橋頭過渡段差異沉降影響因素分析

史軍強

（山西省公路工程監理技術咨詢公司，山西 太原 030006）

在高速公路橋頭過渡段，由于地基土含水量高、壓縮性強的特性，在填料自身荷載以及車輛沖擊振動荷載作用下會發生沉降變形，這是產生橋頭過渡段路基“橋頭跳車”現象的主要原因，對于高速公路行車舒適性有著嚴重影響。本文依據橋頭過渡段路基差異沉降的病害類型，分析了不同差異沉降類型的成因以及機理，結合某高速公路橋頭過渡段路基土力學特性，計算不同影響因素對橋頭過渡段路基沉降的影響，研究各影響因素對于路基沉降的敏感性，為研究橋頭過渡段路基差異沉降處治技術提供基礎。

1 路基沉降分析模型的建立

1.1 路基模型的基本假設

在土力學計算理論中，Mahrcoulomb準則[1]是其中較為常用的屈服準則，目前的土力學計算中一般采用另一種更能準確反映土質材料強度的準則，即為Drucker-Prager屈服準則[2]。

Drucker-Prager模型的屈服準則表達式如式（1）：

一般來說，可以將公路路基沉降劃分為兩部分：一種為公路地基在路基等附加應力的作用下發生的固結壓縮變形，也可以稱之為地基沉陷。另外一種是路基本身在自重應力以及路面荷載的作用下發生的壓縮變形。本文采用有限元方法模型假設如下[3]：

a）按照二維平面模型計算分析；

b）土質為彈塑性材料，采用D-P本構模型；

c）各層之間完全連續，無相對滑移；

d）模型底面不發生豎向變形，側面不發生水平方向變形。

1.2 某高速公路橋頭過渡段地基土分類及模型計算參數

某高速公路橋頭過渡段地基土的組成主要有黃土狀土、粉質黏土、亞砂土、黏土以及淤泥質黏土等類型，根據勘測試驗結果，選擇3種工況條件的地質，進行有限元計算分析，其具體分布如表1～表4所示。

表1 工況一條件下模型計算參數

表2 工況二條件下模型計算參數

表3 工況三條件下模型計算參數

表4 路基土性質參數

2 填筑高度對路基沉降的影響分析

路基填筑高度即表現為路基自重的增加，路基的填筑高度對于地基的附加應力的變化具有直接的影響作用，路基對地基的附加應力隨著路堤填筑高度的增加而增加，另外，由于路基填筑高度的增加，路基自身的壓縮變形厚度也隨之增大，會造成路基自身壓縮變形量的增加，所以路基填筑高度是影響路基沉降的主要原因之一[4]。

根據某高速公路實際工程情況，選擇3種不同工況條件下的地基類型，按照不同的路基高度建立有限元模型，進行不同的地基類型、不同的路基填料條件下的路基頂面沉降量變化規律的計算分析，路堤填筑高度取值分別為4 m、6 m、8 m以及10 m四種，路基寬度為28 m，邊坡坡度為1∶1.5；地基土種類分別為：黃土狀土、粉質黏土、亞砂土、淤泥質黏土等類型，計算結果見表5所示。

表5 不同路堤填筑高度條件下路基最大沉降量 cm

圖1 不同路堤填高條件下路基最大沉降量

分析表5不同路堤高度條件下路基頂面沉降計算結果以及圖1不同高度從路基沉降曲線可以得出如下結論：

a）路基沉降量與填筑高度成正相關，且沉降速率隨著填筑高度的增加而迅速增大。在路基填土種類相同的條件下，填筑高度越高，沉降變化速率越大，表明路基沉降量受路基填土高度的影響較為敏感。

b）對于亞砂土、淤泥質土等承載能力較低的土質狀況，在相同路基填高的條件下，沉降量隨土質承載能力的降低而增大，承載能力越低沉降量變化速率越快。

3 施工時間對沉降的影響分析

為了對路基施工周期對于路基施工期沉降的影響程度，選擇某高速公路橋頭過渡段不同斷面埋設沉降觀測板，對于不同填筑高度的路基進行路基沉降觀測，各斷面產生的沉降觀測結果如下。

3.1 施工時間

斷面1為90 d，斷面2為45 d，路基填筑高度都為5 m，沉降觀測結果、施工進度以及沉降變化曲線分別如表6、圖2以及圖3所示。

表6 斷面1、斷面2沉降觀測結果

圖2 斷面1、斷面2施工進度

圖3 斷面1、斷面2沉降變化曲線

3.2 施工時間

斷面3為120 d、斷面4為90 d，路基填筑高度都為10 m，沉降觀測結果、施工進度以及沉降變化曲線分別如表7、圖4以及圖5所示。

表7 斷面3、斷面4沉降觀測結果

圖4 斷面3、斷面4施工進度

圖5 斷面3、斷面4沉降變化曲線

分析不同高度路基沉降觀測數據及沉降變化曲線可以得出：

a）對于相同填筑高度的路基，施工時間的不同對于路基總沉降量影響較小，其差別約在5%～10%之間，而路基施工時間對于路基的工后沉降量有著明顯的影響，其施工時間越短，工后沉降量越大，說明路基在短時間內不能完成塑性壓縮變形。

b）在滿足路基施工工期的條件下，應該減小路基填筑速率延長施工時間，從而使得路基在自重作用下有足夠的時間發生固結沉降，以減小路基工后沉降。

4 結論

本文分析了橋頭過渡段路基差異沉降類型以及不同類型路基的成因和機理，并且結合某高速公路橋頭過渡段路基土力學特性，計算分析了不同填筑高度以及施工時間對橋頭過渡段路基沉降的影響規律，研究了各影響因素對于路基沉降的敏感性，得出如下結論：

a）路基沉降量與填筑高度成正相關，且沉降速率隨著填筑高度的增加而迅速增大。

b）對于亞砂土、淤泥質土等承載能力較低的土質狀況，在相同路基填高的條件下，沉降量隨土質承載能力的降低而增大，承載能力越低沉降量變化速率越快。

c）對于相同填筑高度的路基，施工時間的不同對于路基總沉降量影響較小，而路基施工時間對于路基的工后沉降量有著明顯的影響，其施工時間越短，工后沉降量越大，說明路基在短時間內不能完成塑性壓縮變形。

d）在滿足路基施工工期的條件下，應該減小路基填筑速率延長施工時間，從而使得路基在自重作用下有足夠的時間發生固結沉降，以減小路基工后沉降。