路橋過渡段的路基沉降分析

摘 要：因臺后路堤填土與橋臺構筑物之間存在的沉降差異，在路橋過渡段導致車輛發生顛簸、跳躍等橋頭跳車現象，將嚴重影響公路通行能力、行車安全及舒適性。文章采用三維有限元數值模擬方法對路橋過渡段路基的沉降差異問題進行了較深入地探討，同時對路堤高度、縱向長度、壓實度及地基變形模量等影響因素進行了分析，導致路橋過渡段沉降過大的主要原因就是臺背路堤壓實不足，地基變形模量明顯影響路橋過渡段的最大沉降值，地基處理是有效降低路堤沉降的主要措施，并對路橋過渡段路基沉降提出限值標準，這對于提高路橋過渡段路基的設計施工質量具有非常重要的應用價值。

關鍵詞：路橋過渡段；數值模擬；路基沉降

1 路橋過渡段路基的沉降模型

采用三維有限元數值模擬方法分析路橋過渡段路基，在分析計算過程中，要將地基假設為理想彈塑性半無限體，結合計算精度要求，采取20米深度的有限尺寸地基，其坡腳外橫向寬度為路堤高度3倍，建立有限元分析模型并劃分單元網格。因臺背路堤與混凝土橋臺之間存在的沉降差異是由于材料剛度發生突變而造成的，通常情況下，施工結束后應基本完成橋臺沉降，才能開始或還在進行對應臺背路堤的固結沉降，因此模擬三維空間實體數值時，可偏安全地忽略不計橋臺沉降，當做沉降已在自重作用下完成。

2 分析影響因素

2.1 路堤縱向長度

路堤最大沉降差依據計算結果可知變化規律與路堤長度有關系，路橋過渡段在路堤高度下，路堤縱向長度與最大沉降差具有反比例關系，不斷增加的路堤縱向長度會使最大沉降差逐漸平緩。此外，通常曲線在10-15米之間轉折比較明顯，而路堤長度超過10-15米時，對于路橋過渡段而言，縱向長度幾乎不會影響沉降差。所以，應將10-15米作為處治路橋過渡段路基的范圍比較合適。

2.2 路堤高度

路堤具有10米左右的縱向長度時，根據有關實驗結果顯示，路橋過渡段最大沉降差同路堤高度二者之間表現出線性關系，通過回歸分析，二者之間的關系滿足下面的公式：

ΔS=-1.3652·h+1.12902R2=0.9999

上式中：ΔS表示路橋過渡段的最大沉降差，單位為厘米；h表示路堤高度，單位為米。當它條件不發生變化時，高度越大的路堤也具有越大的對應路橋過渡段最大沉降差。

2.3 壓實度

在壓實度上，因施工中存在的困難，緊鄰路橋過渡段臺背后的路堤通常不能達到要求，該一小段被稱為臺背壓實不足段，縱向長度約在1米，壓實不足程度可根據以下兩個公式指標進行描述。

上面公式中，E為采用路堤近似高度的加權平均值表示回彈模量均值，E'為壓實度下降x%時的回彈模量均值。

根據上述公式的計算結果，對于填料平均密度及回彈模量變化的路堤高度幾乎不具有任何影響，因此可忽略，但壓實度下降會導致密度及回彈模量發生較大的變化。

2.4 路堤填料密度

假設路堤為10米左右的縱向長度、6米左右的高度，分別取900千克/立米、1200千克/立米、1500千克/立米、1800千克/立米、2100千克/立米的路堤填料密度，在路堤、地基及臺背路堤壓實不足路段，分別取20兆帕、50兆帕、38.8兆帕的變形模量，其它參數可取值如下，地基變形量為30兆帕，路堤填料平均密度為200千克/立米，臺背混凝土與填土之間的摩擦系數為0.4，壓實度按照下降1%計算。

路橋過渡段最大沉降可計算得出，路堤表面分別為3.056厘米、4.076厘米、5.102厘米、6.157厘米、7.253厘米；地基表面分別為2.408厘米、3.219厘米、3.986厘米、4.761厘米、5.542厘米；路堤自身壓縮分別為0.645厘米、0.864厘米、1.107厘米、1.382厘米、1.714厘米。

2.5 路堤變形模量

假設路堤路堤約為10米的縱向長度、6米左右的高度，分別取20兆帕、30兆帕、50兆帕、80兆帕、120兆帕路堤填料變形模量，其它參數可取值如下，地基變形量為30兆帕，路堤填料平均密度為200千克/立米，臺背混凝土與填土之間的摩擦系數為0.4，壓實度按照下降1%計算。

路橋過渡段最大沉降可計算得出，路堤表面分別為5.932厘米、5.243厘米、4.751厘米、4.552厘米、4.493厘米；地基表面分別為3.126厘米、3.302厘米、3.431厘米、3.585厘米、3.726厘米；路堤自身壓縮分別為2.713厘米、1.945厘米、1.324厘米、0.967厘米、0.765厘米。

2.6 地基變形模量

假設路堤路堤約為10米的縱向長度、6米左右的高度，分別取10兆帕、20兆帕、30兆帕、40兆帕、50兆帕的地基變形模量，其它參數可取值如下，地基變形量為30兆帕，路堤填料平均密度為200千克/立米，臺背混凝土與填土之間的摩擦系數為0.4，壓實度按照下降1%計算。

路橋過渡段最大沉降可計算得出，路堤表面分別為13.412厘米、6.843厘米、4.755厘米、3.747厘米、3.152厘米；地基表面分別11.362厘米、5.332厘米、3.437厘米、2.523厘米、1.987厘米；路堤自身壓縮分別為2.056厘米、1.515厘米、1.322厘米、1.227厘米、1.167厘米。

3 合理的路橋過渡段長度

根據有關研究結果可知，路橋過渡段沉降限值與橋臺后的橋頭搭板是否設置而存在差別，臺背路堤設置搭板的，因能夠將路橋過渡段的突變沉降消除，沉降限值一般不超過0.4%；臺背路堤不設搭板的，其沉降限值指標要不超過路橋過渡段工后臺階高度。路橋過渡段銜接剛性橋臺與柔性路堤具有剛柔過渡作用，不僅要達到功能要求還要符合工程要求的最小長度。

4 結束語

綜上所述，結合三維有限元數值模擬方法分析路橋過渡段的路基沉降，可得到以下兩個結果，一是通過研究分析路橋過渡段路基可知，過渡段適宜長度應在10-15米之間左右，導致路橋過渡段產生過大沉降的一個主要原因就是臺背路堤壓實不足，因此對于臺背路基壓實度要進行嚴格控制，避免在橋頭發生跳車現象。地基變形模量能明顯影響路橋過渡段的最大沉降值，因此要注意處理好地基才能有效控制路堤發生沉降。二是基于實際調研分析，針對路橋過渡段路基提出沉降限值標準，臺背路堤設置搭板的，克服了路橋過渡段產生的突變沉降。

參考文獻

[1]張起森.道路有限元分析法[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]吳鈺.不同方法估算路基最終沉降量的分析研究[J].華東公路，2012.13.

[3]葉見曙.橋頭引道工后沉降控制標準的研究[J].東南大學學報，2009.16.

作者簡介：屈浩（1980-），男，本科學歷，研究方向：道橋工程。