降雨條件下路橋過(guò)渡段變形差異研究

摘要：為研究降雨條件下路橋過(guò)渡段的變形差異，文章以廣西某高速公路為例，測(cè)定研究路段土樣物理力學(xué)性質(zhì)，并基于有限元數(shù)值模擬軟件分析降雨、不同汽車(chē)車(chē)速下路橋過(guò)渡段的變形差異。結(jié)果表明：（1）微膨脹土膨脹量與含水率以及荷載有關(guān)，其中荷載與膨脹量呈負(fù)相關(guān)，含水率與膨脹量正相關(guān)；（2）無(wú)降雨條件下荷載作用會(huì)增加路橋過(guò)渡段的路基沉降量，而降雨會(huì)加劇路基土膨脹，降雨前期膨脹量變化大于降雨后期；（3）降雨-汽車(chē)動(dòng)載作用下路橋過(guò)渡段變形量小于單一作用。

關(guān)鍵詞：路橋過(guò)渡段；變形差異；膨脹土；降雨；汽車(chē)車(chē)速

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.044

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0148-04

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)不斷增加，跨山、跨河的大橋數(shù)量也隨之增加，而路橋過(guò)渡段作為連接道路與橋梁的關(guān)鍵部分，其常受車(chē)輛荷載反復(fù)沖擊作用，易導(dǎo)致路橋段交接處發(fā)生不均勻變形，進(jìn)而導(dǎo)致路面破壞。同時(shí)考慮到膨脹性土廣泛分布于全國(guó)各地，高速公路選線難以完全避開(kāi)膨脹土區(qū)，而膨脹性土在降雨作用下易吸水膨脹，發(fā)生崩解、軟化，使土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)路橋過(guò)渡段開(kāi)展了諸多研究，主要集中于路橋過(guò)渡段差異沉降、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及特殊土影響等方面。馬加存等［1］以京臺(tái)高速公路項(xiàng)目為依托，將銑刨料作為回填材料，提出差異沉降控制方法。陳成等［2］基于DEM-MBD方法建立路基彈簧模型，實(shí)現(xiàn)軌枕-道砟-路基過(guò)渡段耦合模型的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了剛度、車(chē)速以及加固方法對(duì)不均勻沉降的影響。賈亮等［3］以蘭永一級(jí)公路路橋過(guò)渡段為依托工點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)工后路基沉降量及穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究，進(jìn)一步分析沉降時(shí)間與空間相互關(guān)系。秦旗［4］將埋入式樁板結(jié)構(gòu)運(yùn)用至路基設(shè)計(jì)并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行模擬研究。李泰灃等［5］基于TTCI-FAST-HTL構(gòu)建泡沫輕質(zhì)土路橋過(guò)渡段，并分析了路基壓縮變形、沉降及不均勻變形，結(jié)果表明泡沫輕質(zhì)土過(guò)渡段路基壓縮變形小、基底沉降與不均勻沉降少，具有良好的長(zhǎng)期服役性。董亮等［6］考慮高寒季節(jié)性凍土區(qū)對(duì)路橋過(guò)渡段的影響，基于有限元軟件構(gòu)建數(shù)值模型，分析凍土區(qū)橋梁-橋臺(tái)-填土作用機(jī)理，結(jié)果表明凍脹力會(huì)導(dǎo)致橋臺(tái)傾斜，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性。常文浩等［7］基于混凝土塑性傷損理論，利用有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS，探討了高寒地區(qū)路橋過(guò)渡段軌道結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)變形與不均勻沉降，結(jié)果表明溫度以及荷載均會(huì)導(dǎo)致路基發(fā)生不均勻沉降。

綜上所述，目前現(xiàn)存的研究多集中于路橋連接段不均勻沉降以及減緩沉降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，較少涉及特殊性土對(duì)路橋過(guò)渡段的影響，特別是部分膨脹性土。在降雨條件下膨脹性土?xí)l(fā)生膨脹現(xiàn)象，易出現(xiàn)地面起伏、裂縫以及斷裂等問(wèn)題，同時(shí)考慮到路橋過(guò)渡段是公路線路中最為薄弱位置，因此研究降雨下路橋過(guò)渡段變形差異至關(guān)重要。本文在前人研究基礎(chǔ)上，以廣西某高速公路為項(xiàng)目依托，從現(xiàn)場(chǎng)不同位置取樣后于試驗(yàn)室測(cè)定土樣物理力學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上采用有限元數(shù)值模擬軟件分析降雨、汽車(chē)速度下路橋過(guò)渡段變形差異，該研究有助于指導(dǎo)今后膨脹土地區(qū)路橋過(guò)渡段項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工。

1研究區(qū)土樣物理力學(xué)性質(zhì)

1.1研究區(qū)概況

本文以廣西某高速公路工程項(xiàng)目為依托，該路段主要以丘陵地貌為主，地勢(shì)起伏較大，丘陵坡度較緩，植被發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)出露大量基巖，主要以泥巖、灰?guī)r以及粉質(zhì)砂巖為主，巖石為灰、深灰與灰褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育顯著。研究區(qū)內(nèi)分布松軟土地基，年降雨量較大，多集中于4～8月，其中4月日降雨量最大為60 mm。

1.2土樣物理力學(xué)性質(zhì)

為進(jìn)一步了解該路段土體的物理力學(xué)性質(zhì)，分別沿該路段不同位置進(jìn)行多次取樣并測(cè)定其物理力學(xué)性質(zhì)。

1.2.1土粒比重試驗(yàn)

將現(xiàn)場(chǎng)土樣進(jìn)行比重試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，路段內(nèi)路基土為混合土（砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土等）。

1.2.2塑液限試驗(yàn)

取典型路段試樣（3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、9號(hào)）進(jìn)行塑液限試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.2.3膨脹率試驗(yàn)

對(duì)上述土樣開(kāi)展膨脹率試驗(yàn)并計(jì)算自由膨脹率，如式（1）所示：

δef=Vw-V0V0（1）

式中：δef——自由膨脹率；

Vw——烘干后土樣吸水體積；

V0——土樣烘干體積。

表3為3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、9號(hào)試樣自由膨脹率計(jì)算結(jié)果。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)自由膨脹率＞40%時(shí)為膨脹土，而本文計(jì)算結(jié)果中膨脹率最大僅為25%，因此本文土樣為微膨脹性土。

1.2.4不同荷載-含水率下試樣膨脹試驗(yàn)

取9號(hào)土樣，對(duì)其開(kāi)展不同含水率（10%、15%、20%、25%）以及不同荷載下的膨脹試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)荷載一定的條件下，隨著含水率增加，試樣膨脹量也逐漸增加。當(dāng)含水率一定時(shí)，荷載的增加會(huì)降低試樣膨脹量。當(dāng)含水率為25%時(shí)，荷載從0kPa增加至45kPa，其膨脹量減少了14.81 mm，降幅為82.18%；當(dāng)荷載為0kPa時(shí)，含水率從10%增加至25%，其膨脹量增加了14.78 mm，增幅為82.06%，該現(xiàn)象說(shuō)明試樣的膨脹量與含水率以及荷載有關(guān)，其中荷載與膨脹量呈負(fù)相關(guān)，含水率與膨脹量正相關(guān)。

2有限元模型的建立

由前文可知，荷載與含水率均會(huì)使路橋過(guò)渡段路基土膨脹，為進(jìn)一步探究降雨、荷載條件下過(guò)橋段路基膨脹情況，本文基于Midas GTS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析。圖2為Midas GTS有限元建模過(guò)程。

2.1有限元模型的構(gòu)建

根據(jù)工程實(shí)際建立有限元數(shù)值模型見(jiàn)圖3。地面施加水平及豎向位移約束，模型側(cè)面施加水平位移約束。地下水升降可用以模擬降雨情況，將地表面設(shè)置為降雨邊界，當(dāng)雨水入滲土體時(shí)，地面設(shè)置為零壓力面。路橋過(guò)渡段為倒梯形，其頂面寬度為20 m，底面寬度為5 m，坡度1∶2.5，模型整體長(zhǎng)度為80 m，寬度為60 m。路橋過(guò)渡段加固采用CFG樁，樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)25 m，模型如圖3所示。

2.2細(xì)觀參數(shù)的確定

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與野外調(diào)查資料，確定各材料的細(xì)觀參數(shù)，如表4所示。

2.3荷載施加形式

施加荷載主要包括靜荷載與動(dòng)荷載，靜荷載指自身重力，在有限元模擬軟件中可簡(jiǎn)化為重力荷載；動(dòng)荷載指汽車(chē)動(dòng)載，采用有限元軟件中移動(dòng)荷載設(shè)置汽車(chē)速度，以模擬不均勻變形。

2.4降雨工況設(shè)計(jì)

有限元數(shù)值模擬軟件中多采用平均降雨量來(lái)定義雨強(qiáng)，本文考慮路橋過(guò)渡段實(shí)際降雨情況，共設(shè)置1種工況，即實(shí)際降雨工況，日均降雨量為4.8 mm，持續(xù)降雨時(shí)間為30 d。

3模擬結(jié)果分析

將有限元模型分為路基段以及過(guò)渡段，其中路基段60 m，過(guò)渡段20 m。

3.1不同汽車(chē)車(chē)速下過(guò)渡段變形特征

為研究單一因素對(duì)過(guò)渡段變形的影響，本節(jié)不考慮降雨入滲，因此將雨強(qiáng)強(qiáng)度設(shè)置為0，僅探究自重、低速運(yùn)行汽車(chē)（60 km/h）、高速運(yùn)行汽車(chē)（120 km/h）下過(guò)渡段變形特征，圖4為不同荷載下變形量隨位置的變化曲線圖。

由圖4可知，不同荷載條件下變形量隨位置變化曲線形態(tài)基本一致，變形量絕對(duì)值均沿線路方向不斷減小，當(dāng)處于路基段時(shí)變形量變化幅度較小，當(dāng)處于倒梯形過(guò)渡段時(shí)變形量迅速減小。同時(shí)對(duì)比不同荷載下路基變形量可知，荷載作用會(huì)增加路基沉降量，與自重工況相比（沿線路方向0 m），汽車(chē)低速運(yùn)行及高速運(yùn)行工況下路基變形量增加了3.09 mm、17.56 mm；當(dāng)處于沿線路方向80 m時(shí)，兩者增加了1.54 mm、8.3 mm。綜上所述在無(wú)降雨條件下微膨脹土無(wú)明顯膨脹性，其在自重作用下，自重力大于膨脹力，進(jìn)而導(dǎo)致路基出現(xiàn)沉降變形。

為進(jìn)一步探究路橋過(guò)渡段沉降量，分析沿線路方向（距橋臺(tái)）10 m、60 m位置處路基沿深度沉降變形量如圖5所示。由圖5可知，不同工況下路橋過(guò)渡段沉降規(guī)律基本一致，其均表現(xiàn)為隨深度增加而減小，減小速率逐漸平緩。

3.2降雨工況下過(guò)渡段變形特征

圖6為降雨工況下路基面變形情況曲線圖。

由圖6可知，路基段內(nèi)膨脹量變化較小，而過(guò)渡段內(nèi)膨脹量變化明顯，其中最大膨脹量出現(xiàn)于降雨30 d時(shí)，其值為19.25 mm。對(duì)比不同降雨時(shí)長(zhǎng)下路基面變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，降雨會(huì)加劇路基膨脹，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)降雨前期膨脹量變化遠(yuǎn)大于降雨后期，其主要原因是由于在持續(xù)降雨作用下，降雨前期雨水入滲至土體，導(dǎo)致土體孔隙水壓力增加，土體達(dá)到飽水狀態(tài)；而降雨后期，土體已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)導(dǎo)致雨水無(wú)法持續(xù)入滲，其在土體表面形成徑流，該現(xiàn)象說(shuō)明由水誘發(fā)土體膨脹存在極值。

為進(jìn)一步分析不同深度下土體膨脹規(guī)律，繪制距橋臺(tái)10 m處路基沿深度沉降變形量（見(jiàn)圖7）。由圖7可知，不同降雨時(shí)間下膨脹量均隨深度增加而減小，減小幅度趨于平緩，該現(xiàn)象與降雨入滲深度有關(guān)，在相同降雨雨強(qiáng)下，降雨持時(shí)越長(zhǎng)，其滲透深度也就越深，但滲透能力逐漸遞減，因此表現(xiàn)出該規(guī)律。

3.3降雨工況下不同汽車(chē)荷載過(guò)渡段變形特征

圖8為荷載-降雨聯(lián)合作用下過(guò)渡段膨脹特征曲線圖。由圖8可知，降雨后施加荷載會(huì)減小路基段膨脹量，當(dāng)汽車(chē)高速運(yùn)行時(shí)路橋過(guò)渡段膨脹量減小了6.6 mm，當(dāng)汽車(chē)低速運(yùn)行時(shí)則減小了7.8 mm。這與前文汽車(chē)荷載與降雨分別作用有關(guān)，汽車(chē)荷載會(huì)導(dǎo)致路基段發(fā)生沉降變形，而降雨則使路基膨脹，兩者相互抵消，進(jìn)而減小變形。

4結(jié)語(yǔ)

本文以廣西某高速公路為項(xiàng)目依托，測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)，并基于有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS分析降雨、汽車(chē)車(chē)速以及降雨-汽車(chē)車(chē)速對(duì)路橋過(guò)渡段變形的影響，該研究有助于指導(dǎo)膨脹土地區(qū)高速公路的施工。本文得到如下主要結(jié)論：

（1）土樣為微膨脹土，荷載與膨脹量呈負(fù)相關(guān)，含水率與膨脹量正相關(guān)。

（2）無(wú)降雨條件下，微膨脹土無(wú)明顯膨脹性，汽車(chē)荷載則會(huì)使路橋過(guò)渡段路基發(fā)生沉降。

（3）在相同降雨雨強(qiáng)下，降雨持時(shí)越長(zhǎng)，其滲透深度也就越深，但滲透能力逐漸遞減。

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作者簡(jiǎn)介：羅家思（1988—），工程師，主要從事道路和橋梁施工方面的工作。

收稿日期：2024-05-16