肖 昊 葉長宏 宋文超 李小青

(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074; 2.武漢市建設(shè)工程設(shè)計審查辦公室 武漢 430000)

在當(dāng)前高速公路及城市快速道路的建設(shè)中，出于對耕地的保護(hù)、線路選擇的要求，以及城市用地緊張的原因，加之高架橋的設(shè)計施工技術(shù)已較為成熟，高架橋的使用越來越頻繁。在高架橋下，往往存在道路，而高架橋橋墩的存在可能會對附近道路的路基沉降產(chǎn)生影響。經(jīng)考察，尤其是在軟土地區(qū)，高架橋的存在，會使道路產(chǎn)生不均勻沉降，使得路面變形、開裂，嚴(yán)重影響了道路的行車舒適度和行車效率；同時車輛荷載對路基的破壞會導(dǎo)致道路的整體性變差，可能會致使道路產(chǎn)生更多嚴(yán)重的病害。因此，分析高架橋下路面不均勻沉降的機理并研究車輛荷載對道路不均勻沉降的影響，對于道路運營具有實際指導(dǎo)意義。

1 路基不均勻沉降分析

對于高架橋下軟土道路，在靠近橋墩處，極易出現(xiàn)不均勻沉降，從而影響道路車輛的行駛。

路基沉降變形隨時間可分為3個階段[1]：瞬時沉降(擠出變形)、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。瞬時沉降為加載過程中，土體來不及排水，由地基上部荷載的擠壓作用使土體流動變形引起的附加沉降。主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降是在路堤和車輛荷載下而產(chǎn)生的固結(jié)變形。對軟土地基來說，除了上述3部分沉降，還有軟土地基在車輛動荷載作用下產(chǎn)生的塑性殘余變形[2-3]，這部分沉降占總沉降中較大的比例。

武漢漢口竹葉山地區(qū)高架橋及其下方城市道路于2011年建成通車，通車后1年，在靠近橋墩處多段出現(xiàn)波浪形病害，如圖1所示，波峰和波谷之間的高差最大可達(dá)30 cm。其后采用削平處理，但是隨著時間的延續(xù)，沉降差仍然增加，如圖2所示。

圖1 高架橋下路面波浪形病害

圖2 高架橋下路面削平處理

由現(xiàn)場情況可知，不均勻沉降主要是發(fā)生在橋墩附近，遠(yuǎn)離橋墩處道路幾乎沒有不均勻沉降的出現(xiàn)，因此可判斷，橋墩是導(dǎo)致路基不均勻沉降的主要因素。

車輛在經(jīng)過波浪形不均勻沉降形成的曲線形路面時，可將車輛荷載近似為圓周運動[4]，那么車輛在經(jīng)過波谷時，作用在路面上的力，不僅有自身的重力還有車輛的向心力，即

(1)

車輛在經(jīng)過波峰的時候，作用在路面上的力因為離心作用，會小于自身重力，即

(2)

式中：F峰、F谷分別為車輛在波峰、谷時作用在路面的力；m為車輛的質(zhì)量；v為車輛的速度；R為路面的曲率半徑。

由式(1)、(2)分析可知，車輛動載會影響道路的不均勻沉降，隨著車輛的作用，作用在波谷與波峰之間的力相差了2個近似圓周運動的離心力之和，會導(dǎo)致波谷與波峰的沉降差變大，而波峰與波谷的沉降差變大后，會使路面的曲率半徑增大，則在同等車輛荷載條件下，波峰和波谷的受力差增大，會進(jìn)一步加劇路面的不均勻沉降。

2 數(shù)值分析模型建立

采用專業(yè)有限元分析軟件midas GTS NX對高架橋下軟土路基上的路面建立三維模型[5]。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

1) 地基土。采用midas GTS NX中所提供的修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型，修正莫爾-庫倫本構(gòu)是在莫爾-庫倫本構(gòu)基礎(chǔ)上改善的本構(gòu)模型，適用于各種類型的地基，特別適用于像砂土或混凝土類具有摩擦特性的材料。

2) 路面結(jié)構(gòu)層、高架橋承重構(gòu)件。采用彈性材料，這種材料模型適用于小應(yīng)變分析，能夠在一定的簡化條件下模擬結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性質(zhì)，通過彈性模量、泊松比、重度等參數(shù)來定義材料屬性。

2.2 計算參數(shù)的選取

為了使計算分析結(jié)果更明顯，計算參數(shù)使用武漢市高架橋下路面不均勻沉降較為嚴(yán)重的竹葉山片區(qū)作為參考，設(shè)置了如表1所示土體條件，道路結(jié)構(gòu)及高架橋參數(shù)也均以該處情況作為參考，設(shè)置了如表2、表3所示道路結(jié)構(gòu)計算參數(shù)及高架橋計算參數(shù)。

表1 土體計算參數(shù)表

注：h-厚度；γ-重度；E50ref-三軸試驗割線模量；Eoedref-主壓密加載試驗的切線模量；Eurref-卸載再加載模量；μ-泊松比；e0-初始孔隙比；n-孔隙率；φ-內(nèi)摩擦角；c-黏聚力。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算參數(shù)表

表3 高架橋的計算參數(shù)表

模型中的高架橋的橋墩采用單墩的形式，整個模型共有3跨，每跨跨度30 m，橋墩高15 m，承臺的高度為3 m，承臺下的樁基長45 m，高架橋下的路面寬度為40 m。高架橋下路面示意如圖3所示。

圖3 高架橋下路面分析示意圖

為簡化數(shù)值分析模型，將示意圖中的橋面板省去，將橋面板上的荷載等效施加在橋墩上，采用midas GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析。

3 車輛荷載影響分析

采用上述高架橋、土體參數(shù)和模型進(jìn)行建模計算，將路面荷載設(shè)置為移動荷載100，200，400，600 kPa，荷載設(shè)置為3車道。計算中坐標(biāo)軸方向

規(guī)定如下：X方向為水平方向，且垂直于行車方向，將其定義為道路的橫向方向；Y方向為另外一個水平方向，且平行于行車方向，將其定義為道路的縱向方向；Z方向為豎直方向，以豎直向上為正。

3.1 橫向路面沉降變化

圖4為不同路面荷載對路面沉降橫向剖面云圖。將圖4中的承臺周圍路面沉降深度、路面邊緣沉降深度匯總成表4。

表4 不同移動荷載橫向路面沉降值匯總表

圖4 不同移動荷載作用路面沉降橫向剖面云圖

將表4中沉降數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖5所示。

由圖4、圖5和表4可見：

1) 道路在橋墩處沉降相對較小；遠(yuǎn)離橋墩處沉降較大，但基本是均勻沉降。

2) 不同車輛荷載對道路橫向沉降差影響不大。

3) 當(dāng)車輛荷載為600 kPa時，橫向路面沉降差有相對較大的增加。

3.2 縱向路面沉降變化

圖6為不同路面荷載對路面沉降縱向剖面云圖。

圖6 不同移動荷載作用路面沉降縱向剖面云圖

將圖6中的承臺周圍路面沉降深度、跨中路面沉降深度值匯總成表5。

表5 不同移動荷載縱向路面沉降值匯總表

將表5中沉降數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖7所示。

由圖6、圖7和表5可見：

1) 隨著車輛荷載的增大，縱向路面沉降差越來越大。

2) 車輛荷載對縱向路面沉降差的增加有加劇作用。

圖7 縱向路面沉降差與移動荷載的關(guān)系圖

綜上分析結(jié)果可知：車輛荷載對于道路不均勻沉降確有加劇的作用，軟土地基上道路可規(guī)定讓大型車靠路邊緣行駛，小型車靠路中行駛?？紤]到式(1)和式(2)中速度也是一項影響因素，還可在軟土地基處限制車輛的行駛速度，以在運營階段改善道路不均勻沉降的問題。

4 結(jié)論

1) 高架橋下道路不均勻沉降主要發(fā)生在橋墩附近，表現(xiàn)為橋墩附近沉降小于遠(yuǎn)離橋墩路面沉降，即橋墩處凸起。

2) 車輛荷載會加重橋墩附近的波浪形病害，隨著車輛荷載的增加，波峰和波谷的沉降差近似呈二次增長。

3) 規(guī)定大型車靠路邊緣行駛，限制車輛的行駛速度，可在運營階段改善道路不均勻沉降的問題。

[1] 陳偉瀘.城市道路軟土路基的沉降計算問題[J].安徽建筑,2008,15(5):155-157.

[2] 凌建明,王偉,鄔洪波.行車荷載作用下濕軟路基殘余變形的研究[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2002,30(11):1315-1320.

[3] 耿大新,鐘才根,鄭明新.交通荷載作用下軟土基殘余變形的研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2007,24(4): 47-51.

[4] 孫立強,閆澍旺,徐余.軟土路基“波浪型”不均勻沉降及其機制分析[J].巖土力學(xué),2011(32):54-57.

[5] 張宏光,謝永利.橋臺柔性搭板的數(shù)值仿真[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,26(3):39-42.