高架桥下路面不均匀沉降机理及车辆荷载影响研究

肖 昊 叶长宏 宋文超 李小青

(1.华中科技大学土木工程与力学学院 武汉 430074; 2.武汉市建设工程设计审查办公室 武汉 430000)

在当前高速公路及城市快速道路的建设中，出于对耕地的保护、线路选择的要求，以及城市用地紧张的原因，加之高架桥的设计施工技术已较为成熟，高架桥的使用越来越频繁。在高架桥下，往往存在道路，而高架桥桥墩的存在可能会对附近道路的路基沉降产生影响。经考察，尤其是在软土地区，高架桥的存在，会使道路产生不均匀沉降，使得路面变形、开裂，严重影响了道路的行车舒适度和行车效率；同时车辆荷载对路基的破坏会导致道路的整体性变差，可能会致使道路产生更多严重的病害。因此，分析高架桥下路面不均匀沉降的机理并研究车辆荷载对道路不均匀沉降的影响，对于道路运营具有实际指导意义。

1 路基不均匀沉降分析

对于高架桥下软土道路，在靠近桥墩处，极易出现不均匀沉降，从而影响道路车辆的行驶。

路基沉降变形随时间可分为3个阶段[1]：瞬时沉降(挤出变形)、主固结沉降、次固结沉降。瞬时沉降为加载过程中，土体来不及排水，由地基上部荷载的挤压作用使土体流动变形引起的附加沉降。主固结沉降和次固结沉降是在路堤和车辆荷载下而产生的固结变形。对软土地基来说，除了上述3部分沉降，还有软土地基在车辆动荷载作用下产生的塑性残余变形[2-3]，这部分沉降占总沉降中较大的比例。

武汉汉口竹叶山地区高架桥及其下方城市道路于2011年建成通车，通车后1年，在靠近桥墩处多段出现波浪形病害，如图1所示，波峰和波谷之间的高差最大可达30 cm。其后采用削平处理，但是随着时间的延续，沉降差仍然增加，如图2所示。

图1 高架桥下路面波浪形病害

图2 高架桥下路面削平处理

由现场情况可知，不均匀沉降主要是发生在桥墩附近，远离桥墩处道路几乎没有不均匀沉降的出现，因此可判断，桥墩是导致路基不均匀沉降的主要因素。

车辆在经过波浪形不均匀沉降形成的曲线形路面时，可将车辆荷载近似为圆周运动[4]，那么车辆在经过波谷时，作用在路面上的力，不仅有自身的重力还有车辆的向心力，即

(1)

车辆在经过波峰的时候，作用在路面上的力因为离心作用，会小于自身重力，即

(2)

式中：F峰、F谷分别为车辆在波峰、谷时作用在路面的力；m为车辆的质量；v为车辆的速度；R为路面的曲率半径。

由式(1)、(2)分析可知，车辆动载会影响道路的不均匀沉降，随着车辆的作用，作用在波谷与波峰之间的力相差了2个近似圆周运动的离心力之和，会导致波谷与波峰的沉降差变大，而波峰与波谷的沉降差变大后，会使路面的曲率半径增大，则在同等车辆荷载条件下，波峰和波谷的受力差增大，会进一步加剧路面的不均匀沉降。

2 数值分析模型建立

采用专业有限元分析软件midas GTS NX对高架桥下软土路基上的路面建立三维模型[5]。

2.1 材料本构关系

1) 地基土。采用midas GTS NX中所提供的修正莫尔-库伦本构模型，修正莫尔-库伦本构是在莫尔-库伦本构基础上改善的本构模型，适用于各种类型的地基，特别适用于像砂土或混凝土类具有摩擦特性的材料。

2) 路面结构层、高架桥承重构件。采用弹性材料，这种材料模型适用于小应变分析，能够在一定的简化条件下模拟结构层的力学性质，通过弹性模量、泊松比、重度等参数来定义材料属性。

2.2 计算参数的选取

为了使计算分析结果更明显，计算参数使用武汉市高架桥下路面不均匀沉降较为严重的竹叶山片区作为参考，设置了如表1所示土体条件，道路结构及高架桥参数也均以该处情况作为参考，设置了如表2、表3所示道路结构计算参数及高架桥计算参数。

表1 土体计算参数表

注：h-厚度；γ-重度；E50ref-三轴试验割线模量；Eoedref-主压密加载试验的切线模量；Eurref-卸载再加载模量；μ-泊松比；e0-初始孔隙比；n-孔隙率；φ-内摩擦角；c-黏聚力。

表2 结构构件的计算参数表

表3 高架桥的计算参数表

模型中的高架桥的桥墩采用单墩的形式，整个模型共有3跨，每跨跨度30 m，桥墩高15 m，承台的高度为3 m，承台下的桩基长45 m，高架桥下的路面宽度为40 m。高架桥下路面示意如图3所示。

图3 高架桥下路面分析示意图

为简化数值分析模型，将示意图中的桥面板省去，将桥面板上的荷载等效施加在桥墩上，采用midas GTS NX有限元分析软件进行模拟分析。

3 车辆荷载影响分析

采用上述高架桥、土体参数和模型进行建模计算，将路面荷载设置为移动荷载100，200，400，600 kPa，荷载设置为3车道。计算中坐标轴方向

规定如下：X方向为水平方向，且垂直于行车方向，将其定义为道路的横向方向；Y方向为另外一个水平方向，且平行于行车方向，将其定义为道路的纵向方向；Z方向为竖直方向，以竖直向上为正。

3.1 横向路面沉降变化

图4为不同路面荷载对路面沉降横向剖面云图。将图4中的承台周围路面沉降深度、路面边缘沉降深度汇总成表4。

表4 不同移动荷载横向路面沉降值汇总表

图4 不同移动荷载作用路面沉降横向剖面云图

将表4中沉降数据绘制成曲线图，如图5所示。

由图4、图5和表4可见：

1) 道路在桥墩处沉降相对较小；远离桥墩处沉降较大，但基本是均匀沉降。

2) 不同车辆荷载对道路横向沉降差影响不大。

3) 当车辆荷载为600 kPa时，横向路面沉降差有相对较大的增加。

3.2 纵向路面沉降变化

图6为不同路面荷载对路面沉降纵向剖面云图。

图6 不同移动荷载作用路面沉降纵向剖面云图

将图6中的承台周围路面沉降深度、跨中路面沉降深度值汇总成表5。

表5 不同移动荷载纵向路面沉降值汇总表

将表5中沉降数据绘制成曲线图，如图7所示。

由图6、图7和表5可见：

1) 随着车辆荷载的增大，纵向路面沉降差越来越大。

2) 车辆荷载对纵向路面沉降差的增加有加剧作用。

图7 纵向路面沉降差与移动荷载的关系图

综上分析结果可知：车辆荷载对于道路不均匀沉降确有加剧的作用，软土地基上道路可规定让大型车靠路边缘行驶，小型车靠路中行驶。考虑到式(1)和式(2)中速度也是一项影响因素，还可在软土地基处限制车辆的行驶速度，以在运营阶段改善道路不均匀沉降的问题。

4 结论

1) 高架桥下道路不均匀沉降主要发生在桥墩附近，表现为桥墩附近沉降小于远离桥墩路面沉降，即桥墩处凸起。

2) 车辆荷载会加重桥墩附近的波浪形病害，随着车辆荷载的增加，波峰和波谷的沉降差近似呈二次增长。

3) 规定大型车靠路边缘行驶，限制车辆的行驶速度，可在运营阶段改善道路不均匀沉降的问题。

[1] 陈伟泸.城市道路软土路基的沉降计算问题[J].安徽建筑,2008,15(5):155-157.

[2] 凌建明,王伟,邬洪波.行车荷载作用下湿软路基残余变形的研究[J].同济大学学报,2002,30(11):1315-1320.

[3] 耿大新,钟才根,郑明新.交通荷载作用下软土基残余变形的研究[J].华东交通大学学报,2007,24(4): 47-51.

[4] 孙立强,闫澍旺,徐余.软土路基“波浪型”不均匀沉降及其机制分析[J].岩土力学,2011(32):54-57.

[5] 张宏光,谢永利.桥台柔性搭板的数值仿真[J].长安大学学报(自然科学版),2006,26(3):39-42.