桥头过渡段差异沉降影响因素分析

史军强

（山西省公路工程监理技术咨询公司，山西 太原 030006）

在高速公路桥头过渡段，由于地基土含水量高、压缩性强的特性，在填料自身荷载以及车辆冲击振动荷载作用下会发生沉降变形，这是产生桥头过渡段路基“桥头跳车”现象的主要原因，对于高速公路行车舒适性有着严重影响。本文依据桥头过渡段路基差异沉降的病害类型，分析了不同差异沉降类型的成因以及机理，结合某高速公路桥头过渡段路基土力学特性，计算不同影响因素对桥头过渡段路基沉降的影响，研究各影响因素对于路基沉降的敏感性，为研究桥头过渡段路基差异沉降处治技术提供基础。

1 路基沉降分析模型的建立

1.1 路基模型的基本假设

在土力学计算理论中，Mahrcoulomb准则[1]是其中较为常用的屈服准则，目前的土力学计算中一般采用另一种更能准确反映土质材料强度的准则，即为Drucker-Prager屈服准则[2]。

Drucker-Prager模型的屈服准则表达式如式（1）：

一般来说，可以将公路路基沉降划分为两部分：一种为公路地基在路基等附加应力的作用下发生的固结压缩变形，也可以称之为地基沉陷。另外一种是路基本身在自重应力以及路面荷载的作用下发生的压缩变形。本文采用有限元方法模型假设如下[3]：

a）按照二维平面模型计算分析；

b）土质为弹塑性材料，采用D-P本构模型；

c）各层之间完全连续，无相对滑移；

d）模型底面不发生竖向变形，侧面不发生水平方向变形。

1.2 某高速公路桥头过渡段地基土分类及模型计算参数

某高速公路桥头过渡段地基土的组成主要有黄土状土、粉质黏土、亚砂土、黏土以及淤泥质黏土等类型，根据勘测试验结果，选择3种工况条件的地质，进行有限元计算分析，其具体分布如表1～表4所示。

表1 工况一条件下模型计算参数

表2 工况二条件下模型计算参数

表3 工况三条件下模型计算参数

表4 路基土性质参数

2 填筑高度对路基沉降的影响分析

路基填筑高度即表现为路基自重的增加，路基的填筑高度对于地基的附加应力的变化具有直接的影响作用，路基对地基的附加应力随着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，路基自身的压缩变形厚度也随之增大，会造成路基自身压缩变形量的增加，所以路基填筑高度是影响路基沉降的主要原因之一[4]。

根据某高速公路实际工程情况，选择3种不同工况条件下的地基类型，按照不同的路基高度建立有限元模型，进行不同的地基类型、不同的路基填料条件下的路基顶面沉降量变化规律的计算分析，路堤填筑高度取值分别为4 m、6 m、8 m以及10 m四种，路基宽度为28 m，边坡坡度为1∶1.5；地基土种类分别为：黄土状土、粉质黏土、亚砂土、淤泥质黏土等类型，计算结果见表5所示。

表5 不同路堤填筑高度条件下路基最大沉降量 cm

图1 不同路堤填高条件下路基最大沉降量

分析表5不同路堤高度条件下路基顶面沉降计算结果以及图1不同高度从路基沉降曲线可以得出如下结论：

a）路基沉降量与填筑高度成正相关，且沉降速率随着填筑高度的增加而迅速增大。在路基填土种类相同的条件下，填筑高度越高，沉降变化速率越大，表明路基沉降量受路基填土高度的影响较为敏感。

b）对于亚砂土、淤泥质土等承载能力较低的土质状况，在相同路基填高的条件下，沉降量随土质承载能力的降低而增大，承载能力越低沉降量变化速率越快。

3 施工时间对沉降的影响分析

为了对路基施工周期对于路基施工期沉降的影响程度，选择某高速公路桥头过渡段不同断面埋设沉降观测板，对于不同填筑高度的路基进行路基沉降观测，各断面产生的沉降观测结果如下。

3.1 施工时间

断面1为90 d，断面2为45 d，路基填筑高度都为5 m，沉降观测结果、施工进度以及沉降变化曲线分别如表6、图2以及图3所示。

表6 断面1、断面2沉降观测结果

图2 断面1、断面2施工进度

图3 断面1、断面2沉降变化曲线

3.2 施工时间

断面3为120 d、断面4为90 d，路基填筑高度都为10 m，沉降观测结果、施工进度以及沉降变化曲线分别如表7、图4以及图5所示。

表7 断面3、断面4沉降观测结果

图4 断面3、断面4施工进度

图5 断面3、断面4沉降变化曲线

分析不同高度路基沉降观测数据及沉降变化曲线可以得出：

a）对于相同填筑高度的路基，施工时间的不同对于路基总沉降量影响较小，其差别约在5%～10%之间，而路基施工时间对于路基的工后沉降量有着明显的影响，其施工时间越短，工后沉降量越大，说明路基在短时间内不能完成塑性压缩变形。

b）在满足路基施工工期的条件下，应该减小路基填筑速率延长施工时间，从而使得路基在自重作用下有足够的时间发生固结沉降，以减小路基工后沉降。

4 结论

本文分析了桥头过渡段路基差异沉降类型以及不同类型路基的成因和机理，并且结合某高速公路桥头过渡段路基土力学特性，计算分析了不同填筑高度以及施工时间对桥头过渡段路基沉降的影响规律，研究了各影响因素对于路基沉降的敏感性，得出如下结论：

a）路基沉降量与填筑高度成正相关，且沉降速率随着填筑高度的增加而迅速增大。

b）对于亚砂土、淤泥质土等承载能力较低的土质状况，在相同路基填高的条件下，沉降量随土质承载能力的降低而增大，承载能力越低沉降量变化速率越快。

c）对于相同填筑高度的路基，施工时间的不同对于路基总沉降量影响较小，而路基施工时间对于路基的工后沉降量有着明显的影响，其施工时间越短，工后沉降量越大，说明路基在短时间内不能完成塑性压缩变形。

d）在满足路基施工工期的条件下，应该减小路基填筑速率延长施工时间，从而使得路基在自重作用下有足够的时间发生固结沉降，以减小路基工后沉降。