高速公路软土地基处理过渡段差异沉降特性及计算方法研究

摘要 路桥过渡段的差异沉降是高速公路运营期间最常见的病害之一，需严格控制。首先，文章总结了过渡段差异沉降的表现形式和沉降机理，基于现场调查数据分析了过渡段差异沉降的分布位置和分布规律；随后，分析了规范法和有限元法在过渡段差异沉降计算中的应用；最后，以某高速公路大桥为例，利用Midas GTS软件建立计算模型，计算了过渡段内不同测点的差异沉降，研究成果可为类似项目建设提供借鉴参考。

关键词 软土地基；高速公路；差异沉降；计算方法；应用案例

中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0099-03

0 引言

近年来，高速公路的建设里程逐年增加，在2023年末已经突破了18.4万公里，对应的路基病害也越来越多。当高速行驶的车辆经过差异沉降段后，会引起“桥头跳车”现象，出现剧烈颠簸，也导致驾驶员产生紧张情绪，容易做出错误操作，甚至导致翻车、车辆冲出路面等事故[1]。同时，由于差异沉降的存在，司机在经过此处时会刹车或减速，加剧车辆轮胎的磨损，缩短车辆的使用寿命。因此，分析软土地基处理过渡段的差异沉降特性，明确计算方法，并据此采取合理的处治措施具有重要的工程意义。

1 过渡段差异沉降特性分析

1.1 过渡段差异沉降形式

在高速公路运营期间，路桥过渡段会不可避免地出现差异沉降。若过渡段不设置桥头搭板，差异沉降可简化为“错台形”；若过渡段设置了桥头搭板，差异沉降可简化为“折线形”，如图1所示[2]：

图1 过渡段差异沉降表现形式

1.2 过渡段差异沉降机理

高速公路桥梁的桥台属刚性结构物，设计时对桥台沉降控制十分严格，工后沉降小，可忽略不计。因此，过渡段的差异沉降与台背土体的长期工后沉降有关。一般情况下，高速公路运营时间越长，台背土体的工后沉降越大，过渡段的差异沉降越大，对行车安全的影响越大。

在软土地基路段，台背土体的工后沉降主要取决于地基土固结、路基压缩变形及降雨、温度等因素，具体阐述如下：

（1）地基土固结

软土地基具有强度低、可压缩性大、固结速度缓慢等特点。在路基施工及运营期间，填土自重产生的附加应力会作用于软土地基，使得软土地基不断固结，超静水压力消散，水从空隙中排出，使得软土地基出现体积压缩、沉降等现象。路基填土越高，作用于软土地基的附加应力越大，软土地基的沉降就越大，过渡段的差异沉降也越大。

（2）路基压缩变形

为了提高高速公路的施工进度，通常先施工桥梁工程，而路基台背回填则在桥台建成后进行，这种施工顺序会使得过渡段路基的施工界面受限。尤其是靠近桥台的三角区，大型压实机械难以进入，只能用小型夯机压实台背填土，可能导致台背填土局部的压实度不足。在填土自重作用下，路基会被逐渐压缩变形。台背填土的填料重度越大，路基压缩变形就越大，差异沉降也越大。

（3）其他影响因素

在连续降雨或暴雨天气，雨水径流会沿着桥梁与路基连接处的裂缝渗入台背的填土内部，使得台背填土的含水量增加、强度降低、细粒土流失等。在车辆荷载冲击作用下，桥头路基容易塌陷，增大过渡段的不均匀沉降。

另外，搭板由混凝土浇筑而成，具有热胀冷缩特性。在冬季寒冷天气下，桥头搭板的体积会收缩，使得搭板和土体脱空，这也会增大过渡段的不均匀沉降[3]。

1.3 过渡段差异分布特性

该文调查了某地区的5条高速公路（分别编号为高速A～E）路桥过渡段的差异沉降，得到了其最大差异沉降位置和大小的特性，具体阐述如下：

（1）分布位置

在调查前，将过渡段出现最大差异沉降的位置分为2个——伸缩缝处、搭板与路堤衔接处，不同高速的调查情况如表1所示：

由此可知，高速公路路桥过渡段80%以上的最大差异沉降均出现在搭板与路堤衔接处，最大差异沉降值基本在1.5～3.5 cm，满足规范要求。

（2）分布规律

高速公路各个过渡段的差异沉降数据并不是没有任何规律。结合相关研究成果，假设高速公路各个过渡段的差异沉降服从“正态分布”，利用K-S检验法（Kolmogorov-Smirnov test）检验假设是否合理，具体步骤如下[4]：

第一，假设检验问题。H0样本服从正态分布，H1样本不服从正态分布；第二，求解检验函数Di=max|F0（X）-Fn（X）|，其中F0（X）为理论分布函数；Fn（X）为累积频率函数；第三，得出结论。当Di大于D（n.a）时接受H1，当Di小于D（n.a）时接受H0，n为样本数量，a为显著水平。

以高速A为例，路桥过渡段的差异沉降数据共有22组，利用SPSS软件对差异沉降进行统计，计算出检验函数，如表2所示。经分析，Di=max|F0（X）- Fn（X）|=0.23lt;D（n.a）=0.2756，说明可接受H0，即路桥过渡段的差异沉降大小呈正态分布。

2 过渡段差异沉降计算方法

由于桥台处的沉降很小，在计算过渡段差异沉降时，可假设桥台沉降为0。此时，不考虑降雨、温度等因素的影响，软土地基的固结沉降和台背填土的压缩变形就是差异过渡段的不均匀沉降。目前，计算台背填土沉降常用的方法有两种——规范法和有限元法。

2.1 规范法

软土地基和台背填土是由土颗粒、水、空气组成的三相体，其在外力作用下的沉降包括瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降三部分。由于瞬时沉降和次固结沉降的占比不大，且计算原理不成熟，一般不直接计算。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），可假设土体只有竖向沉降，无侧向变形，且土层厚度范围内附加应力均匀分布，先用分层总和法计算出软土地基和台背填土的主固结沉降，再将主固结沉降乘以沉降系数就得到总沉降，可用式（1）和式（2）进行表示。对于软土地基，其计算深度应以附加应力与有效自重应力之比≤0.15为基准[5]。

Sc=∑n i=1 "pihi " Esi （1）

S=mSc （2）

式中：Sc——主固结沉降（mm）；S——总沉降（mm）；n——土层数量；pi——第i层土的平均附加应力（N）；hi——第i层土的厚度（m）；Esi——第i层土的压缩模量（MPa）；m——沉降系数，与地基类型、填料重度、路堤中心高度、加载速率等参数相关，一般在1.1～1.3。

为了避免人工计算过渡段差异沉降产生较大误差，提高计算效率，在实际项目中一般是利用理正岩土软件进行建模、计算。

2.2 有限元法

近年来，随着计算机技术的进步，越来越多的高速公路项目在设计时开始应用有限元法。在计算过渡段差异沉降时，常用的有限元软件有Midas GTS、ANSYS、PLAXIS等。不同有限元软件的操作不同，但计算步骤类似：CAD软件建模—导入有限元软件建模—输入台背填土和软土地基的物理力学参数—划分模型网格—设置边界条件—开始计算工后沉降。

3 过渡段差异沉降计算案例分析

3.1 工程概况

研究对象为高速公路大桥，其设计速度为120 km/h，中心桩号为K10+075，跨径长度为200 m，上部结构为连续箱梁，单箱双室，变截面，桥台为U形台，桥墩为柱式墩，基础为桩基础，小桩号桥头和大桩号桥头的填高分别为7.5 m、7.2 m。

经现场勘察，过渡段内存在软土，地基土自上而下如下：（1）淤泥质土。呈灰黑色，软塑状，厚度约5.5～6.0 m，天然含水量在45%左右，重度为13 kN/m3，黏聚力为5 kPa，内摩擦角为10°。（2）粉质黏土。呈黄褐色，硬塑～软塑桩，厚度约23.5～25.0 m，天然含水量在18%左右，重度为19.5 kN/m3，黏聚力为22 kPa，内摩擦角为30°。

由于大桥两侧填土较高，且存在软土地基，过渡段容易出现较大的差异沉降，产生“桥头跳车”，影响行车的安全性和舒适性。

3.2 计算模型建立

鉴于此，利用有限元软件Midas GTS建立三维计算模型，计算路桥过渡段的差异沉降，建模要点分析如下：

（1）几何模型

在CAD中按设计尺寸绘制路基模型后，导入Midas GTS软件，并沿着纵向拉伸10 m，形成三维模型。随后，用实体单元（四面体）模拟台背填土和软土地基。在划分路基模型网格时，网格尺寸不宜过大或过小，应综合考虑计算准确性和计算速度。结合相关研究成果，建议过渡段的网格最大值控制0.5 m内。最终，过渡段模型共划分出12 056个单元、13 288个节点，如图2所示。

（2）本构关系

软土地基和台背填土都是三相体，其应力应变关系均满足摩尔—库伦屈服准则，即三相体的某一点达到极限平衡状态后，继续增大外力，该点将出现剪切破坏，可用下列公式表示[6]：

τ=σtanφ+c （3）

式中：τ——剪切力（kPa）；σ——正应力（kPa）；φ——内摩擦角（°）；c——黏聚力（kPa）。

（3）边界条件

为了保证模拟结果与实际保持一致，需设置边界条件（包括位移边界和透水边界）。对于模型的底边界，同时约束X/Y/Z方向的位移，且不透水；模型的顶边界，不约束位移，可透水；模型的侧边界约束侧向位移，且不透水。

3.3 路桥差异沉降计算结果

假设该大桥桥台与路基相接处为0点，沿道路前进方向每间隔2 m设置一个沉降监测点，且沉降点均位于路基中心线处。Midas GTS软件计算结束后，导入不同监测点的沉降值，绘制出的变化曲线如图2所示：

图3的计算结果表明，沿路基前进方向，过渡段内的差异沉降呈勺形分布，即随着测点距桥台距离的增加，差异沉降先增大后减小。当监测点距桥台为4 m时，差异沉降达到峰值6.0 cm，满足规范要求（10 cm）。当监测点距桥台超过16 m时，差异沉降基本不变，稳定在2.2 cm左右。

4 结论

该文分析了高速公路过渡段的差异沉降形式、分布特性、计算方法等，并以某高速公路大桥为例开展差异沉降分析，得到以下结论：

（1）根据是否设置桥头搭板，可将过渡段的差异沉降形式分为两类——错台形和折线形。

（2）过渡段的差异沉降最大值基本出现在搭板与路堤衔接处，且高速公路全线过渡段的差异沉降大小经K-S检验法检验后基本呈正态分布。

（3）在计算过渡段的差异沉降时，可利用规范法或有限元法，并假设桥台沉降为0。

（4）随着测点距桥台距离的增加，过渡段内的差异沉降先增大后减小，在4.0 m达到峰值，超过16 m后趋于稳定。

参考文献

[1]李芸.高速公路过渡段软土地基处理数值模拟研究[J].西部交通科技，2024（1）：44-47.

[2]刘绍伟.基于工程应用的路基差异沉降控制标准及预测方法研究[D].西安：长安大学，2023.

[3]秦浪朝.桥头软土地基加固对路桥过渡段变形特性的影响[J].江苏建筑职业技术学院学报，2022（2）：19-23.

[4]张定权.西洞庭湖区高速公路管桩桥头过渡段工后沉降及处治研究[D].长沙：长沙理工大学，2022.

[5]金延俊，王波.软土地基路桥过渡段差异沉降规律及优化方案研究[J].四川水泥，2017（3）：355.

[6]钱盈，张小峰，喻平.软土地区公路桥头过渡段地基处理技术探讨[J].交通科技，2019（1）：32-34.