泡沫混凝土处理桥头跳车的机理分析及数值模拟

杨 朴 （江苏兆通工程技术有限公司，江苏 南京 210017）

1 引言

随着我国国民经济的飞速发展，尤其是东南沿海地区经济发展迅速，且逐渐向滩涂、浅海地区发展。但在该类滨海地区，软土分布较为广泛，且具有含水率高、超深厚、强度低等不良特性。该类地区多细小河流，在其上部搭建桥梁跨越河流时，必须考虑到道路与桥梁连接的相关工程问题，也即要避免桥头跳车现象。而在我国道路工程建造史上，对于该类问题至今未有专家和技术人员提出较好的解决方案，一直以来，桥头跳车是我国公路建设实践中的一大难题[1,2]。不仅表现在投入使用的高规格等级公路由于桥头跳车问题进行的维护费用较高，同时还由于其妨碍正常高速行车，降低了行车舒适性，甚至引发一系列的交通事故，给人民群众的生命财产安全带来巨大的隐患。

泡沫混凝土自上世纪90年代由煤炭科学研究总院由国外引入，并成功应用于开滦煤矿特大顶板冒落崆峒的浇筑回填后，开启了该新型轻质材料在我国的飞速发展之路。泡沫混凝土是一种经发泡剂发泡后与水泥浆均匀混和的含大量封闭气孔的新型轻质保温材料。近年来，逐渐应用于桥头软土地基的处理方案中[3]。

2 泡沫混凝土处理桥头跳车的机理

目前，用于桥头软土地基的回填料主要分为普通填土、泡沫混凝土以及宕渣。表1是3种回填料的相关力学参数。

从表1中可以看出，泡沫混凝土的重度仅为其余两类回填料重度的一半不到，而其由于刚度较高，因此相对于另两类填土还具有固化后自立、低弹抗震性等优点。

不同路堤填料参数 表1

2.1 减重效应

常见的桥头跳车治理方法是提高地基承载力，具体做法就是在原有的不均匀沉降路面上加铺新的路面，以此来填补不均匀沉降所引起的路面坡差。但该做法治标不治本，由于加铺了新的路面，对应的路堤荷载也就增加了，对于地基会产生新的附加应力，加大了对地基的荷载，不仅会导致新的不均匀沉降，同时还会引起边坡的失稳，久而久之会造成恶性循环。

而泡沫混凝土整体性、抗冲击性能较好，密度小，无侧向压力。相比于另外两类路堤填料，在使用泡沫混凝土填筑之后，路桥连接处的地基为超固结状态，可以减少沉降与不均匀沉降，能够消除原路堤的工后沉降，有望从根本上解决桥头跳车问题。

2.2 刚度修正效应

常见的桥头跳车治理方法还有桥头搭板法，从机理上分析，桥头搭板法是属于刚度过渡的方法，在刚度较大的桥梁和刚度较小的路堤中间安置一块刚度介于二者之间的搭板，但这种处治方法，仅仅是暂时起到了平缓刚柔过渡路段纵向坡度的变化。据美国十多个运输部分的研究报导，有专家提出，桥头搭板只是后移了“桥头跳车”的位置。汽车驶离搭板末端与地基连接处时，会对桥头搭板产生一定的损伤[4]。

泡沫混凝土作为路堤填料时，是采用的阶梯状进行浇筑，每个阶梯段的泡沫混凝土厚度不一样，依次递减。从而保证各个阶梯段的有效刚度是呈线性递减的，这也是从桥头跳车发生的机理上进行考虑，桥头跳车主要是两类刚度差异较大的材料在行车荷载下的不同动力响应，导致发生了差异沉降。

3 工程实例

3.1 工程概况

“十二五”期间，福建省提出了国省干线规划“八纵十一横十五联”。其中宁德市境内的霞浦东冲至火车站段是国省干线“联七线”的重要组成部分。本工程标段所在位置如图1所示。本文以一代表性断面为例，进行泡沫混凝土处理桥头跳车的机理分析和数值模拟，该断面地基土层物理特性如图2所示。

图1 本工程所在地理位置图

图2 本工程某断面地基土层物理特性

3.2 有限元模型

为了探究泡沫混凝土在处理桥头跳车问题中的工程优越性以及数值模拟过程与工程实际进程的一致性，本文事先对地基进行超载预压处理，之后导出其应力场，再进行泡沫混凝土、回填土、宕渣3种路堤浇筑之前导入超载预压后的应力场作为初始地应力场。图3是地应力平衡后的地基竖向应力分布，同时也是路堤回填模型的初始应力场。

图3 地应力平衡后的地基竖向应力分布

图4所示为数值模型几何参数以及计算网格划分图，地基土采用CPE4P单元网格（4节点平面应变孔压单元)，单元形状为结构四边形。上部填筑材料采用CPE4单元网格（4节点平面应变单元)，单元形状为扫略四边形。地基上部自由，左右两侧均为水平方向约束，竖向自由，地基底部水平向和竖向均固定。砂垫层作为地基土一部分，可视为排水边界，地下水位为砂垫层底面处，模型左右两侧设置为不排水边界。

图4 有限元模型几何说明及网格划分示意图

3.3 材料参数及本构选取

根据工程地质勘探报告以及室内土工试验，本文所涉及的材料物理力学取值，淤泥和淤泥质黏土采用修正的剑桥模型，砂垫层和中砂采用摩尔库仑塑性模型，具体如表2所示。

各土层特性参数 表2

表中：γ为土体天然重度；Es为压缩模量；ν为泊松比；e为初始孔隙比；k'为土体水平/垂直渗透系数，塑料排水板处理范围内的淤泥和淤泥质黏土的渗透系数按J.C.Chai二维等效模型计算；φ为内摩擦角；c 为黏聚力[5]。

3.4 不同材料处理桥头跳车的效果对比

通过对比宕渣路堤、填土路堤以及泡沫混凝土路堤与该工程实际地表沉降量，可以发现泡沫混凝土在抑制地基表面沉降量过大这一问题上比宕渣和填土要好很多。从图5所示的宕渣路堤沉降量中可以看出在坡脚处易出现沉降量突变的现象，这是由于宕渣本身重度大，在软土地基上铺设宕渣路堤容易引起路堤的失稳，造成安全事故。图6所示的填土路堤未出现宕渣路堤的沉降量突变的情况，因为填土路堤的重度相对较小，且填土刚度与地基差别不大，但沉降量依然是比较大的，仍然会引发桥头跳车问题。图7所示的是泡沫混凝土路堤数值模拟结果与现场施工的实测对比图，可以看出二者差别不大，从侧面反映数值模型采取的本构参数是接近该工程实际情况的；另外在现场施工过程中，因不可避免的原因，路堤边线处设置了变道，供渣土车及行车通过，因此从实测的结果可以看出，坡脚处沉降量比路堤中线处沉降量要大一些，这也为该路段可能发生的路堤不稳定事故提供预警。

4 结论

本文分析了泡沫混凝土处理桥头跳车的机理，并以福建某公路实际工程为背景，通过abaqus建立了有限元分析模型，分析了宕渣、填土及泡沫混凝土三种材料处理桥头跳车的差异。结果表明，泡沫混凝土路堤的沉降量是三种材料中最小的，数值模拟的最大值约为0.04m，并且对比了实际测量结果，从侧面反映该有限元模型选取的本构参数符合实际工程情况，该计算结果可为福建软土地区解决桥头跳车问题提供工程参考。

图5 宕渣路堤沉降图

图6 填土路堤沉降图

图7 泡沫混凝土路堤沉降图