土地基处理方案，如表2所示。采用CFG桩复合地基用于橋台后部50m以内的软土地基处理。桩长为15m，桩的模量为15GPa。

台背填充材料选用液态粉煤灰，选择土工格栅进行加固，对该方案进行了有限元计算，并对其沉降渐变效应进行了研究。

图5是地基处理后断面竖向沉降分布曲线。从图中可以得到，经过地基处理后的变形在桥台处由0值逐渐增加到离桥台处50m时的5cm，说明该地基处理方案是合理的，能控制好沉降的逐渐发展过程。

图6是根据上述方案进行地基处理后的地面纵断面的垂直沉降曲线。从图中可以看出，地基处理后地表垂直沉降明显减小，从桥台到桥台后50m处理区的沉降也呈现逐渐过渡的趋势。

通过对地基处理后地基和地基表面竖向沉降的分析，得出在该条件下，桩长为15m、桩模量为15GPa的CFG桩-网组合结构处理台后50m以内的软土地基，桥台后部的地基处理方案是可行的。

2.3 台背回填材料对比分析

本文比较了新路基土、石灰土和液态粉煤灰作为台背回填材料时路基纵断面表面和地表的垂直沉降，进一步分析了回填材料对纵断面沉降逐渐过渡的影响。

图7显示了回填材料不同时15m范围内路基表面的垂直沉降。从图中可以看出，液态粉煤灰在回填土区比其它两种填料具有更好的缓沉效果，其次是石灰土，再次证明了液态粉煤灰作为回填土材料的优势。

图8是地基表面的垂直沉降。从台背后方20m范围内不同填料地表垂直沉降来看，由于石灰土与液态粉煤灰的密度较小，刚度大于新路基土的刚度，地表垂直沉降减小，桥台后部回填区附加应力较小。路面不均匀沉降主要是由软土地基沉降引起的。台背回填材料选用密度较小的轻质填料（液态粉煤灰），以减少回填区表面的垂直沉降，有利于防止过渡段的垂直不均匀沉降。

2.4 台背回填区大小对比分析

为便于施工，发挥刚度渐变作用，回填区底部与台背之间的距离一般不小于2m，并与一般地段有一定的坡度相连。回填土底部与台背之间的距离多少是合理的，没有相应的标准。当回填区底部与台背之间的距离分别为2m、3m、4m和5m时，计算路基表面的垂直沉降。分析了回填距离对过渡段加宽纵断面沉降和刚度过渡的影响。回填土区与一般地段的重叠坡度为1：1.5，填料为液态粉煤灰。

由图9可以看出如果回填区底端与台背之间间距由2m变为3m时，沉降减小更为明显。但是，随着距离的不断增大，沉降量逐渐减小，沉降过渡效果没有明显改善。考虑到施工和经济原因，在该工况下软土地基处理后，从回填区底部到桥台背面选择3m是合理的。

2.5 搭板长度对比分析

图10表明不设置搭板、搭板长度为5m、搭板长度为6m、搭板长度为7m和搭板长度为8m情形下台背后方15m范围内路面表层的垂直沉降。从图中能够得到在不铺板的情况下，路面在荷载作用下变形明显。搭设搭板后，路面的变形将得到很大的控制，说明在路桥结合处搭设搭板是必要的。然而，随着桥头搭板的增长，搭板的垂向变形并不明显，这主要是由于钢筋混凝土板的长度较短，刚度较大。搭板长度为6m能够实现沉降的平稳过渡，因此在这种工况下搭板的尺寸是合理的。

3  结论

本文利用ADINA软件建立了公路桥梁加宽过渡段的二维有限元非线性分析模型。通过对路基表面和地表的垂直沉降、处理前的地表和新旧路基基脚水平位移的分析，探讨了回填材料、回填料区域大小和搭接长度对沉降逐渐过渡的影响，主要结论如下：①路基加宽后，新旧路面附加垂直沉降曲线呈“反盆型”分布，旧路中心地面沉降值最小，旧路路面沉降值越接近新加宽路基，旧路路面沉降值越大，最大值在旧路坡脚附近，然后沿新路逐渐减小。②CFG桩-网复合地基处理桥头软基能显著降低路基表面竖向沉降和水平位移。在CFG复合地基中，桩的弹性模量、桩长和桩距取值要恰当。超过一定值后，增加桩长和桩间距，降低桩模量不能进一步显著降低地基沉降，反而会造成资源浪费。增加土工格栅层数对减少新老路面的垂直沉降影响不大。当格栅层数相同时，在路基顶部铺设更有利于减少新旧道路的附加垂直沉降，但格栅对沉降减小的影响很小。③选择轻质、刚度好的材料作为路基填料，可以减少新老路之间的不均匀沉降。公路桥梁过渡段软土地基采用CFG刚性桩处理，沉降过渡区在桥台后方合理设置，可起到从桥台到一般断面沉降逐渐过渡的作用。④台背回填选用重量轻、刚度大的材料，回填料厚度远薄近厚，使台背整体刚度逐渐降低，从而实现了台背回填沉降的逐步过渡。回填土面积越大，渐变面积越大，渐变效果越好，但变化不太明显。在这种情况下，回填区底部与回填土区之间的距离为3m，比较合理。在路桥交界处设置桥头板是必要的，但桥头板长度有合理的取值，不必设置过长的桥头板。

参考文献：

[1]周志刚，郑健龙，宋蔚涛.土工格栅加筋柔性桥台的机理分析[J].中国公路学报，2000，13（1）：18-21.

[2]杨波.高速公路路桥过渡段加宽不均匀沉降控制技术研究[D].石家庄：石家庄铁道大学硕士学位论文，2012.

[3]刘秀丽.路桥过渡段复合地基差异沉降优化设计研究[J]. 盐城工学院学报（自然科学版），2010，23（2）：66-69.

[4]刘萌成，黄晓明.软土地基上桥台后填土工后沉降的数值分析[J].公路交通科技，2004，24（12）：22-26.