降雨条件下路桥过渡段变形差异研究

摘要：为研究降雨条件下路桥过渡段的变形差异，文章以广西某高速公路为例，测定研究路段土样物理力学性质，并基于有限元数值模拟软件分析降雨、不同汽车车速下路桥过渡段的变形差异。结果表明：（1）微膨胀土膨胀量与含水率以及荷载有关，其中荷载与膨胀量呈负相关，含水率与膨胀量正相关；（2）无降雨条件下荷载作用会增加路桥过渡段的路基沉降量，而降雨会加剧路基土膨胀，降雨前期膨胀量变化大于降雨后期；（3）降雨-汽车动载作用下路桥过渡段变形量小于单一作用。

关键词：路桥过渡段；变形差异；膨胀土；降雨；汽车车速

中图分类号：U416.1" " " "文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.044

文章编号：1673-4874（2024）11-0148-04

0引言

随着经济的发展，我国高速公路建设不断增加，跨山、跨河的大桥数量也随之增加，而路桥过渡段作为连接道路与桥梁的关键部分，其常受车辆荷载反复冲击作用，易导致路桥段交接处发生不均匀变形，进而导致路面破坏。同时考虑到膨胀性土广泛分布于全国各地，高速公路选线难以完全避开膨胀土区，而膨胀性土在降雨作用下易吸水膨胀，发生崩解、软化，使土体物理力学性质发生劣化。

近年来，国内外研究学者针对路桥过渡段开展了诸多研究，主要集中于路桥过渡段差异沉降、结构设计以及特殊土影响等方面。马加存等［1］以京台高速公路项目为依托，将铣刨料作为回填材料，提出差异沉降控制方法。陈成等［2］基于DEM-MBD方法建立路基弹簧模型，实现轨枕-道砟-路基过渡段耦合模型的构建，在此基础上进一步分析了刚度、车速以及加固方法对不均匀沉降的影响。贾亮等［3］以兰永一级公路路桥过渡段为依托工点，通过现场监测数据对工后路基沉降量及稳定性问题进行研究，进一步分析沉降时间与空间相互关系。秦旗［4］将埋入式桩板结构运用至路基设计并对其动力学特性进行模拟研究。李泰灃等［5］基于TTCI-FAST-HTL构建泡沫轻质土路桥过渡段，并分析了路基压缩变形、沉降及不均匀变形，结果表明泡沫轻质土过渡段路基压缩变形小、基底沉降与不均匀沉降少，具有良好的长期服役性。董亮等［6］考虑高寒季节性冻土区对路桥过渡段的影响，基于有限元软件构建数值模型，分析冻土区桥梁-桥台-填土作用机理，结果表明冻胀力会导致桥台倾斜，影响桥梁结构安全性。常文浩等［7］基于混凝土塑性伤损理论，利用有限元数值模拟软件ABAQUS，探讨了高寒地区路桥过渡段轨道结构不协调变形与不均匀沉降，结果表明温度以及荷载均会导致路基发生不均匀沉降。

综上所述，目前现存的研究多集中于路桥连接段不均匀沉降以及减缓沉降结构设计方面，较少涉及特殊性土对路桥过渡段的影响，特别是部分膨胀性土。在降雨条件下膨胀性土会发生膨胀现象，易出现地面起伏、裂缝以及断裂等问题，同时考虑到路桥过渡段是公路线路中最为薄弱位置，因此研究降雨下路桥过渡段变形差异至关重要。本文在前人研究基础上，以广西某高速公路为项目依托，从现场不同位置取样后于试验室测定土样物理力学性质，在此基础上采用有限元数值模拟软件分析降雨、汽车速度下路桥过渡段变形差异，该研究有助于指导今后膨胀土地区路桥过渡段项目设计与施工。

1研究区土样物理力学性质

1.1研究区概况

本文以广西某高速公路工程项目为依托，该路段主要以丘陵地貌为主，地势起伏较大，丘陵坡度较缓，植被发育。研究区内出露大量基岩，主要以泥岩、灰岩以及粉质砂岩为主，岩石为灰、深灰与灰褐色，节理裂隙发育显著。研究区内分布松软土地基，年降雨量较大，多集中于4～8月，其中4月日降雨量最大为60 mm。

1.2土样物理力学性质

为进一步了解该路段土体的物理力学性质，分别沿该路段不同位置进行多次取样并测定其物理力学性质。

1.2.1土粒比重试验

将现场土样进行比重试验，试验结果如表1所示。结合工程现场可以发现，路段内路基土为混合土（砂质粉土、黏质粉土、粉质黏土等）。

1.2.2塑液限试验

取典型路段试样（3号、4号、6号、9号）进行塑液限试验，试验结果如表2所示。

1.2.3膨胀率试验

对上述土样开展膨胀率试验并计算自由膨胀率，如式（1）所示：

δef=Vw-V0V0（1）

式中：δef——自由膨胀率；

Vw——烘干后土样吸水体积；

V0——土样烘干体积。

表3为3号、4号、6号、9号试样自由膨胀率计算结果。根据工程经验可知，当自由膨胀率＞40%时为膨胀土，而本文计算结果中膨胀率最大仅为25%，因此本文土样为微膨胀性土。

1.2.4不同荷载-含水率下试样膨胀试验

取9号土样，对其开展不同含水率（10%、15%、20%、25%）以及不同荷载下的膨胀试验，试验结果如图1所示。

由图1可知，当荷载一定的条件下，随着含水率增加，试样膨胀量也逐渐增加。当含水率一定时，荷载的增加会降低试样膨胀量。当含水率为25%时，荷载从0kPa增加至45kPa，其膨胀量减少了14.81 mm，降幅为82.18%；当荷载为0kPa时，含水率从10%增加至25%，其膨胀量增加了14.78 mm，增幅为82.06%，该现象说明试样的膨胀量与含水率以及荷载有关，其中荷载与膨胀量呈负相关，含水率与膨胀量正相关。

2有限元模型的建立

由前文可知，荷载与含水率均会使路桥过渡段路基土膨胀，为进一步探究降雨、荷载条件下过桥段路基膨胀情况，本文基于Midas GTS有限元软件对其进行分析。图2为Midas GTS有限元建模过程。

2.1有限元模型的构建

根据工程实际建立有限元数值模型见图3。地面施加水平及竖向位移约束，模型侧面施加水平位移约束。地下水升降可用以模拟降雨情况，将地表面设置为降雨边界，当雨水入渗土体时，地面设置为零压力面。路桥过渡段为倒梯形，其顶面宽度为20 m，底面宽度为5 m，坡度1∶2.5，模型整体长度为80 m，宽度为60 m。路桥过渡段加固采用CFG桩，桩径0.5 m，桩长25 m，模型如图3所示。

2.2细观参数的确定

根据室内试验与野外调查资料，确定各材料的细观参数，如表4所示。

2.3荷载施加形式

施加荷载主要包括静荷载与动荷载，静荷载指自身重力，在有限元模拟软件中可简化为重力荷载；动荷载指汽车动载，采用有限元软件中移动荷载设置汽车速度，以模拟不均匀变形。

2.4降雨工况设计

有限元数值模拟软件中多采用平均降雨量来定义雨强，本文考虑路桥过渡段实际降雨情况，共设置1种工况，即实际降雨工况，日均降雨量为4.8 mm，持续降雨时间为30 d。

3模拟结果分析

将有限元模型分为路基段以及过渡段，其中路基段60 m，过渡段20 m。

3.1不同汽车车速下过渡段变形特征

为研究单一因素对过渡段变形的影响，本节不考虑降雨入渗，因此将雨强强度设置为0，仅探究自重、低速运行汽车（60 km/h）、高速运行汽车（120 km/h）下过渡段变形特征，图4为不同荷载下变形量随位置的变化曲线图。

由图4可知，不同荷载条件下变形量随位置变化曲线形态基本一致，变形量绝对值均沿线路方向不断减小，当处于路基段时变形量变化幅度较小，当处于倒梯形过渡段时变形量迅速减小。同时对比不同荷载下路基变形量可知，荷载作用会增加路基沉降量，与自重工况相比（沿线路方向0 m），汽车低速运行及高速运行工况下路基变形量增加了3.09 mm、17.56 mm；当处于沿线路方向80 m时，两者增加了1.54 mm、8.3 mm。综上所述在无降雨条件下微膨胀土无明显膨胀性，其在自重作用下，自重力大于膨胀力，进而导致路基出现沉降变形。

为进一步探究路桥过渡段沉降量，分析沿线路方向（距桥台）10 m、60 m位置处路基沿深度沉降变形量如图5所示。由图5可知，不同工况下路桥过渡段沉降规律基本一致，其均表现为随深度增加而减小，减小速率逐渐平缓。

3.2降雨工况下过渡段变形特征

图6为降雨工况下路基面变形情况曲线图。

由图6可知，路基段内膨胀量变化较小，而过渡段内膨胀量变化明显，其中最大膨胀量出现于降雨30 d时，其值为19.25 mm。对比不同降雨时长下路基面变形曲线可以发现，降雨会加剧路基膨胀，同时可以发现降雨前期膨胀量变化远大于降雨后期，其主要原因是由于在持续降雨作用下，降雨前期雨水入渗至土体，导致土体孔隙水压力增加，土体达到饱水状态；而降雨后期，土体已经达到饱和状态导致雨水无法持续入渗，其在土体表面形成径流，该现象说明由水诱发土体膨胀存在极值。

为进一步分析不同深度下土体膨胀规律，绘制距桥台10 m处路基沿深度沉降变形量（见图7）。由图7可知，不同降雨时间下膨胀量均随深度增加而减小，减小幅度趋于平缓，该现象与降雨入渗深度有关，在相同降雨雨强下，降雨持时越长，其渗透深度也就越深，但渗透能力逐渐递减，因此表现出该规律。

3.3降雨工况下不同汽车荷载过渡段变形特征

图8为荷载-降雨联合作用下过渡段膨胀特征曲线图。由图8可知，降雨后施加荷载会减小路基段膨胀量，当汽车高速运行时路桥过渡段膨胀量减小了6.6 mm，当汽车低速运行时则减小了7.8 mm。这与前文汽车荷载与降雨分别作用有关，汽车荷载会导致路基段发生沉降变形，而降雨则使路基膨胀，两者相互抵消，进而减小变形。

4结语

本文以广西某高速公路为项目依托，测定现场土样基本物理力学性质，并基于有限元数值模拟软件Midas GTS分析降雨、汽车车速以及降雨-汽车车速对路桥过渡段变形的影响，该研究有助于指导膨胀土地区高速公路的施工。本文得到如下主要结论：

（1）土样为微膨胀土，荷载与膨胀量呈负相关，含水率与膨胀量正相关。

（2）无降雨条件下，微膨胀土无明显膨胀性，汽车荷载则会使路桥过渡段路基发生沉降。

（3）在相同降雨雨强下，降雨持时越长，其渗透深度也就越深，但渗透能力逐渐递减。

参考文献：

［1］马加存，赵全满，张明虎，等.高速公路改扩建中路桥过渡段差异沉降控制方法及标准研究［J］.公路，2021，66（10）：76-83.

［2］陈成，罗启天，杨超，等.基于DEM-MBD耦合方法的路桥过渡段不均匀沉降研究［J］.中国铁道科学，2022，43（3）：69-77.

［3］贾亮，梁荣，姚凯.路桥过渡段路基工后沉降监测试验研究［J］.铁道工程学报，2017，34（9）：18-21，82.

［4］秦旗.桩板结构路桥过渡段的动力学仿真分析研究［J］.铁道工程学报，2021，38（12）：40-44，49.

［5］李泰灃，韩自力，张栋，等.重载铁路泡沫轻质土路桥过渡段长期服役性能试验研究［J］.铁道建筑，2021，61（7）：80-84.

［6］董亮，吴贻珂，邹佳安，等.高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀特性数值模拟研究［J］.中国铁道科学，2024，45（1）：68-78.

［7］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.

作者简介：罗家思（1988—），工程师，主要从事道路和桥梁施工方面的工作。

收稿日期：2024-05-16