沿海道路橋梁沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究

關(guān)敬文，李麗琳，吳剛剛

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

當(dāng)前，我國交通運(yùn)輸業(yè)飛速發(fā)展，道路橋梁建設(shè)技術(shù)不斷進(jìn)步。沿海地區(qū)道路橋梁是廣西國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要運(yùn)輸線，由于該地區(qū)土質(zhì)、環(huán)境的特殊性，對(duì)沿海道路橋梁過渡段路基沉降施工控制的研究尤為迫切。這不止影響到建設(shè)階段的工程施工，更會(huì)影響到路橋后期的維護(hù)和保養(yǎng)工作。紅黏土、淤泥土等特殊災(zāi)害性地基填土?xí)順蝾^跳車、差異沉降等問題，這也是當(dāng)今道路橋梁過渡段施工的核心問題，一般采用沉降控制技術(shù)來解決。由于路基強(qiáng)度損傷以及沉降變形會(huì)產(chǎn)生重大危害，為提高道路橋梁過渡段行車的安全性及舒適性，迫切需要研究紅黏土路基強(qiáng)度損傷以及沉降變形對(duì)道路橋梁過渡段的不利影響，從而優(yōu)化并提出更適宜道路橋梁過渡段的設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。因此，對(duì)工程竣工后道路橋梁過渡段路基土體強(qiáng)度損傷機(jī)理和沉降變形影響因素的研究勢(shì)在必行，國內(nèi)學(xué)者圍繞其施工過程展開一系列研究：

何峰[1]首先分析沉降原理，并提出解決路基路面沉降的施工對(duì)策；廖藝[2]則重點(diǎn)介紹沉降給路基路面所帶來的不良影響，并針對(duì)各中問題進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)而提出解決方案；鐘麗[3]則以耒宜高速公路進(jìn)行現(xiàn)場病害調(diào)查，并分析其成因，更進(jìn)一步提出關(guān)于路基不均勻沉降對(duì)路面影響的計(jì)算公式，揭示了路面橫向應(yīng)力分布規(guī)律。

本文以南寧吳圩機(jī)場第二高速項(xiàng)目其中的平垌2號(hào)分離式立交橋?yàn)楣こ瘫尘埃紫确治龀两敌纬傻臋C(jī)理，而后提出沉降計(jì)算的理論公式，通過觀測(cè)平垌2號(hào)分離式立交橋路段的沉降，將觀測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)據(jù)作對(duì)比，從而揭示其中的沉降規(guī)律。

1 沉降形成的原因

路基的工后沉降包括兩大部分：地基工后沉降量與路堤工后沉降量[4-7]。差異沉降帶來的影響主要有：降低行車舒適性；降低行車速度，影響行車安全；增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等。根據(jù)國內(nèi)外眾多研究和調(diào)查，普遍認(rèn)為路橋過渡段差異沉降來源可歸結(jié)為以下幾方面：

(1)臺(tái)背填料一般為滲透性材料，空隙率大，在施工中很難將填料顆粒間的空隙完全消除。加上臺(tái)背填土施工時(shí)壓路機(jī)碾壓作業(yè)面小、壓實(shí)機(jī)具不易靠近臺(tái)背等原因，導(dǎo)致臺(tái)背回填結(jié)束后臺(tái)背的部分填料仍有較大的空隙率，在行車荷載和填料自重作用下，填料產(chǎn)生較大壓縮變形。

(2)地基土體(尤其是軟黏土)有著壓縮性大、固結(jié)時(shí)間長、孔隙水壓力消散速度慢等特性，故而在工程竣工后地基仍在下沉。隨著人們對(duì)工期要求越來越高，使得路堤自然沉降期縮短，而地基穩(wěn)定的時(shí)間不變，工后沉降量勢(shì)必增大。

(3)路面排水不暢使得雨水沿路面裂縫和臺(tái)背連接處的接縫滲入路堤，導(dǎo)致路堤填土被沖刷和侵蝕。加之外部車輛荷載的沖擊作用，必然造成橋頭路堤沉陷。

(4)橋涵結(jié)構(gòu)物通常由混凝土澆筑而成，具有較大的剛度，而臺(tái)背路堤和路面屬于半剛性或柔性結(jié)構(gòu)。工程竣工后，橋臺(tái)后地基及填土產(chǎn)生較大的固結(jié)變形，而橋臺(tái)基礎(chǔ)基本不發(fā)生沉降，在交接處必將出現(xiàn)一定的差異沉降。

(5)通過對(duì)運(yùn)營橋梁的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)中對(duì)路堤填土高度、橋臺(tái)基礎(chǔ)形式以及加載預(yù)壓高度的選擇，對(duì)路橋過渡段的工后差異沉降也有較大影響。

2 理論公式的提出

沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線擬合的方法較多，主要有指數(shù)曲線和雙曲線擬合法，另外，還有泊松曲線擬合以及Asaoka法等，本項(xiàng)目采用Asaoka法對(duì)路基試驗(yàn)段進(jìn)行擬合分析。

對(duì)于一維固結(jié)問題，Mikasa的固結(jié)微分方程采用應(yīng)變形式表達(dá)如下：

(1)

式中：ε(t，z)——豎向應(yīng)變；

t——時(shí)間；

z——排水距離；

Cv——固結(jié)系數(shù)。

Asaoka認(rèn)為，以體積應(yīng)變表示的一維固結(jié)方程可近似地用一個(gè)以級(jí)數(shù)形式的微分方程表示：

(2)

式中S為總固結(jié)沉降量(包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降)；a1，a2，…，an以及b均為取決于固結(jié)系數(shù)和土層邊界條件的常數(shù)。Asaoka法基本思想就是利用已有的沉降觀測(cè)資料求出這些未知數(shù)，然后據(jù)此參數(shù)預(yù)估最終沉降。一般情況下，微分方程取第一階，即n=1就可以滿足精度要求。該一階微分方程寫成差分形式：

Sj=β0+β1Sj-1

(3)

利用最小二乘法即可求參數(shù)β0、β1。再根據(jù)差分方程的遞推關(guān)系即可逐步遞推得到最終沉降預(yù)測(cè)表達(dá)式：

(4)

取j→∞，Sj即為沉降極限值：

(5)

上式中，S∞→∞說明目前觀測(cè)沉降階段，沉降并未進(jìn)入收斂階段，不宜進(jìn)行最終沉降量預(yù)測(cè)；S∞→β0/(1-β1)說明沉降出現(xiàn)收斂情況，適合進(jìn)行工后沉降預(yù)測(cè)。

上述方法的求解都是基于等時(shí)間間隔的沉降數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析而言，針對(duì)實(shí)際工程中大量存在的非等時(shí)間間隔沉降數(shù)據(jù)，以上的參數(shù)求解方法和遞推方法都無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致Asaoka方法不能直接應(yīng)用于非等時(shí)間間隔沉降數(shù)據(jù)的分析預(yù)測(cè)，因此本課題采用非等間隔Asaoka法。

將一階微分方程寫成差分格式如下：

(6)

式中：(tj，Sj)為沉降-時(shí)間曲線上的觀測(cè)點(diǎn)。利用最小二乘法有：

(7)

其中：

在差分方程中，分別采用前向差分和后向差分格式，采用前向差分ΔSj=Sj+1-Sj，α=1；若采用后向差分ΔSj=Sj-Sj-1，α=2。顯然不同的差分情況下所得結(jié)果并不一樣。將所得的參數(shù)、近似代替微分方程式中的a1，b，并由一階微分方程求解可得沉降預(yù)測(cè)函數(shù)表達(dá)式：

(8)

j取極限，可得到沉降極限值：

(9)

3 觀測(cè)儀器及布設(shè)方法介紹

為能準(zhǔn)確掌握實(shí)際依托工程中路基各層的沉降，本項(xiàng)目在施工時(shí)預(yù)先埋設(shè)傳感器進(jìn)行測(cè)量。依托工程路基共分為三層，每層分別布置3個(gè)傳感器，其中包含一個(gè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)和兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，故本項(xiàng)目測(cè)量點(diǎn)共布設(shè)9個(gè)傳感器。將傳感器安裝至預(yù)設(shè)位置后，利用傳輸線將其與數(shù)據(jù)接收設(shè)備相連接，其后可通過數(shù)據(jù)接收設(shè)備讀取測(cè)量控制點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

本次測(cè)量采用長沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司的產(chǎn)品，型號(hào)為JMYJ-2020靜態(tài)自動(dòng)電阻應(yīng)變儀。該儀器是一種全自動(dòng)無人值守、20通道靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試的智能儀器，具有測(cè)量速度快、精度高、體積小、重量輕、使用簡單方便等特點(diǎn)，適用于各種材料及構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變多點(diǎn)巡檢測(cè)量。

4 理論結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在實(shí)際工程中，由于多種因素的影響使得路基工程沉降觀測(cè)并不嚴(yán)格按照等時(shí)間間距進(jìn)行，而且出現(xiàn)非等時(shí)間間距的情況很多。對(duì)于這類數(shù)據(jù)，無法直接使用。

采用Asaoka法處理數(shù)據(jù)，需要選擇觀測(cè)數(shù)據(jù)中的等時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，如果可用數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，則對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響較大。而非等間隔Asaoka法不考慮觀測(cè)數(shù)據(jù)的非等時(shí)間間隔問題，可以充分利用沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)。采用前向差分下的工作等間隔Asaoka法的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見下頁表1。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出：沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)具有非等時(shí)間間隔，若采用Asaoka方法，首先要將數(shù)據(jù)進(jìn)行等間隔化處理，否則只能利用其中的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用三次樣條曲線進(jìn)行插值處理，時(shí)間間隔取Δt=14 d、16 d、18 d，插值后的沉降數(shù)據(jù)見表1，再由Asaoka法計(jì)算過程做出沉降線性擬合圖(見圖1)。

表1 實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值對(duì)比表

(a)

(b)

(c)

(d)

由表1和圖1可以看出，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4個(gè)采集通道下的數(shù)據(jù)經(jīng)過前向差分下的非等間隔Asaoka法進(jìn)行處理，其預(yù)測(cè)沉降曲線與實(shí)際沉降曲線比較吻合，相關(guān)系數(shù)為0.994，擬合程度較好。同時(shí)可以看出預(yù)測(cè)值比實(shí)測(cè)值偏小，其原因是Asaoka法的微分方程只取到一階，高階部分忽略不計(jì)，此時(shí)與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的是忽略了次固結(jié)沉降量等較為次要的沉降量，最終導(dǎo)致誤差的存在。

5 結(jié)語

廣西沿海地區(qū)廣泛分布著紅黏土和淤泥質(zhì)土等特殊災(zāi)害性土體，為路橋過渡段的路基施工帶來了有別于普通土壤的各種難題。道路與橋梁過渡段的施工質(zhì)量非常重要，直接導(dǎo)致現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象以及其他質(zhì)量問題的產(chǎn)生。

為掌握特殊災(zāi)害性土體在施工后的沉降規(guī)律，本項(xiàng)目首先闡述路橋過渡段路基產(chǎn)生不均勻沉降的原因，并提出沉降理論計(jì)算公式，進(jìn)而通過已經(jīng)取得的相關(guān)參數(shù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)印證所提出的理論公式，揭示差異沉降規(guī)律。對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4個(gè)采集通道下的數(shù)據(jù)經(jīng)過前向差分下的非等間隔Asaoka法進(jìn)行處理，其預(yù)測(cè)沉降曲線與實(shí)際沉降曲線比較吻合，相關(guān)系數(shù)為0.994，擬合程度較好。

本文得出廣西沿海地質(zhì)條件情況下的沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線，闡明廣西沿海特殊條件下的差異沉降機(jī)理，為選出理想的降低路橋沉降差的設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)。旨在確保道路與橋梁的施工質(zhì)量和使用功能，并盡可能減少路橋過渡段的差異沉降，降低橋頭跳車等問題的發(fā)生，減少生命財(cái)產(chǎn)損失。

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