有關離心模型試驗的路橋變形耦合特性數值模擬研究

魏相榮

摘 要：路橋在變形特性方面是存在差異的，這就對行車的安全性造成了影響，因此，如何完善不同結構物連接處的過渡段設計是工程設計者普遍關注的問題。該文通過建立路橋過渡段三維數值分析模型，對計算結果和離心模型試驗的結果進行分析，對路橋變形耦合特性進行了研究，并得出了相關結論。

關鍵詞：離心模型試驗 路橋變形耦合特性 數值模擬 研究

中圖分類號：U443 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0103-01

目前，我國對于過渡性問題的研究主要集中在動力學分析方面，缺少對路橋變形耦合性的分析研究。過渡段路基的變形會對其剛度指標造成直接影響，而且臺背路基變形會影響橋臺的水平位移和傾角，從而影響路橋的使用。因此，要對橋臺和路基之間的關系進行分析，為路橋設計工作提供依據。接下來，我們就利用三維數值分析模型，對路橋的變形耦合特性和相互作用進行研究。

1 路橋過渡段數值仿真模型的建立

（1）數值分析模型的建立。

（2）采用數值分析軟件建立的三維數值分析模型，然后利用力學計算和流體滲流模式進行計算，對橋路的變形特性進行分析。

（3）在橋臺樁基礎形式不變的情況下，對過渡段的地基樁間距進行變動，從而能夠發現過渡路橋的沉降規律。在實際工程中，直接對路基填筑時橋臺的地基沉降的規律進行研究是比較困難的，因此，可以通過對路橋未開始沉降和地基沉降已經完成兩種極端情況進行研究。

（4）計算參數和材料本構關系。

在計算過程中，要把樁作為線彈性材料，然后利用軟件中的cs_scoh和cs_sfric作為計算參數。由于過渡段的路基通常采用的是級配碎石調料，因此，路基往往具有較大的壓實度和剛度，壓縮沉降量較小。針對這種情況，可以采用彈性模型進行模擬，橋臺同樣可以使用這種模型。

2 離心模型試驗和數值分析結果研究

2.1 路橋同時加載下過渡段的路基沉降規律

在樁間距和時間相同的情況下，路基面的沉降度是隨與橋臺距離的增加而增加的。在不同的樁間距下，路基面的沉降度是隨著樁間距的增加而增加的。在樁間距不同的情況下，路基和橋臺的沉降縱向分布規律的實測數據與計算結果是相同的，因此，此結論能夠將實際工程中過渡路基和橋臺固結沉降的變化特征較為準確的反映出來，也可以對過渡段路基的沉降變化規律進行合理預測。在進行實際設計的過程中，要對過渡段地基的樁間距進行合理選擇，盡量讓路基面的差異沉降和坡差降到最低，還要將過渡段地基樁間距對于線路平順性的影響考慮在內。

2.2 橋臺先施工情況下過渡路基面沉降規律

在橋臺先施工情況下，隨著距離橋臺距離的增加，過渡段路基面沉降程度也在增加，達到一定距離時，過渡段路基面的沉降變化有所減小。對不同的樁間距下路基面沉降分布數據進行分析和比較以后，可以得出結論，隨著地基處理程度的加深，不同位置的沉降是逐漸減小的，但是，各個斷面的敏感程度是不同的。一般來說，隨著距離臺背距離的減小，過渡段路基面的沉降坡度是增加的。

2.3 路橋差異性研究

剛性橋臺和柔性路基的基礎設置方式是不同的，而且，橋臺與路基也存在著剛度上的差異。因此，臺背處的差異沉降通常較大，而差異沉降過大會對線路結構的使用性能造成影響，造成線路平順性的惡化，影響車輛的運行速度和安全性。面對這種情況，設計人員要將路橋銜接處的差異沉降值降到最低。臺背和路基交界處得差異沉降是不受路橋施工順序的影響的，而且會隨著過渡段地基樁間距的增加而變大。另外，橋臺狀態的不穩定也會影響過渡段的路基，使橋臺發生變形，從而導致路基沉降的增加。因此，在設計過程中，要保證橋臺的穩定性。

2.4 橋臺水平位移和轉角變化規律

對不同加載順序的橋臺水平位移情況進行分析以后可以發現，隨著過渡段地基樁間距的不斷減小，橋臺傾斜方向也在變化，在地基樁間距達到某一特定值時，橋臺的傾斜角能夠變為0 °。而且，路填土會對臺背產生水平方向的壓力，使橋臺基礎底面出現不均勻的附加應力，臺后地基土的壓縮會在橋臺樁基處產生負摩擦阻力，從而使基礎前后出現傾斜。如果先進行橋臺施工，受到臺后填土作用的影響，橋臺頂部會朝填土方向移動，底部朝著橋跨方向移動。橋臺傾斜度會受到地基土側向流動的影響，地基土的水平流動程度會隨著過渡段地基樁間距的增加而增加，土壓力對橋臺的影響會隨之減小。

2.5 過渡段地基樁間距的確定

如果橋臺樁的基礎形式不發生變化，那么過渡路基面中心的總沉降幅度是隨著過渡段地基的樁間距的增加而增加的。隨著過渡段路基收斂沉降值的不斷增加，橋臺水平位移和傾角也是不斷增加的，因此，如果路基收斂沉降值過大，會對橋臺的水平位移和橋臺傾角造成較大影響，從而降低線路結構的穩定性。針對這種情況，在實際施工過程中，要將臺后路基的收斂沉降值增加，以提高橋臺結構的穩定性。另外，路基的變形程度影響著路基的后期剛度，因此，也要控制好路基收斂變形值。

3 路橋變形耦合特性研究結論

通過三維數據分析模型對路橋變形耦合特性進行分析后，可以得出以下結論：

第一，由于飽和松軟土地基的強度較低，在加載過程中會出現瞬間沉降，臺頂會出現明顯的傾斜。因此，在實際施工過程中，如果土地強度低，要采用堆載預壓的方式實現排水固結，使地基的瞬間沉降量和橋臺的傾斜度降低。

第二，隨著地基處理程度的增強，距離臺背不同位置處的沉降是不斷減小的，而是，各個斷面有著不同的敏感度，路基面的沉降坡度隨著距臺背距離的減小而增加。因此，要采用變樁距或者變樁長法對過渡段地基進行設計，要加強對靠近臺背范圍內的沉降控制。

第三，一般來說，在臺路的交界處會有差異沉降，而且，隨著過渡段地基樁間距的不斷增加，差異沉降值也是不斷增加的。高速鐵路要求線路具有更高的平順性，因此，施工時要在橋頭設置搭板，使路橋邊界處的臺階式跳躍沉降轉變為連續斜坡式沉降，這樣可以使橋頭跳車的危害大大減弱甚至消除。

第四，線路結構會受到路基差異變形的影響，水平位移和過渡段路基的收斂沉降值大小影響著橋臺傾角和傾斜方向。因此，在進行臺后過渡路段的設計時，要做好收斂沉降值的控制工作。

4 結語

路橋的變形耦合特性影響著路橋的使用狀況，對線路的平順性和行車的安全性有著直接影響，路橋過渡段路基的設計是影響路橋穩定性的重要因素。本文在離心模型試驗的基礎上，建立了路橋過渡段三維數值分析模型，對路橋變形的耦合特性進行了研究，并得出了科學結論。建設單位在設計和施工過程中，要根據路橋變形耦合特性，確定合理的設計和施工方案，保證路橋結構的穩定性。

參考文獻

[1] 范臻輝，張春順，肖宏彬.基于流固耦合特性的非飽和膨脹土變形仿真計算[J]. 中南大學學報（自然科學版），2011（3）.

[2] 蔣關魯，王力偉，杭紅星.基于離心模型試驗的路橋變形耦合特性數值模擬研究[J].土木工程學報，2012（8）.

[3] 徐炎兵，韋昌富，李幻，等.非飽和土滲流與變形耦合問題的有限元分析[J].巖土力學，2009（5）.endprint