台背回填段再生水稳铣刨料沉降特性及力学响应

(山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250101)

目前，路桥过渡段“桥头跳车”问题是道路建设中的重大工程难题，严重影响行车舒适及安全[1-2]。“桥头跳车”问题由来已久，刘萌成等[3]早在2005年就利用有限元数值计算方法对路桥过渡段不均匀沉降提出了标准与设计要求。近年来，国内外许多学者针对“桥头跳车”提出解决方案，包括预埋管涵[4]、填筑轻质材料[5-8]、埋设各类桩基[9-12]以及路堤加筋[12-14]等方式，但是绝大多数处置措施成本过高或者处置效果不明显。因此亟待需要一种成本合理且处置效果明显的措施来解决问题。

随着我国经济的快速发展，交通量呈“爆炸式”增长，大量高速公路需要进行改扩建。由于耕地资源紧张，目前我国道路改扩建以原路基的拓宽为主。在路基拓宽过程中，需要对硬路肩进行挖除，产生大量的基层无机回收料(原路面基层为水泥稳定类材料，铣刨后的基层无机回收材料简称“水稳铣刨料”)。在以往的工程实际中，或将其废弃，或掺加大剂量水泥用于路面基层。许多学者将铣刨料筛分加工后按不同掺量替代天然集料[15-19]，掺加4.5%～5.5%水泥再生后利用到路面基层，发现随着再生集料掺量增加，7、28 d龄期无侧限抗压强度和劈裂强度减小，90 d龄期强度增加，干缩性能、抗冲刷性能和抗冻性能降低。张立明[20]测试了振动压实方法成型下水泥稳定再生骨料基层的力学指标与路用性能，结果表明各项指标均满足规范要求且路用性能良好，但将其应用到路面基层需掺加大量水泥，导致成本大幅增加。

水稳铣刨料相对于传统台背回填材料，如风积砂、砂砾石、石灰稳定土等，具有压缩变形小、水稳定性好、刚度适中(刚度介于桥台刚性材料和路基柔性材料之间)的特点，可在路桥过渡段实现材料刚性—半刚性—柔性的合理过渡，道路结构更合理，行车更舒适。如将水稳铣刨料用于台背回填段不仅可以实现废旧材料的再利用，而且可有效解决路桥过渡段差异沉降问题。但是，再生水稳铣刨料作为一种新型的台背回填料，其沉降特性及力学响应尚不明确。本研究以京台高速改扩建实体工程为依托，在水稳铣刨料中掺加2%低剂量水泥再生后用于台背回填，采用有限元数值计算及现场沉降监测的方法，分析再生水稳铣刨料作为台背回填料的沉降特性，研究路桥过渡段台背关键部位的应变、应力特性及发展规律，为路桥过渡段实体工程设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段沿线既有公路改扩建工程，起自京台高速与青兰高速交叉的泰山枢纽，止于鲁苏两省交界的台儿庄区张山子镇南的省际收费站。原有道路为双向四车道，设计速度为120 km/h，路基宽度为24 m。改扩建工程主线全长189.48 km，采用双向八车道高速公路技术标准，设计速度为120 km/h。拟改扩建工程采用“两侧拼宽为主，局部受限路段采用单侧拼宽、高架桥为辅”的加宽方式，两侧拼宽方式扩建段的路基宽度为42 m。改扩建中原路基土主要为粉质黏土、粉土、碎石土，要求改扩建各路段路基填料与旧路基填料一致，或使用透水性更好的材料填筑以利于新旧路基的衔接。

京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段改扩建工程TZSG-4 标段，周边村落密集，环境复杂，31 km路段内设置了多个桥涵，台背回填工程量巨大。如果在改扩建过程中不重视“桥头跳车”问题，将严重影响京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段的施工质量，降低其后期使用品质。本工程将改扩建过程中产生的大量水稳铣刨料，掺加2%水泥后再生利用，应用到台背回填段，以此来解决“桥头跳车”问题。

2 有限元模型

2.1 模型概述

根据工程实况，建立与京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段改扩建工程TZSG-4标段K547+763处李家庄2号通道一致的三维模型。利用ABAQUS有限元建立路桥过渡段三维几何模型，道路整体及新建道路部分三维模型如图1所示。模型分为老路部分与新建部分，主要结构有地基、常规路基、台背回填段、路面结构、搭板、桥台及两侧边坡。本模型计算单元类型采用C3D8R，为提高计算准确性，各部件网格划分不同。对于重点分析部件，如回填段部分，网格划分更精细。该路段地基经过多年固结，固结程度大，受压后沉降较小，参考文献[3]建立如下模型：地基填土高5 m，路堤高6 m，台背回填段高6 m，桥台高度6 m，搭板厚度0.2 m，路面基层和面层分别为0.56 m厚的水泥稳定碎石和0.2 m厚的沥青混凝土。在道路横向，两侧新建道路宽度各9 m，原路宽24 m，总宽度42 m，路堤边坡坡比为1∶1.5；在道路纵向，计算范围为沿桥台伸展25 m，其中搭板长度为6 m，台背回填料与路基为台阶形衔接，回填料上部长度为12.5 m、下部为9 m，常规路基上部为12.5 m、下部为16 m。

图1 三维模型Fig. 1 3D model

该模型模拟的工况为填筑完成后210 d内路桥过渡段的静力模型。在Geostatic分析步中对地基施加自重应力、平衡地应力，在load分析步中对整个上部模型施加自重，load分析步共分为两步，计算时间分别为30、180 d。边界条件根据实际工况对整个模型底部、道路延展方向和地基其他两侧进行约束，其中模型底部对3个方向进行约束，其他边界只进行法向约束。

为研究低掺量水泥再生水稳铣刨料填筑台背的沉降及力学响应，采用3种工况对比分析：填筑水泥掺量为2%再生水稳铣刨料、填筑风积砂和填筑常规路基土。

2.2 模型参数

对再生水稳铣刨料进行室内试验[18-21]，结果如表1所示。由表1可知：与不掺水泥的水稳铣刨料相比，水泥掺量为1%、2%、3%时，再生水稳铣刨料28 d抗压强度分别增加1.8、2.6和4.3倍，劈裂强度分别增加2.0、8.3和11.3倍；水泥掺量由2%增加到3%时，无侧限抗压强度增加幅度较大，劈裂强度增加幅度较小。在不掺加水泥时，加州承载比(california bearing ratio，CBR)值达157%，当掺加2%水泥后，回弹模量为2 667 MPa。可见水泥掺量为2%时，再生水稳铣刨料具有良好的强度及承载能力。

表1 室内试验Tab. 1 Laboratory test

结合室内试验结果及参考相关文献[3-8]，确定有限元模型参数如表2所示。其中桥台混凝土、搭板与沥青混凝土采用线弹性模型，其余材料均采用Druker-Prager模型，Druker-Prager模型硬化参数如表3所示。表3中，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，εp为应变量。

表2 材料模型参数[3-5]Tab. 2 Material model parameters

表3 Druker-Prager模型硬化参数[3-5]Tab. 3 Hardening parameters of Druker-Prager model

3 结果分析与工程验证

对3种工况距离桥台的典型位置2、10和20 m进行数值计算，分析沉降及力学响应分布规律，3个典型位置分别为：新台背回填料与桥台搭接处、新台背回填料与常规路基搭接处和常规路基远端。

3.1 沉降分布规律

3.1.1 沉降在道路纵向的分布

在道路纵向，首先对新建道路路桥过渡段中线对应位置进行分析，研究不同工况典型位置沉降量随时间分布规律，如图2所示；其次，按空间分布分析不同工况下，新建道路纵向中心线路基顶部的沉降量分布规律，如图3所示。

由图2可知，填筑再生水稳铣刨料时沉降主要集中在前40 d，40 d后沉降趋于稳定，其典型位置沉降分别为5.0、8.5和10.7 cm；填筑风积砂沉降量约在45 d后稳定，典型位置最大沉降量分别为5.4、10和11.2 cm；填筑常规路基土时，约在60 d达到稳定，在距离桥台10 m处沉降量较大，达到11 cm。可见填筑再生水稳铣刨料时，不仅靠近桥台处沉降量更少，而且在回填料与常规路基搭接处沉降改善更加明显，较使用风积砂和常规路基土分别减少了17.6%和29.4%。

图2 不同工况典型位置沉降量随时间分布规律Fig. 2 Time distribution of settlement at typical locations under different working conditions

由图3可知，在新建道路中心线，不同回填料沉降差异主要集中在距离桥台1～16 m处，对比填筑常规路基土的情况，填筑再生水稳铣刨料沉降量减少了25%，其沉降量曲线更为平顺，桥台与回填段差异沉降更少，可见填筑再生水稳铣刨料明显减少了路桥过渡段差异沉降。

3.1.2 沉降在道路横向的分布

道路横向不同位置沉降量曲线如图4所示，在-10～10 m段整体趋势比较稳定，这是由于该段处于老路段，沉降量为4.5～6.5 cm，但在-20～-10 m段和10～20 m段变化较大，该两段道路为新建路段，沉降稳定性差。由图4(a)、4(b)可知，在新建路段填筑再生水稳铣刨料或风积砂沉降量远少于填筑常规路基土，相比填筑常规路基土与填筑风积砂，填筑再生水稳铣刨料的沉降量分别减少33.3%～37.5%和6.2%～6.7%。

图3 不同工况沉降量在道路纵向的分布Fig. 3 Longitudinal distribution of settlement under different working conditions

综上所述，使用再生水稳铣刨料作为台背回填料可有效减少路桥过渡段差异沉降，实现刚性—半刚性—柔性的过渡，缓解“桥头跳车”问题。

3.2 水平位移分布规律

道路开裂往往发生在路基顶面，因而有必要对路基顶面的水平位移进行分析。道路横向典型位置水平位移曲线如图5所示。由图5可知，在-10～10 m段水平位移较小，均小于1 cm；在-20～-10 m和10～20 m段越靠近边坡水平位移越大，距离桥台10和20 m，水平位移最大(>8 cm)，其原因是拓宽宽度越大，新路堤的倾覆趋势越大。

图4 道路横向典型位置沉降曲线Fig. 4 Settlement curve of typical transverse position of road

图5 道路横向典型位置水平位移曲线Fig. 5 Horizontal displacement curve of typical transverse position of road

从图5(a)、5(c)可以看出，3种工况水平位移相差不大，其主要差异在于图5(b)距离桥台10 m处。该位置填筑再生水稳铣刨料水平位移比填筑风积砂和常规路基土台背回填段水平位移分别减少25.0%和50.0%。可见，填筑再生水稳铣刨料可明显减少台背回填段水平位移，整体性较好，不易产生侧向位移。

3.3 竖向应力分布规律

道路拓宽段路基与常规路基搭接位置易产生应力集中，为了解路桥过渡段位置竖向应力分布，分析拓宽段回填料与路基土搭接位置台阶不同深度处的竖向应力，其结果如图6所示。图中横坐标0点为新旧路基搭接处，靠近边坡位置坐标为10 m。由图6可知，埋深越大回填料与路基搭接处竖向应力越大，并且随着埋深的增加，靠近边坡位置与中间位置竖向应力大小的差异越来越明显，最大应力差达40 kPa，总体上越靠近边坡竖向应力越小。

从图6(a)～6(d)可知，竖向应力的分布呈倒“U”字型，尤其是填筑再生水稳铣刨料与风积砂时，形成了明显的土拱效应。在土拱效应作用下，中间位置受到两侧传来的附加应力导致竖向应力增大，两侧竖向应力减小，进而减小了新旧路基之间的竖向应力差，相比填筑常规路基土竖向应力减小17.3%，降低了新旧路基搭接段失稳的风险。

图6 回填料与路基土搭接段不同深度的竖向应力分布Fig. 6 Vertical stress distribution at different depths of overlapping section between backfill and subgrade soil

3.4 工程验证

对京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段改扩建工程TZSG-4标段K547+763处李家庄2号通道台背回填段进行沉降监测，监测位置分别为道路纵向新台背回填段与桥涵之间(A1)、新台背回填段与常规路基之间(A2)和常规路基远端距桥台20 m处(A3)，每个位置横向布置3块沉降板，总计9块沉降板，选取边坡位置3块沉降板进行沉降特性分析。共进行了210 d的沉降监测，A1、A2、A3监测点沉降最大值分别为4.0、7.2、10.0 cm。

表4 拟合结果Tab. 4 Fitting results

采用指数模型(Y=Y0+AeR0X)[23]对监测数据进行拟合。其中：Y为拟合得到的预估沉降量，cm；X为沉降发展时间，d；Y0、A、R0为拟合参数。拟合结果如表4所示。

由表4可知，可靠度系数R2均大于0.97，回归性良好，将拟合结果与有限元数值计算结果对比，如图7所示。由图7可知，随着时间的增加，台背回填段路基沉降量逐渐增加，约40 d以后逐渐趋于稳定；曲线拟合后的沉降规律与有限元计算沉降规律基本一致；在数值上实际监测结果略小于数值计算结果，相差9.1%～12.5%，其原因是模型中部分材料参数,如泊松比、内摩擦角等均来源于参考文献，与实际工况材料参数略有差异，但总体精度满足要求。对比现场监测结果与数值计算结果可知，再生水稳铣刨料作为台背回填可有效减少路桥过渡段的差异沉降，且数值计算结果可靠性良好。

图7 现场监测与数值计算值对比曲线Fig. 7 Comparison curve of field monitoring and numerical calculation values

4 结论

1) 对比3种工况，再生水稳铣刨料路基沉降达到稳定所需的时间最短，沉降量增加主要集中在前40 d，此后逐渐趋于稳定；在回填料与常规路基土搭接位置，填筑再生水稳铣刨料路基沉降量比风积砂和常规路基土沉降量分别减少了17.6%和29.4%。

2) 水平位移表现出边坡处远大于道路中间位置的规律，老路基本没有产生水平位移，填筑再生水稳铣刨料时边坡处位移相较常规路基土减小了50.0%，说明再生水稳铣刨料整体性较好，可明显增强道路抗滑稳定性。

3) 距离路堤顶部越远竖向应力越大，采用不同材料填筑回填段时会产生土拱效应，使竖向应力中间大两边小，有效减小了边坡以及新旧道路搭接位置的竖向应力，填筑再生水稳铣刨料较填筑常规路基土竖向应力减小了17.3%。

4) 数值计算与现场监测的沉降分布规律基本一致，差异在9.1%～12.5%，数值计算结果可靠性良好。采用再生水稳铣刨料台背回填可有效减少路桥过渡段的差异沉降，对水平位移、竖向应力的减小效果明显。