路桥过渡段的路基沉降分析

摘 要：因台后路堤填土与桥台构筑物之间存在的沉降差异，在路桥过渡段导致车辆发生颠簸、跳跃等桥头跳车现象，将严重影响公路通行能力、行车安全及舒适性。文章采用三维有限元数值模拟方法对路桥过渡段路基的沉降差异问题进行了较深入地探讨，同时对路堤高度、纵向长度、压实度及地基变形模量等影响因素进行了分析，导致路桥过渡段沉降过大的主要原因就是台背路堤压实不足，地基变形模量明显影响路桥过渡段的最大沉降值，地基处理是有效降低路堤沉降的主要措施，并对路桥过渡段路基沉降提出限值标准，这对于提高路桥过渡段路基的设计施工质量具有非常重要的应用价值。

关键词：路桥过渡段；数值模拟；路基沉降

1 路桥过渡段路基的沉降模型

采用三维有限元数值模拟方法分析路桥过渡段路基，在分析计算过程中，要将地基假设为理想弹塑性半无限体，结合计算精度要求，采取20米深度的有限尺寸地基，其坡脚外横向宽度为路堤高度3倍，建立有限元分析模型并划分单元网格。因台背路堤与混凝土桥台之间存在的沉降差异是由于材料刚度发生突变而造成的，通常情况下，施工结束后应基本完成桥台沉降，才能开始或还在进行对应台背路堤的固结沉降，因此模拟三维空间实体数值时，可偏安全地忽略不计桥台沉降，当做沉降已在自重作用下完成。

2 分析影响因素

2.1 路堤纵向长度

路堤最大沉降差依据计算结果可知变化规律与路堤长度有关系，路桥过渡段在路堤高度下，路堤纵向长度与最大沉降差具有反比例关系，不断增加的路堤纵向长度会使最大沉降差逐渐平缓。此外，通常曲线在10-15米之间转折比较明显，而路堤长度超过10-15米时，对于路桥过渡段而言，纵向长度几乎不会影响沉降差。所以，应将10-15米作为处治路桥过渡段路基的范围比较合适。

2.2 路堤高度

路堤具有10米左右的纵向长度时，根据有关实验结果显示，路桥过渡段最大沉降差同路堤高度二者之间表现出线性关系，通过回归分析，二者之间的关系满足下面的公式：

ΔS=-1.3652·h+1.12902R2=0.9999

上式中：ΔS表示路桥过渡段的最大沉降差，单位为厘米；h表示路堤高度，单位为米。当它条件不发生变化时，高度越大的路堤也具有越大的对应路桥过渡段最大沉降差。

2.3 压实度

在压实度上，因施工中存在的困难，紧邻路桥过渡段台背后的路堤通常不能达到要求，该一小段被称为台背压实不足段，纵向长度约在1米，压实不足程度可根据以下两个公式指标进行描述。

上面公式中，E为采用路堤近似高度的加权平均值表示回弹模量均值，E'为压实度下降x%时的回弹模量均值。

根据上述公式的计算结果，对于填料平均密度及回弹模量变化的路堤高度几乎不具有任何影响，因此可忽略，但压实度下降会导致密度及回弹模量发生较大的变化。

2.4 路堤填料密度

假设路堤为10米左右的纵向长度、6米左右的高度，分别取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、地基及台背路堤压实不足路段，分别取20兆帕、50兆帕、38.8兆帕的变形模量，其它参数可取值如下，地基变形量为30兆帕，路堤填料平均密度为200千克/立米，台背混凝土与填土之间的摩擦系数为0.4，压实度按照下降1%计算。

路桥过渡段最大沉降可计算得出，路堤表面分别为3.056厘米、4.076厘米、5.102厘米、6.157厘米、7.253厘米；地基表面分别为2.408厘米、3.219厘米、3.986厘米、4.761厘米、5.542厘米；路堤自身压缩分别为0.645厘米、0.864厘米、1.107厘米、1.382厘米、1.714厘米。

2.5 路堤变形模量

假设路堤路堤约为10米的纵向长度、6米左右的高度，分别取20兆帕、30兆帕、50兆帕、80兆帕、120兆帕路堤填料变形模量，其它参数可取值如下，地基变形量为30兆帕，路堤填料平均密度为200千克/立米，台背混凝土与填土之间的摩擦系数为0.4，压实度按照下降1%计算。

路桥过渡段最大沉降可计算得出，路堤表面分别为5.932厘米、5.243厘米、4.751厘米、4.552厘米、4.493厘米；地基表面分别为3.126厘米、3.302厘米、3.431厘米、3.585厘米、3.726厘米；路堤自身压缩分别为2.713厘米、1.945厘米、1.324厘米、0.967厘米、0.765厘米。

2.6 地基变形模量

假设路堤路堤约为10米的纵向长度、6米左右的高度，分别取10兆帕、20兆帕、30兆帕、40兆帕、50兆帕的地基变形模量，其它参数可取值如下，地基变形量为30兆帕，路堤填料平均密度为200千克/立米，台背混凝土与填土之间的摩擦系数为0.4，压实度按照下降1%计算。

路桥过渡段最大沉降可计算得出，路堤表面分别为13.412厘米、6.843厘米、4.755厘米、3.747厘米、3.152厘米；地基表面分别11.362厘米、5.332厘米、3.437厘米、2.523厘米、1.987厘米；路堤自身压缩分别为2.056厘米、1.515厘米、1.322厘米、1.227厘米、1.167厘米。

3 合理的路桥过渡段长度

根据有关研究结果可知，路桥过渡段沉降限值与桥台后的桥头搭板是否设置而存在差别，台背路堤设置搭板的，因能够将路桥过渡段的突变沉降消除，沉降限值一般不超过0.4%；台背路堤不设搭板的，其沉降限值指标要不超过路桥过渡段工后台阶高度。路桥过渡段衔接刚性桥台与柔性路堤具有刚柔过渡作用，不仅要达到功能要求还要符合工程要求的最小长度。

4 结束语

综上所述，结合三维有限元数值模拟方法分析路桥过渡段的路基沉降，可得到以下两个结果，一是通过研究分析路桥过渡段路基可知，过渡段适宜长度应在10-15米之间左右，导致路桥过渡段产生过大沉降的一个主要原因就是台背路堤压实不足，因此对于台背路基压实度要进行严格控制，避免在桥头发生跳车现象。地基变形模量能明显影响路桥过渡段的最大沉降值，因此要注意处理好地基才能有效控制路堤发生沉降。二是基于实际调研分析，针对路桥过渡段路基提出沉降限值标准，台背路堤设置搭板的，克服了路桥过渡段产生的突变沉降。

参考文献

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[2]吴钰.不同方法估算路基最终沉降量的分析研究[J].华东公路，2012.13.

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作者简介：屈浩（1980-），男，本科学历，研究方向：道桥工程。