降雨条件下路桥过渡段不均匀变形研究

作者简介：黄永旺（1984—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

针对降雨条件下公路桥梁过渡段路基的不均匀变形沉降问题，文章基于Midas有限元软件，研究了路桥过渡段沿线路方向在自重及4种降雨条件下的变形情况，比较分析了过渡段及路基段的不均匀性。研究结果表明：（1）路基某点的变形量由该点自身变形和其下方路基的变形累积两部分组成；（2）模型在自重及4种降雨条件下，沿线路方向的变形在不断变大，且过渡段路基的变形量要远大于路基段地基的变形量，过渡段不均匀系数约为路基段不均匀系数的3倍，说明过渡段的变形更不均匀；（3）降雨条件下的路基变形不但与降雨量有关，与降雨情况也有关，最大入渗深度为最小入渗深度的3.5倍。

路桥过渡段；Midas软件；降雨条件；不均匀变形

U416.1A080284

0 引言

21世纪以来，我国交通运输不断发展，经济也随之提高，交通运输可以增强经济体系的开放性，良好的交通条件可以加速区域内部经济循环，保证经济发展。路桥过渡段作为交通建设中的特殊结构，是道路与桥梁连接的关键［1］，针对其不均匀沉降的控制对其施工技术及病害的研究尤为重要。

目前，国内外学者对路桥过渡段取得了丰富的研究成果，刘晓娟［2］介绍了路基不均匀沉降的危害，强调了道路施工质量的重要性，分析了不均匀沉降的原因；贾亚楠［3］总结了路桥过渡段常见病害，并提出了相应的处置措施；吴可添［4］阐述了过渡段软基的处置方法，并监测过渡段的沉降变形，验证处置方法的可行性；常文浩等［5］研究了冻胀作用对过渡段的冻胀变形，融解时的沉降变形，说明了外界环境对过渡段的不均匀变形的影响；薛鹏等［6］基于ANSYS软件分析了CFG桩对过渡段不均匀沉降的影响；韦春艳［7］基于ABAQUS软件分析了CFG桩的相关参数对过渡段不均匀变形的影响；陈艺伟［8］分析了过渡段不均匀沉降的原因，并提出了对桥头搭板的宽度及长度设置、加筋土路基的预防措施；吴毅翔［9］介绍了路桥过渡段典型病害：桥台跳车，并分析病害产生的原因。综上所述，路桥过渡段中路基段和桥梁所用材料不同，膨胀率、弹性模量等均不同，故在同一环境下变形有所不同，在不同环境中的变形也有所差异；降雨作为常见的自然现象，公路桥梁过渡遇水膨胀率有所差异，雨水会影响地基及路基的变形；若对过渡段的不均匀变形的预防处置不到位，会出现跳车现象，影响行车舒适性，造成司乘人员的恐慌，缩短项目使用年限。由此可见，针对路桥过渡段的不均匀变形的研究具有很大的实用价值。

鉴于此，为避免某高速公路路桥过渡段桥头跳车等病害发生，本文基于Midas Civil有限元软件，研究了路桥过渡段沿线路方向在自重及4种降雨条件下的变形情况，讨论了雨水入渗深度不同的影响因素，比较了过渡段及路基段的不均匀性。

1 室内试验分析

对某高速公路路桥过渡段路基探洞取样，并根据土体空间位置及土质进行分组，土样1为基床表层土体，土样2为基床底层土体，土样3为路堤填土土体，土样4为地基土体；开展液塑限试验，试验结果如表1所示。

为探究过渡段在降雨条件下的变形情况，需研究试样吸水后的膨胀率，对4种土样进行自由膨胀率试验及有荷膨胀率试验。有荷膨胀率试验中，为模拟试样上方覆盖土体的特征，在试样上方施加50 kPa的竖向荷载，自由膨胀率及有荷膨胀率试验结果如表2所示。

由表可知，过渡段土体自由膨胀率＜40%，故该土样只具有微膨胀性；有荷情况下，膨胀率最大为0.008%，最小为0.005%，说明荷载对土体膨胀有较大影响，判断该土体为微膨胀土。

不同含水率条件下的土体膨胀也有所差异，制备含水率为10%、15%、20%、25%的4种试样，开展不同荷载条件下的三轴压缩试验，绘制4种试样膨胀量变化曲线如图1所示。

图1 不同含水率试样膨胀变化曲线图

由图1可知，随着含水率的增加，膨胀量在不断变大，随着荷载的增加，膨胀量在不断变小；无荷变有荷时，膨胀量降低幅度最大；无荷条件下，试样膨胀量曲线斜率最大，含水率25%的试样增加了468.8%。

2 数值模型的建立

为研究过渡段在降雨条件下的不均匀变形，以某高速公路路桥过渡段为研究背景，基于Midas Civil软件建立公路路桥过渡段降雨-渗流有限元模型，模型长度为100 m，高度为80 m，过渡段为底宽10 m、顶宽25 m、坡度为1∶2.5的倒梯形，采用直径为0.5 m、高为25 m的CFG桩进行加固，距桥台0～25 m桩间距为1.5 m，25～100 m设置为2 m，如图2所示。

根据我国气象部门对降雨强度的划分及当地不同季节降雨量的调查，降雨强度用地表平面流量表示，不同降雨类型的降雨强度如表4所示。

根据降雨资料发现不同降雨情况，降雨强度是不断变化的，当地的降雨情况可分为以下4种工况：工况1，小雨持续24 h；工况2，中雨持续6 h，小雨再持续18 h；工况3，大雨持续3 h，中雨持续5 h，小雨再持续10 h；工况4，暴雨持续1 h，大雨持续1 h，中雨持续2 h，小雨持续8 h。

3 数值模型结果分析

3.1 自重条件下变形分析

在自重作用下，路基沉降量沿线路方向的变化如图3所示。

由图3可知，过渡段路基沉降随着距桥台的距离的增加，沉降量在不断的变大，路基段的沉降量也呈上升趋势，较过渡段上升幅度在不断变小，最后稳定在1.47 mm，说明越靠近倒梯形过渡段，地基的沉降越不均匀。

距离桥台20 m、80 m两处，自重条件下，路基沉降变形随深度的变化如图4所示。

由图4可知，随着深度的增加，沉降量在不断减小，每一深度处的沉降量由该点自重导致的沉降量与下方沉降量的累积两部分组成；距离桥台80 m的变化曲线斜率大于距离桥台20 m的变化曲线，即路基段沉降量随深度变化曲线斜率大于过渡段沉降量随深度变化曲线。

3.2 降雨条件下变形分析

在4种降雨工况条件下，路基会发生膨胀。路基膨胀变形沿线路方向变化如下页图5所示。

由图5可知，工况1条件下，膨胀量随距离的增大在不断变大，4条膨胀量变化曲线趋势基本一致，6 h曲线前10 m基本稳定在0.2 mm，随着距离的变大，25 m时的膨胀量变大到了0.99 mm，膨胀量增幅为0.79 mm，随后的曲线斜率很小，膨胀量基本不变，100 m时的膨胀量变大到1.1 mm，膨胀量增幅为0.11 mm；12 h曲线前10 m基本稳定在0.34 mm，随着距离的变大，25 m时的膨胀量变大到了1.64 mm，膨胀量增幅为1.3 mm，随后的曲线斜率很小，膨胀量基本不变，100 m时的膨胀量变大到1.9 mm，膨胀量增幅为0.26 mm；18 h曲线前10 m基本稳定在0.65 mm，随着距离的变大，25 m时的膨胀量变大到了3.1 mm，膨胀量增幅为2.45 mm，随后的曲线斜率很小，膨胀量基本不变，100 m时的膨胀量变大到3.7 mm，膨胀量增幅为0.6 mm；24 h曲线前10 m基本稳定在1 mm，随着距离的变大，25 m时的膨胀量变大到了4.9 mm，膨胀量增幅为3.9 mm，随后的曲线斜率很小，膨胀量基本不变，100 m时的膨胀量变大到5.6 mm，膨胀量增幅为0.7 mm。工况2、工况3及工况4的变化趋势类似。由此可知，4种降雨工况条件下，过渡段的膨胀量增幅远大于路基段，具体数据如表5所示。

定义不均匀系数i如式（1）所示：

4种降雨工况条件下，过渡段及路基段的不均匀情况如图6所示。

由图6可知，过渡段的不均匀系数远大于路基段的不均匀系数，说明4种降雨工况条件下，变形主要发生在过渡段，因此需要对过渡段地基进行加固，预防不均匀变形和病害。

为研究4种降雨工况条件下，降雨的入渗深度及沿深度方向的变形情况，绘制了相应的膨胀量变化曲线，如图7所示。

[HJ1.25mm]

图7 降雨条件下深度方向膨胀变形曲线图

由图7可知，工况2的降雨量为12 mm，入渗深度最大为3.6 m；工况1的降雨量为15 mm，入渗深度为0.8 m；工况3的降雨量为16 mm，入渗深度为0.9 m，工况4的降雨量为12 mm，入渗深度为0.8 m。这说明入渗深度不但与降雨量存在一定关系，与降雨情况也有关。

4 结语

基于Midas Civil软件，研究了路桥过渡段沿线路方向在自重及4种降雨条件下的变形情况，比较了过渡段及路基段的不均匀性，得到如下主要结论：

（1）模型在自重条件下，最终沉降量稳定在1.47 mm，沿线路方向路基沉降量在不断增加，过渡段路基的沉降量增幅及变形曲线斜率均大于路基段，说明自重条件下，过渡段的路基不均匀变形较为明显。

（2）模型在4种降雨条件下，沿线路方向路基膨胀量在不断增加，过渡段膨胀量增幅远大于路基段膨胀量增幅，说明了过渡段的路基不均匀变形较为明显。

（3）4种降雨工况条件下，工况1及工况4的入渗深度最小为0.8 m，工况2的入渗深度最大为3.6 m，最大入渗深度是最小入渗深度的3.5倍，说明雨水的入渗深度不但与降雨量有关，与降雨情况也相关。

（4）数值计算结果显示，过渡段路基变形的不均匀性要远大于路基段路基变形，因此需要对过渡段地基进行加固，预防病害的发生。

参考文献

［1］凌 水.公路桥梁过渡段沥青路面压实度分析及施工控制［J］.西部交通科技，2021（10）：5-7.

［2］刘晓娟.市政道路工程中沉降段路基路面施工技术分析［J］.散装水泥，2023（5）：122-124.

［3］贾亚楠.道路桥梁过渡段路基路面常见病害及防治措施研究［J］.交通世界，2023（18）：138-141.

［4］吴可添.高速公路路桥过渡段软基处治与监测技术研究［J］.西部交通科技，2020（3）：59-61.

［5］常文浩，蔡小培，罗必成，等.严寒地区路桥过渡段无砟轨道结构变形及损伤［J］.中国铁道科学，2021，42（1）：15-25.

［6］薛 鹏，吴亚平，康俊泰，等.CFG桩对路桥过渡段地基沉降影响模拟分析［J］.南阳理工学院学报，2020，12（2）：67-70.

［7］韦春艳.CFG桩复合地基处理桥头跳车问题研究［J］.西部交通科技，2023（3）：128-131.

［8］陈艺伟.路桥过渡段沉降差异性分析与防治［J］.河南建材，2018（4）：76-78.

［9］吴毅翔.公路桥头过渡段路基病害特征及处理方法［J］.公路交通技术，2012（5）：5-7，14.