半桥-边坡复合道路结构空间力学行为分析

崔学常，张江涛，郑 文

(1.云南省保山市重点公路建设管理处，云南 保山678000;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

0 引言

随着国家高等级道路建设规模的扩大，山区道路建设里程所占比例越来越大。受山区地形影响，山区道路的建设或沿山区河道，或开凿隧道，或大开挖，或高填方。由于开挖工程量大，而山区交通不便，部分弃渣就近堆砌或沿坡自然堆积，使河床抬高，河道断面压缩，行洪受阻。山区植被受到了严重破坏，边坡变得容易失稳，从而引发泥石流或滑坡。已有学者提出了解决山区道路修建的方法［1-5］。周志祥，等［6］针对山区道路特点提出一种半桥-边坡复合道路结构，在对道路进行加宽的同时对现有的路基边坡进行了加固，使结构和边坡连接为整体，真正的起到了“牵一发而动全身”的目的，同时该道路结构还具有较强的抵御地震作用的能力，并能保证道路改造施工过程中保持车辆通行的要求。有效地解决了约束山区道路发展的生态环境破坏严重、挖填方量大、造价高、保持道路畅通等瓶颈问题。

半桥-边坡复合道路结构中内侧为岩体，外侧为悬臂结构，主要包括钢筋混凝土桩基，上纵梁，中纵梁、下纵梁及横墙，其中横墙通过锚固钢筋与边坡岩体联结为整体。外侧钢筋混凝土结构可限制内侧岩体在外荷载作用下变形，外侧上部结构的荷载则通过桥面系和复合结构传递给边坡岩体(图1)。传力过程涉及复合结构的空间受力，以及复合结构和岩体的相互作用。笔者通过空间有限元对自重及最不利活载作用下的复合道路结构，以及典型地质条件的力学性能进行分析，以深入研究半桥-边坡复合道路结构的传力机理。

1 半桥-边坡复合道路结构空间模型

1.1 建模方法

采用ABAQUS实体有限元对半桥-边坡复合道路结构进行空间建模。计算中涉及的混凝土和钢材均假定为连续的、完全弹性的、各向同性的;假定岩体为弹性半无限空间体系。

实体模型中混凝土和岩体采用C3D8R单元，钢筋及预应力锚索采用T3D2单元。模型中，地基梁以下岩层厚度取桩长的2倍，岩层底部约束x，y，z 3个方向上的自由度;桩周边节点与岩层节点Tie在一起，共同变形;桩基础与地基梁固结，地基梁底面与边坡共同变形。下纵梁、地基梁、横墙、中纵梁以及上纵梁形成框架，各部分Merge在一起，与岩体有接触的地方采用Tie连接，使框架结构与岩体共同受力、共同变形。

桥道板先简支后连续，模型中桥道板为一块整体板，在与横墙交界的区域Tie连接。锚杆和锚索Embeded在岩层和复合结构中，使其有共同的位移和变形，在锚索中施加预应力。

风化可使外层岩石力学性能降低，分析模型中将表层假定为弹性模型相对较小的碎石土，内侧岩层则直接取基岩的力学参数。可修改材料参数探讨不同地质情况对复合结构的受力性能的影响。

依据试点工程的结构尺寸建立实体有限元模型，选取3跨进行分析研究，每跨5 m，高度10 m。横墙厚0.8 m，横墙之间通过纵梁连接成整体，地基梁断面尺寸为 1.0 m×1.3 m，下纵梁尺寸为1.0 m ×1.0 m，中纵梁为 0.8 m ×0.8 m，上纵梁为80 cm×100 cm。预制板采用0.35 m厚槽型板。预应力锚索的锚固点位于上纵梁与横墙的交界处(图2)。网格划分后的模型见图3。

图2 3D分析模型Fig.2 3D analysis model

图3 模型网格划分Fig.3 Grid of model

1.2 分析工况

计算分析中主要考虑以下3种工况:

1)在自重及车辆荷载作用下复合结构的整体受力性能。

2)在不同地质条件下结构的受力性能。

3)在长期运营过程中，不均匀沉降、温差等对结构性能的影响分析。

2 活荷载作用下的力学行为

采用最不利加载方式，将公路-I级重车重轴加到横墙对应桥道板上，如图4。

图4 最不利汽车荷载作用Fig.4 Most unfavorable vehicale loading

结构在自重及最不利汽车荷载作用下，桥面上的荷载经横墙传递给台阶和地基梁，由台阶和地基梁传递给内侧岩体和桩基及其下岩体。在车辆集中作用的横墙下方压应力明显比其它横墙压应力大，表明车辆荷载主要由其下的横墙传递。横墙内侧岩体受到压力后，两横墙之间的岩体产生向外凸起变形，横墙内侧下方的岩体受到上方荷载作用后，产生外凸变形，使中横梁、地基梁外侧出现拉应力。地基梁产生几乎均匀的向下变形，可见，半桥-边坡结构整体受力明显，可经桥道板、横墙、地基梁和桩将上部荷载有效地传递给内侧岩体和下部基岩，真正达到了“牵一发，动全身”的设计目的(图5、图6)。图5显示了大部分内侧岩体处于受压状态，表明半桥-边坡结构可限制内侧土体的滑移，增强了内侧土体的稳定性。

图5 半桥-边坡结构的应力云图Fig.5 Stress contour of half-bridge structure

图6 岩体的应力云图Fig.6 Stress contour of rock-soil

3 不同地质条件下的力学行为

为考察复合结构受基底地质条件下的影响，分别选取密实老填土、碎石土、强风化砂岩及中风化砂岩等4种不同地质条件进行分析。4种地质条件的力学参数见表1。复合结构各部分在相同荷载条件下的基底应力见表2。

表1 不同地质条件参数Table 1 Geological parameters of different base

表2 不同地质条件下基底应力Table 2 Base stress with different geological conditions/MPa

可见，随着基底地质条件的提高，横墙台阶的应力逐渐增大，地基梁底和桩底的应力逐渐减小。当基底为密实老填土和碎石土时，复合结构各部分的应力分布均匀性较差，桩底的应力最大，即桩成为复合结构受力的主要结构;反之，如果基底地质条件较好，则复合结构各部分受力相对较均匀。

4种地质条件下，沿复合结构高度方向上的竖向位移见图7。由图7可见，随着基底地质条件的提高，复合结构的总变形明显减小，当基底为密实老填土时，复合结构的总变形达到4.17 mm，基底为中风化砂岩时，总变形仅为0.02 mm。受基底地质条件的影响，下纵梁以下部分的变形呈明显的非线性，由下纵梁处较大的竖向位移逐渐减少到0。

图7 4种地质条件下边坡位移情况Fig.7 Side slope's displacement under different bases

因此，在地质条件较好时，半桥-边坡复合结构受力状态均匀;在地质条件较差时，复合结构的竖向变形较大，应加强桩基设计。

4 局部软弱地基的影响分析

半桥边坡结构的施工条件一般较差，在地基梁、台阶的基础施工时可能出现局部不平整的情况。因此，分析中用弱化荷载作用对应位置的横墙下地基土的弹性模量来实现局部不平整的情况。弱化处理后的岩石变形、应力如图8。

图8 局部软弱后基础位移及应力云图Fig.8 Displacement contour ＆ stress contour after softening the local base

基底弱化处横墙产生0.1 mm的竖向位移。但在外荷载作用下，相邻横墙的变形协调一致，共同抵抗，不会出现因局部软弱地基引起结构破坏。

5 结论

利用ABAQUS软件，建立半桥-边坡复合道路结构的实体有限元模型，研究得出以下结论:

1)半桥-边坡复合结构可平顺地通过桥道板、横墙、台阶、下纵梁和桩基将上部荷载传递给内侧和下部岩体;

2)半桥-边坡复合结构可对内侧岩体起加强作用，在实现道路拓宽的情况下保持并增强了内侧边坡的稳定;

3)地质条件越好，半桥-边坡复合结构中台阶、下纵梁和桩基的传力越均匀，对桩基的要求越小;

4)因半桥-边坡复合结构整体工作性能较好，基底出现局部软弱时对结构的性能影响较小。

［1］ Zhou Zhixiang，Li Fang，Qujue Awang.Laterally cantilevered space frame for the roadway widening in steep-sloped mountainous areas［J］.Structural Engineering International，2008，18(3):254-258.

［2］刘长喜，周志祥，李帅.用整体悬挑结构拓宽山区道路新技术［J］.预应力技术，2008，69(4):10-13.Liu Changxi，Zhou Zhixiang，Li Shuai.Widening moutainous highway with integrated cantilevered structures［J］.Prestress Technology，2008，69(4):10-13.

［3］游涛，周志祥，郑文.用边坡格构基础悬臂臂结构拓宽山区道路新技术［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(1):74-78.You Tao，Zhou Zhixiang，Zheng Wen.New technology of widening mountainous highway with side slope cantilevered structures［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011 30(1):74-78.

［4］董德禄，徐瑞龙，朱尔玉.用悬臂梁锚固结构技术新建、拓宽山区公路［J］.路基工程，2004，2(4):47-49.Dong Delu，Xu Ruilong，Zhu Eryu.Technology of constructing or widening mountainous highway with anchored cantilever-beams［J］.Subgrade Engineering，2004，2(4):47-49.

［5］周志祥，范亮，徐勇.山区整体式悬挑结构复合道路［M］.北京:人民交通出版社，2011.Zhou Zhixiang，Fan Liang，Xu Yong.Integrated Cantilevered Composite Road Structures in Mountainous Area［M］.Beijing:China Communications Press，2011.

［6］周志祥，郑文，游涛.用半桥-边坡复合路基结构拓宽山区道路研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(4):743-746.Zhou Zhixiang，Zheng Wen，You Tao.Study on mountainous highway widening with composite structures of half-bridge and slope［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(4):743-746.