軟土地基橋頭跳車的新型解決方案

李鳳陽 （中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢430063）

1 引言

隨著國民經濟的飛速發展，人民群眾對于出行要求提升到新的高度，不再是滿足基本的出行要求，而是要求出行速度快、平穩以及安全性能高[1]。在高速行駛過程中，路面結構的平整決定了人-車-橋耦合環境下的穩定性，路面的不均勻沉降以及剛度差異較大處的差異沉降均會影響路面結構的平穩，致使橋頭跳車問題的出現。差異沉降越大，橋頭跳車現象越嚴重，使得車內人員瞬態抬升，影響駕駛員的正常操作以及方向偏移，增大了橋面行駛過程的危險程度[2，3]。因此，解決橋頭跳車成為了公路橋梁設計人員所必須面臨的問題。

從上世紀九十年代開始，現澆泡沫混凝土開始在我國的建筑工程回填及巖土工程回填開始應用，成為我國的第三大應用領域[4]。由于其流動性較好，在建筑補償地基填充、公路路基回填、巖土工程隧道回填等領域也逐漸出現泡沫混凝土的應用方案。隨著泡沫混凝土應用的越來越多，與之關聯的各類科研院所、生產廠家也越來越多，截止目前，國內關于泡沫混凝土的企業達到了1000余家，全年總產量超過了4000萬立方米，不管是企業數目還是產量，均位居世界第一，中國泡沫混凝土的用量直接推動了這一新型建筑材料的興起[5,6]。

文章基于珠海西部中心城區基礎設施建設項目II-1標段工程，從應力補償原理角度出發，探究采用新型泡沫混凝土路堤作為連接橋梁與軟土地基的介質，其沉降特性以及對于橋頭跳車現象的緩解行為，并根據其沉降特性探索橋臺優化形式，為之后處理橋梁工程中的橋頭跳車問題提供技術參考。

2 工程概況

文章依托的工程為珠海西部中心城區基礎設施建設項目II-1標段工程，其土層特性具體表現為天然含水量高，孔隙比大，強度低，固結時間短。在進行軟土地基前期處理時，采用塑料排水板與真空堆載預壓法聯合處理。文章以該標段中的橋臺斷面為研究對象，其橋臺結構形式如圖1所示，泡沫混凝土位于臺背回填處。文章通過有限元軟件ABAQUS建立路基與橋背連接處二維平面應變模型，基于應力補償原理探究在不同回填材料作用下，橋頭軟土地基處的沉降特性。

在軟土地基上搭建橋梁需要考慮橋頭跳車的危害，橋梁橋臺及主梁作為剛性結構，在較長時間的行車荷載之下，其沉降微弱，相對于路面沉降，數量級可忽略不計。對于軟土地基，在行車荷載之下，其沉降特征不穩定。若采用傳統的填土路堤，在靜載情況下，由于剛度效應與重度效應的雙重作用，對軟土地基的附加應力會增加。在動載情況之下，由于填土路堤自立性較差，土骨架承載能力有限，會出現不均勻沉降。在傳統的路面結構養護措施中，常采用在不均勻沉降處進行瀝青結構的補償澆筑方法，雖然能夠保證短期內路面結構平整，但從路面養護工程災害統計數據中較常見的是，不均勻沉降發生的位置總是不盡相同，從應力補償原理的角度進行解釋，在不均勻沉降處進行瀝青結構的補償澆筑增加了軟土地基的附加應力，而行車荷載發生處又較為固定。因此對于不均勻沉降處下方的軟土而言，其承載壓力或超過其承受能力，易轉變為超固結狀態，出現較大變形，對于軟土地基的路面穩定性造成難以預測的危害，使得路基結構剪切變形過大產生失穩破壞，同時在與橋梁搭建處，更易出現橋頭跳車現象，危害行車安全。

圖1 與泡沫混凝土相連的橋臺結構形式

3 泡沫混凝土路堤有限元模型

為了探究軟土地基橋頭跳車新型解決措施的有效性，文章建立了傳統路面路堤以及新型泡沫混凝土路堤的二維平面應變模型。在建立模型之前，為與實際情況相符，還搭建了軟土地基先期堆載預壓模型，將先期堆載預壓后的軟土地基應力場導出，作為路堤模型的初始應力場。通過ABAQUS有限元軟件中的生死單元，對路堤的分級填筑進行模擬，通過對比每一級填筑下的模擬數據與實測數據，對有限元模型進行修正，以獲得更接近實際情況的路堤沉降特性。

各土層特性參數如表所示，路堤二維平面應變模型示意圖如圖2所示。其中地基土采用四節點平面應變孔壓單元，上部路堤采用四節點平面應變單元，邊界條件則是將地基上部設為自由邊界，地基左右兩側豎向自由，水平約束，模型底部則采用水平與豎向雙向固定。路堤下部有0.5m厚的砂墊層，可作為模型的排水邊界，地下水位為砂墊層的底面處。對于材料本構，淤泥質粉質土和粉質黏土采用修正的劍橋模型，砂墊層與砂采用摩爾庫倫塑性模型，路堤填料采用彈性模型。

圖2 路堤二維平面應變有限元模型

在進行加載固結分析步時，采用的是瞬態固結孔隙流體響應。由于是超軟土地基，在堆載過程中可能出現大變形，因此將幾何非線性選項打開，設置每載荷步最大孔隙壓力變化值為5 kPa。

4 路堤沉降特性分析

圖3所示是軟土地基在卸載穩定之后進行不同路堤材料的填筑，其中每一級填筑時間為兩天，固結時間為3天，最后一級填筑之后固結時間為30天，圖3(a)所示是指三種填筑路堤的地表沉降情況，圖3(b)所示是指三種填筑路堤的基底壓力情況。

圖3 路堤沉降特性

從圖中可以看到，泡沫混凝土路堤、填土路堤、宕渣路堤作用下地基沉降最大值為0.352m、1.008m、1.148m，沉降最值點發生在路堤中線處附近，從趨勢圖中可以發現，泡沫混凝土路堤作用下地基呈現整體沉降式，與填土路堤和宕渣路堤沉降形式不同，填土路堤與宕渣路堤則呈現路面尺寸范圍下沉降較大，隨著斜坡的過渡，沉降逐漸減小，這一沉降形式對于坡腳處穩定性控制提出了較大難度，而采用泡沫混凝土路堤則能較好的控制坡腳處的穩定性。從圖3中可以看出，泡沫混凝土路堤、填土路堤、宕渣路堤作用下的路堤中線處基底壓力最值分別是40.1 kPa、107.6 kPa、112.5 kPa，基底壓力分布形式與地表沉降形式類似。可以看出，不管是在地表沉降還是基底壓力方面，泡沫混凝土路堤均較填土路堤與宕渣路堤呈現較高優越性。

各土層特性參數一覽表

5 結論

文章基于珠海西部中心城區基礎設施建設項目II-1標段工程探究了泡沫混凝土作為輕質路堤處理深層軟土地基處理方案的有效性，對比了泡沫混凝土路堤、填土路堤以及宕渣路堤的沉降模擬情況，從地表沉降以及基底壓力可以發現，利用泡沫混凝土做路堤可以減輕路堤自重，減少沉降量，提高路堤穩定性，模擬結果可為類似工程提供技術參考。