桥墩承台对高架桥下路面不均匀沉降的影响

张 玉 张 峰 肖 昊 郑立斐

(1.河南交院工程有限公司 郑州 450000； 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430000； 3.华中科技大学土木工程与力学学院 武汉 430074)

近年来，建设高架桥成为改善交通状况的有效措施。在高架桥运营过程中，桥下路面大量出现不均匀沉降，严重影响交通通行，同时还存在诸多安全隐患。路面不均匀沉降引起路基整体性变差，路基整体或部分下沉，路面开裂破坏，导致行车舒适度降低，阻碍车速，影响交通流量[1-2]。因此，分析和研究承台对高架桥下桥墩间路面不均匀沉降的影响，并提出合理化的建议是十分必要的。

1 数值分析模型的建立

为了更准确地模拟高架桥下桥墩间的路面变形情况，建立三维模型进行有限元分析，模型中的高架桥桥墩采用单墩形式，整个模型中共有3跨，每跨的跨度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。

为简化数值分析模型，省去桥面板，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，数值分析模型见图1。

图1 数值分析模型

1.1 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，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。采用弹性材料模型，这种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。

1.2 计算参数的选取

该模型中具体的参数见表1和表2。

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

2 承台埋深H对路面不均匀沉降的影响

采用上述的模型及计算参数进行建模模拟，采用的承台埋深是以路面面层为基准进行计算[3]，模型的埋深分别为H=0.2，0.85，1.35，1.85，2.35，2.85 m。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。

2.1 横向路面沉降变化

不同承台埋深时路面沉降横向剖面云图略，将其中特征数值汇总如表3所示。

表3 不同承台埋深下横向路面沉降值汇总表

由表3可见：

1) 道路在承台处相对凸起，在道路两侧相对凹陷。

2) 当承台的埋深深度不同时，承台的沉降值都很小，数值相差不大，相对于路面的沉降值，承台的沉降值变化可以忽略不计。

3) 随着承台的埋深增加，承台周围的路面和道路两侧的路面的沉降值均增大，但二者的沉降差值有略微降低的趋势，当承台埋深在1.85～2.35 m时，路面的沉降差降低较明显，但整体变化不明显。

2.2 纵向路面沉降变化

承台不同埋深下，路面沉降纵向剖面云图略。

将其中特征数值汇总如表4所示。

表4 不同承台埋深下纵向路面沉降值汇总表

由表4可见，当承台的埋深深度不同时，承台的沉降值都很小，数值相差不大，相对于路面的沉降值，承台的沉降值变化可以忽略不计。

将表4中的路面沉降差的数值点画成曲线图，如图2所示。

图2 路面沉降差与承台埋深关系图

根据图2中的变化趋势可以看出。

1) 随着承台埋深增加，路面沉降差逐渐减小。

2) 当承台的埋深小于1 m时，随着承台埋深增加，路面沉降差的递减变化不明显。

3) 当承台埋深在1～2.5 m时，随着承台埋深增加，路面沉降差递减变化显著，差值减小幅度较大。

4) 当承台埋深超过2.5 m时，随着承台埋深增加，路面沉降差递减变化不明显。

3 承台与路面的相对刚度K对路面不均匀沉降的影响

3.1 承台与路面的相对刚度K

路面的刚度是指道路在车辆荷载作用下，受力影响范围内，路面沉降变形区域的抗变形能力。沿着路面横向或纵向分析，路面不同区域，路面与公路构筑物之间的刚度差异十分明显，在同一外力的反复作用下，路面产生不同的变形量，必然会引起非常明显的沉降差异，导致路面破坏，无法保持其正常使用功能[3]。

桥涵结构物一般采用钢筋混凝土结构，具有较大的刚性，不易发生沉降和变形。但是对于铺筑在高架桥承台附近处的路面而言，一般采用沥青混凝土等材料铺筑，属于半刚性或柔性结构，容易产生压缩沉降。当高架桥建成，桥下路面通车后，随着时间的推移和车辆及自身重力荷载的影响，路面及高架桥承台处的填土密实度增大，孔隙率降低，结构层之间被压缩，而桥梁承台由于本身的刚度大，因此产生的沉降变形相对于桥下路面小很多，可以忽略不计[4]。久而久之，当路面与承台的相对沉降差超过一定程度时，沥青混凝土路面就会出现沉降或断裂，两者之间形成错台，便会在承台附近处出现“跳车”现象[5-6]。

一般认为，“刚度”就是物体在外力作用下抵抗变形的能力，是物体在外力作用下应力-应变关系的表征，在工程上一般采用弹性模量来衡量结构或构件的刚度。为减小承台与路面的相对刚度，采取增加路面刚度方式进行模拟分析。模型中承台的埋深取2.35 m，路面的弹性模量分别取3，5，10，15，20，25 GPa。

3.2 横向路面沉降变化

图3为不同路面弹性模量时，路面沉降横向剖面云图。

图3 不同路面弹性模量下路面沉降横向剖面云图

由图3可见，道路在承台处相对凸起，在道路两侧相对凹陷。随着路面的弹性模量的增加，承台周围的路面沉降变化不大，但是道路两侧的路面的沉降值均逐渐降低，二者的沉降差值减小较明显。将特征点处沉降数值汇总如表5所示。

表5 不同弹性模量下横向路面沉降值汇总表

由表5可见，当路面的弹性模量变化时，承台的沉降值都很小，数值相差不大，相对于横向路面的沉降值，承台的沉降值变化可以忽略不计。

将表5中的横向路面沉降差的数值绘制成曲线图，如图4所示。

由图4可见：

1) 随着路面弹性模量的增加，横向路面的沉降差逐渐减小。

2) 当路面的弹性模量小于5 GPa时，随着路面的弹性模量的增加，横向路面的沉降差的递减变化不明显。

图4 横向路面沉降差与弹性模量关系图

3) 当路面的弹性模量在5～15 GPa时，随着路面的弹性模量的增加，横向路面的沉降差递减变化显著，递减的速率较大，差值减小幅度也较大。

4) 当路面的弹性模量超过15 GPa时，横向路面的沉降差的递减速率逐渐减小，但是横向路面的沉降差值仍在减小。

3.3 纵向路面沉降变化

图5为不同路面弹性模量时，路面沉降纵向剖面云图。

图5 不同路面弹性模量下路面沉降纵向剖面云图

由图5可见，随着路面的弹性模量增加，路面的“波浪形”变化幅度削弱，即表明路面的沉降差值逐渐减小，同时道路的整体沉降值也在减小。将图特征点处沉降数值汇总如表6所示。

表6 不同弹性模量时，纵向路面沉降值汇总表

由表6可见，当路面弹性模量增加时，承台的沉降值逐渐增大，但数值增加不大。而且相对于纵向路面的沉降值，承台的沉降值变化基本可以忽略不计。

将表6中的纵向路面沉降差的数值点绘制曲线图，如图6所示。

图6 纵向路面沉降差与弹性模量的关系图

由图6可见：

1) 随着路面弹性模量的增加，纵向路面的沉降差逐渐减小，而且纵向路面沉降差的数值小于横向路面沉降差的数值。

2) 当路面的弹性模量小于5 GPa，随着路面弹性模量的增加，纵向路面的沉降差的递减变化不明显。

3) 当路面的弹性模量在5～15 GPa时，随着路面弹性模量的增加，纵向路面的沉降差递减变化显著，递减的速率较大，差值减小幅度也较大。

4) 当路面的弹性模量超过15 GPa时，纵向路面沉降差的递减速率逐渐减小，但路面的沉降差值仍在减小。

4 结语

利用midas GTS NX建立高架桥与地基路面的三维模型进行有限元计算，承台对路面不均匀沉降的影响主要表现在以下两方面。

1) 当承台的埋深小于1 m时，随着承台的埋深增加，路面沉降差逐渐减小，但减小的幅度不明显。当承台的埋深在1～2.5 m时，随着承台的埋深增加，路面的沉降差也逐渐减小，并且减小幅度较大。当承台的埋深超过2.5 m时，随着承台的埋深增加，路面的沉降差逐渐减小，但减小的幅度也不明显。

2) 路面的沉降差随路面弹性模量的增加而递减，当路面弹性模型小于5 GPa，路面的沉降差的递减变化不明显。当路面的弹性模量在5～15 GPa时，道路的沉降差递减变化显著，递减的速率较大，差值减小幅度也较大。当路面弹性模量超过15 GPa时，道路沉降差的递减速率逐渐减小，但沉降差值仍在减小。

3) 为减小路面的沉降差和节约施工成本，根据具体工程概况，可将承台的埋深控制在1～2.5 m内。

4) 减小承台与路面的相对刚度，即提高路面的刚度可有效减小路面的沉降差，针对此因素，可采用混凝土刚性路面以减小路面的沉降差。

[1] 杨友国.公路桥梁沉降段路基路面的施工技术研究[J].黑龙江交通科技,2013(8):77-78.

[2] 张宏光,谢永利.楔形柔性搭板模型试验[J].长安大学学报(自然科学版),2005,25(3):54-57.

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[4] 俞永华.路桥过渡段差异沉降处治技术研究[D].西安:长安大学,2004.

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[6] 牛思胜.黄土地区台后跳车柔性搭板处治技术研究[D].西安:长安大学,2006.