搭板加筋路基处理路桥过渡段差异沉降研究

陆文亮 江 淮

(1.上海浦东建筑设计研究院有限公司 上海 200127； 2.上海大学土木工程系 上海 200444)

由于桥台结构与台后路面存在差异沉降而使得路桥连接处形成错台或显著的纵坡变化，当车辆高速通过时会产生颠簸，即“桥头跳车”现象。桥头跳车不仅影响行车的舒适和行车安全，并且加速了桥台台背、桥头伸缩缝及接缝路面的破坏，严重损害了社会效益[1-2]。

解决桥头跳车的一个主要方法是设立桥头搭板。桥头搭板在路面的刚柔过渡方面起到了一定作用。对于桥头搭板长度、厚度的设置，规范未具体给出计算方法，阎妍[3]提出根据桥头路堤填料计算破坏棱体长度确定桥头搭板长度方法，既考虑了桥头路堤的高度，也考虑了填料的内摩擦角及台背与填土间摩擦角的作用。丁静声等[4]利用有限元计算手段，计算地基模量和搭板长度之间关系，为桥头搭板的正确设计与施工提供依据。但设立搭板后的一个问题是由于搭板与路基衔接处的模量差异巨大，易发生差异沉降，从而会引起车辆行驶时的颠簸，即导致“二次跳车”现象的发生[5]。

设置土工格栅同样是一项处理桥头跳车的常用方法。许多学者已对格栅处理桥头路段沉降展开了丰富研究。马强[6]通过现场试验对新型三向格栅加筋桥头路堤填土的有效长度和作用效果进行了分析,并利用数值模拟分析了格栅刚度和路堤填料参数对桥头差异沉降和格栅锚固端拉力的影响；田小革[7]通过现场试验观测了土工格栅加筋处理后的路堤沉降，并运用有限元方法对其验证；胡幼常[8-10]通过现场测试和数值模拟分析了双向格栅加筋桥头路堤的处理效果。

目前，处理路桥过渡段差异沉降的工程技术及数值模拟主要属于单一处理方法，少有对联合处治方法的研究。本文结合上海市济阳路工程，应用有限差分软件FLAC3D建立三维模型，研究路桥过渡段搭板加筋路基的差异沉降。

1 工程概况

本项目为上海市浦东新区济阳路快速化改造工程。由北向南范围为卢浦大桥引桥至闵行区界，全长7.1 km。工程拟采用“高架快速路+地面道路”的断面布置形式。根据勘察结果，桥台接坡处土层主要为软弱土，其土质含水量大，孔隙比大，压缩性高，呈流塑状，土质软弱，是引起路基沉降的主要土层。故宜对桥台接坡处一定范围内的土体进行适当的地基处理。本文选取其中高架桥与道路连接处研究路面差异沉降问题。

2 计算模型的建立

2.1 计算模型

为了研究在上部荷载作用下高架路桥过渡段的差异沉降，建立了三维有限元模型，三维模型网格划分见图1。依据工程设计，匝道与地面相接处设置落地梁，拟采用桩基础，落地梁结构设计图见图2。

图1 三维模型网格划分(单位：m)

图2 落地梁结构设计图(单位：高程，m；尺寸，mm)

本文采取简化后的落地梁结构作为桥头结构建立计算模型。道路路面高度为1 m，路基高度为2 m，地基土层从上到下分为：填土高度4 m，粉质黏土2 m，淤泥质粉质黏土5 m，黏质粉土2 m，淤泥质黏土7 m，黏土2 m，几何模型见图3。搭板加筋路基示意图见图4。

图3 几何模型(单位：m)

图4 搭板加筋路基示意图

在计算过程中设定多个路面段竖向位移跟踪点，以桥头结构左侧O为起点，依次向右距离桥头左侧O点距离为：0.5，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18，20，24，28，32，36，40，45，50，55，60 m，记录沉降数值。

通过固定计算模型中桥头结构底部和搭板远台段底部的竖向位移来模拟地基刚性桩的沉降控制作用。

位移边界条件为：沿路基轴向边界的水平方向位移与底部边界的水平和竖向位移均被约束。

1) 在x=-15和60 m平面上采用位移边界条件，沿X轴方向水平固定，位移为0，即u=0。

2) 在y=0和8.5 m平面上沿Y轴方向水平固定，位移为0，即v=0。

3) 在z=0平面上沿Z轴方向垂直固定，位移为0，即w=0。

2.2 计算参数及荷载参数

道路为单向双车道，拟定车辆的两轮间距为2 m，轮胎压力为0.7 MPa，由于道路车流量较大，故采用条形荷载来模拟车辆荷载，车轮与地面的接触面为矩形，宽度为0.25 m。汽车荷载分布图见图5。

图5 汽车荷载分布图(单位：m)

采用Geogrid结构单元模拟土工格栅的加筋作用，材料参数见表1。

表1 结构单元材料参数

地基土层及路基土层均采用Mohr-Coulomb模型，桥头结构、搭板和路面结构层由于其均质、连续、各向同性，采用弹性模型进行计算模拟。具体材料参数见表2。

表2 实体单元材料参数

3 差异沉降影响因素分析

3.1 搭板长度对差异沉降的影响

根据目前常用的桥头搭板尺寸，采用3种不同的搭板长度进行路桥过渡段路面沉降的对比分析，搭板尺寸分别为：6，8，10 m，厚度均为30 cm。布置搭板前后沉降曲线图见图6。

图6 布置搭板前后沉降曲线图

由图6可知，设置搭板后，由于减小了桥头结构与路基较大的刚度差，路桥交界处已无错台现象。行车较为舒适，且可有效避免行车事故。

由沉降曲线图还可看出，设置搭板可以减小路面距离桥头结构25 m范围内的绝对沉降。搭板远桥台端路面沉降减小了2 cm左右，差异沉降较处治前减小了34%左右，减小差异沉降效果明显。

目前，一般以容许工后沉降量为指标来控制引道土体工后沉降量。然而，在已建高速公路中，如果以容许沉降量作为唯一控制指标，桥头跳车现象仍然会出现，有的还十分严重。对此，叶见曙[11]提出新控制标准，即提出桥头引道的容许纵坡变化值控制在0.4%以内。

故本文考虑路桥过渡段纵坡的变化情况。布置搭板前后纵坡曲线图见图7。

图7 布置搭板前后纵坡曲线图

由纵坡曲线图可看出，设置搭板后路桥交界处纵坡坡差由0.85%左右降低到了0.2%，高速行驶的汽车通过时不再颠簸跳跃，避免了桥头跳车现象的发生。设置搭板显著减小了路面前20 m范围内的纵坡变化，沉降变化更加平缓，行车更为舒适。

需要注意的是，设置搭板后在搭板远桥台端路面的纵坡仍较大。6 m长搭板最大，约为0.4%，8 m长搭板次之，10 m长搭板最小，为0.35%左右。究其原因，在设置搭板后，虽然由于地基的沉降变形在桥头形成的台阶差得到消除，但纵坡变化率越来越大，由于搭板的模量与路基存在巨大差异，在搭板与路基的衔接处会存在显著转折，从而引起车辆行驶的颠簸，导致“二次跳车”现象的发生。由此需考虑联合土工格栅设置加以避免。

3.2 土工格栅层数对差异沉降的影响

采用FLAC3D软件内置的Geogrid结构单元在2 m高的路基中布置远至40 m长的土工格栅，每隔1 m布置1层，第一层在地基与路基交界处，第二层在路基中部，第三层在路基与路面交界处，比较格栅层数对差异沉降的影响。搭板加格栅布置形式见图8。

图8 搭板加格栅布置形式(单位：m)

搭板加格栅前后沉降曲线图见图9。从沉降曲线来看，搭板加土工格栅对搭板过渡段沉降减小效果不大，对搭板后的路面段有一定的沉降减小效果，在距桥头结构25 m处搭板加3层格栅相比仅加搭板减小了1 cm的沉降，路面差异沉降较仅加搭板减小了15%。

图9 搭板加格栅前后沉降曲线图

搭板加格栅前后纵坡曲线图见图10。从纵坡曲线来看，搭板加格栅后较仅加搭板，整体路面范围内纵坡波动有所降低，路面沉降更为平缓。其中在搭板过渡段，对于其最大纵坡有一定程度的减小，对搭板造成的二次跳车现象有所抑制。

图10 搭板加格栅前后纵坡曲线图

对于土工格栅层数的影响，可以看出，对于减小路面沉降及最大纵坡，布置土工格栅的效果主要体现在第一层、路基与地基交界处。即土工格栅的效用在一定程度上受到层数的限制。

3.3 土工格栅模量对差异沉降的影响

在不同土工格栅模量，同样使用3层格栅加筋的情况下，对路桥过渡段搭板加筋路基的路面沉降量进行了计算，不同格栅模量沉降曲线图见图11。

图11 不同格栅模量沉降曲线图

由图11可看出，增大土工格栅的模量可以减小路桥过渡段一定范围内的路面沉降，格栅模量的增大对减小沉降的效果主要体现在路桥过渡段20～30 m处，对桥头路段作用不大。由于格栅模量的增高，路基内的加筋效用也随之增大，道路承载力提高，从而减小了路面沉降。在土工格栅模量从20 GPa提升至35 GPa时，较5 GPa提升至20 GPa时对路面沉降减小的效果增加幅度减小，所以合理选择土工格栅模量在实际工程中是有必要的。

4 结论

本文利用FLAC3D软件分析了路桥过渡段搭板加筋路基的差异沉降。对比分析搭板长度与土工格栅层数、模量对路桥过渡段差异沉降影响，主要得到以下结论。

1) 设置搭板可有效消除路桥连接处的错台现象，减小路面差异沉降，但易导致二次跳车现象的发生，需考虑联合设置土工格栅加以避免。

2) 搭板加筋路基方法增强了路基承载力，可进一步减小路面沉降，降低整体路面范围内纵坡波动，路面沉降更为平缓。并且由于在搭板远端持续铺设了土工格栅，使得搭板与路基衔接处的模量差异有所降低，从而在一定程度上抑制了“二次跳车”现象的发生。

3) 土工格栅的效果与格栅层数与模量相关，格栅减小路面沉降与最大纵坡的效果主要体现在路基与地基交界处，格栅模量的增大可以减小路面沉降。