章蘇亞，趙騰飛，周潔

(上海公路橋梁(集團)有限公司，上海市 200433)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，道路橋梁工程建設也有了長足進步，每年均有大量新建橋梁、高架橋投入使用。調(diào)查顯示，橋頭跳車現(xiàn)象仍較為普遍。這不僅影響行車舒適度、速度，甚至導致嚴重的交通事故，影響人們對公路的總體評價。

工程中，常從減小路基壓縮變形、減小地基沉降等角度處治橋頭差異沉降問題。李然結(jié)合天津某工程橋頭水泥攪拌樁地基處理方案，應用Abaqus有限元軟件，分析了處理范圍、樁長變化、差異樁長設計對消除跳車與二次跳車的影響；陳勝偉采用理論分析和數(shù)值計算方法對軟土路基、PHC預應力管樁、樁帽、土工格柵加筋材料等變形和應力進行了系統(tǒng)研究；白建明建立立體式的加筋土地基數(shù)值模型,通過改變各項加筋參數(shù),分析影響加筋土地基承載力的各項因素,找出最優(yōu)的加筋形式；馬強在路橋過渡段進行了新型三向格柵加筋路堤的現(xiàn)場試驗,并結(jié)合數(shù)值模擬，分析了加筋橋頭路堤填土的有效長度和作用效果；胡衛(wèi)國基于室內(nèi)三軸試驗,對加筋土的作用機理和力學性能進行影響分析；鄭俊杰通過現(xiàn)場試驗對樁承式加筋路堤進行監(jiān)測分析，結(jié)果表明：樁承式加筋路堤通過土拱效應和張拉膜效應將路堤荷載向樁頂轉(zhuǎn)移，從而可有效減小樁間土荷載；葉師鑫通過室內(nèi)滲透試驗、浸泡試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗研究了氣泡輕質(zhì)填料的物理力學特性，并基于工況,提出了采用氣泡輕質(zhì)填料水平引孔置換部分路堤處治已通車公路橋頭跳車的方法。

蔣應軍根據(jù)對已建公路的調(diào)查，對路橋過渡段沉降類型進行歸類，認為不均勻沉降主要有以下幾種：縱坡變化、局部沉降和過渡段橫坡變化。針對不同的沉降形式，學者們提出了不同的控制標準。羊曄認為縱坡坡差容許值0.4%是合理的,并進一步分析路面縱坡坡差與地基差異沉降的關系,提出了不同路堤填高情況下路面的縱坡坡差與地基差異沉降的關系式；陳曉麟?yún)⒄掌嚻巾樞栽u價方法,建立3個自由度的車輛-人體-座椅的振動模型,對臺背不同差異沉降對行車舒適性的影響進行分析；Zhang建立了基于列車-軌道-橋梁耦合動力學理論的模型，研究高速鐵路橋墩差異沉降與行駛速度等關系。

以往的研究大多集中在單一處治方式，該文結(jié)合實體工程，應用FLAC3D軟件建立三維模型，分析長短樁聯(lián)合格柵處治橋頭沉降問題的效果，并分析過渡段縱坡的變化。

2 工程概況

依據(jù)上海市浦東新區(qū)濟陽路快速路改建工程，濟陽路北起盧浦大橋引橋，南至閔行區(qū)界，全長約7.1 km，道路規(guī)劃紅線45～70 m。全線3.2 km范圍新建高架橋，高架下部對現(xiàn)有地面道路進行改造，地面道路沿線經(jīng)過3處河道，涉及三林北港橋、三林塘港橋和外環(huán)南河橋共3座跨河橋。該文選取道路橫斷面為8.5 m，單向雙車道，道路部分均為新建路基路面工程，路橋交界處的橋頭部分為落地梁結(jié)構。

3 模型建立

3.1 幾何模型及荷載條件

應用FLAC3D軟件建立有限差分網(wǎng)格模型如圖1所示，主要分為地基、路基、路面和橋頭結(jié)構4個部分。其中地基土層參考濟陽路地質(zhì)勘查報告進行劃分，共22 m，包括2 m黏土、7 m淤泥質(zhì)黏土、2 m黏質(zhì)粉土、5 m淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、2 m粉質(zhì)黏土、4 m雜填土，其他地下土層土質(zhì)較好，認為對沉降影響小，故不予考慮。為減小模型網(wǎng)格復雜度，提高計算效率，將落地梁結(jié)構簡化為一個長方體橋頭結(jié)構，并固定結(jié)構底部豎向位移，模擬下部地基層中工程樁的作用。結(jié)合城市道路實際情況，路基層設定為1 m的矮路基。為消除邊界對模擬結(jié)果的影響，將縱斷面取為60 m，橋頭一側(cè)原地基取15 m。路面層自上而下分為瀝青面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和級配碎石墊層，其中面層0.2 m，基層0.5 m，墊層0.3 m。

模型邊界條件設置為：在下邊界z=0平面上約束z向位移，即位移uz=0；在側(cè)邊界x=-15 m和x=60 m平面上約束y方向位移，即位移uy=0；在側(cè)邊界y=0和y=8.8 m平面上約束x方向位移，即位移ux=0。

假設有兩列汽車行駛在各自車道上，兩輪間距為2 m，車輪與地面的接觸面寬 0.5 m，以雙輪組單軸100 kN為標準軸載，輪胎壓力0.7 MPa。同時，認為車輛荷載沿道路縱斷面連續(xù)不斷，為通長布置的條形荷載，此設置是考慮城市道路車流量較大，對不確定性很大的荷載的簡化，明顯稍大于實際的情況，但不影響分析差異沉降的規(guī)律。

圖1 計算模型示意圖(單位：m)

3.2 材料參數(shù)

選擇FLAC3D軟件中不同本構關系模擬各部分材料特性，采用Mohr-Coulomb的模型來模擬地基和路基土層，而采用線彈性模型模擬具有良好連續(xù)性、均勻性和各向同性的橋頭結(jié)構和道路面層，各實體單元參數(shù)取值見表1。

采用軟件內(nèi)置的Geogrid和Pile結(jié)構單元分別模擬土工格柵和樁基的特性，模型中樁徑為0.5 m、間距為1.5 m，其中第一根樁在距橋頭結(jié)構1 m的地方布置，土工格柵鋪設兩層，分別在地基路基交界處、路基中間層(距地基0.5 m)，各結(jié)構單元參數(shù)取值見表2。

表1 實體單元參數(shù)

續(xù)表1

材料名稱彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)黏質(zhì)粉土26.550.301870631.0淤泥質(zhì)黏土6.540.4016801111.5黏土9.000.4017401312.5

表2 結(jié)構單元參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

4.1 不處治分析

由于橋梁部分由工程樁控制沉降，而道路在荷載作用下沉降較大，橋頭的差異沉降常是無法避免的，尤其在軟土地基地區(qū)。當差異沉降較小時，橋頭跳車現(xiàn)象不明顯，不會影響正常行車，因此為了控制跳車，保持行車的平順性，需要對路橋過渡段的沉降進行控制。許多學者提出了不同的控制指標，主要有3類：容許工后沉降、容許縱坡坡差、容許臺階高度。

圖2、3分別為道路縱斷面中心線上豎向沉降量和縱坡變化曲線，橋頭結(jié)構與道路交界處產(chǎn)生一定錯臺高度，由于此模型設置路基較矮，使得錯臺高度較小，對行車舒適度影響較小，認為滿足容許臺階高度的要求。通過計算得到各點的縱坡值發(fā)現(xiàn)，道路縱坡坡差較大，橋頭處縱坡達到1.4%左右，而橋面段認為無縱坡變化，車輛經(jīng)過橋頭行車極不舒適，會有明顯的跳車感，需要進行橋頭地基處理，控制沉降變化速率。在距橋頭結(jié)構約20 m處沉降達到最大且趨于平穩(wěn)，由此認為沉降過渡段長度為20～25 m，對此路段的軟土地

圖2 不處治時沉降曲線

圖3 不處治時縱坡曲線

基和新建路基部分分別設置豎向增強體-樁、水平增強體-土工格柵，控制錯臺高度和縱坡坡差。其中樁的布置長度為21 m，格柵的布置長度為30 m。

4.2 等長樁與長短樁對比分析

在保證總樁長相同的情況下，采用軟件內(nèi)置的Pile單元模擬樁基，比較等長樁與長短樁對過渡段差異沉降的影響。樁的平面及立面布置見圖4。

圖4 樁的布置圖(單位：m)

圖5、6分別為不同樁類下路橋過渡段沉降量曲線和縱坡變化曲線。從圖5可以看出：① 樁的設置大幅度減小了前25 m的沉降量，橋頭處的沉降減小率接近100%，縱坡也有較大程度的減小，曲線“凹陷”部分被“拉直”，處治效果明顯；② 長短樁與等長樁相比，長短樁的豎向沉降量曲線變化更加平穩(wěn)，而等長樁曲線則呈現(xiàn)出“陡-平-陡”的趨勢，多次較大的變坡可能會使行車有顛簸感；③ 比較兩種不同類型的長短樁，沉降曲線幾乎重合，認為兩種方式對處治橋頭問題效果接近，使用階梯形長短樁有利于提高施工效率，且能達到直線遞減形長短樁的作用。

圖5 不同樁類下沉降量曲線

圖6 不同樁類下縱坡曲線

由圖6可知：從路橋交接點的縱坡看，等長樁、階梯形長短樁、直線形長短樁的縱坡分別為0.224%、0.198%、0.204%，可見樁對原來不處治的1.4%的縱坡改變較大，且3種類型樁對此處縱坡的影響接近，其中階梯形作用相對更好。從距橋頭25 m道路范圍內(nèi)的縱坡曲線看，等長樁處治后最大縱坡變化率達到0.52%，而兩種長短樁最大縱坡變化率為0.30%，可見長短樁對提高整個過渡段行車舒適度比等長樁的效果更好，沉降平穩(wěn)漸變，利于行車。

4.3 單一與聯(lián)合對比分析

圖7、8分別為單一處治與聯(lián)合處治下過渡段沉降量和縱坡曲線。

由圖7可知：① 從橋頭交接點看，只采用土工格柵或只采用長短樁或兩種聯(lián)合，對此處的沉降處治效果都較好，沉降量接近于0 mm，而在距橋頭30 m范圍內(nèi)沉降曲線差距較大；② 在地基中加樁的方式大幅度減小了路面的沉降量，兩種增強體的聯(lián)合與單一長短樁處治比較可見，聯(lián)合手段沉降減小的效果增加較小，但由于格柵的鋪設長度大于樁，在樁地基與一般地基交接處，沉降差變化更小，即有利于避免樁體結(jié)束處的“二次跳車”現(xiàn)象。

圖8的縱坡曲線可以驗證聯(lián)合法的意義，長短樁加筋路基隨與橋頭結(jié)構距離的增加，沉降變化更平緩，道路縱坡的波動程度更小，即道路更加平順，行車舒適度更高。

圖7 單一與聯(lián)合法沉降曲線

圖8 單一與聯(lián)合法縱坡曲線

結(jié)合圖7、8可知：無論是單一法還是長短樁聯(lián)合加筋法都能夠減小沉降量、緩和縱坡，沉降的改變量：聯(lián)合法>長短樁>格柵。

4.4 不同路基高度分析

為探究不同路基高度工況下橋頭路基的沉降特性，建立不同的三維模型，通過計算得到相應監(jiān)測點的豎向位移值。圖9(a)為未處治和經(jīng)長短樁聯(lián)合土工格柵處治的道路沉降量曲線圖。由圖9(a)可知：無論是哪類路基，隨著路基高度的增加，沉降量都在增加，這主要是因為路基自重的增加。在不同路基高度的情況下，相較于未經(jīng)處治的路基，長短樁加筋路基在路橋過渡段的沉降均有明顯降低，也即這種聯(lián)合法適用于各種高度的路基工況。

圖9(b)、(c)分別為3、6 m高路基下橋頭段的沉降量曲線圖。結(jié)合圖5、7可知：不同的路基高度下各種處治手段有相似的沉降規(guī)律，長短樁比等長樁有著更平緩的變化趨勢，長短樁相較于格柵對減小橋頭沉降的效果更明顯，聯(lián)合法比單一法更能緩和過大的沉降變化，這與前述的路基為1 m工況下所得結(jié)論相同。

5 結(jié)論

以上海市濟陽路高架路橋過渡段為工程背景，應用FLAC3D軟件建立路橋過渡段三維模型，研究長短樁加筋路基在處治橋頭問題中的效果。通過分析不處治方法下的道路沉降和縱坡變化，確定長短樁和土工格柵的處治路段長短，對比了等長樁和兩種長短樁、單一法與聯(lián)合法對沉降和縱坡的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 不處治的橋頭段存在明顯錯臺和較大縱坡差，易產(chǎn)生橋頭跳車現(xiàn)象。

(2) 兩種長短樁效果接近，相較于等長樁，長短樁處治下，沉降和縱坡變化更小。聯(lián)合法可以充分發(fā)揮兩種材料的作用，同時減小地基沉降和路基壓縮變形，還有利于避免“二次跳車”現(xiàn)象。

(3) 隨著路基高度的增加，路橋過渡段沉降量增加，不同的路基高度下路基處治方式有相似的沉降規(guī)律。

(4) 長短樁能夠使沉降平穩(wěn)過渡，且能減小用樁成本，而土工格柵對增強土體強度、緩和有樁與無樁段的剛度差作用明顯，在實際應用中在地基中布設長度漸變的樁，同時在路基中鋪設格柵，通過這種新型的聯(lián)合處理法，能有效解決“橋頭跳車”問題。