摘要 路橋過渡段的差異沉降是高速公路運營期間最常見的病害之一，需嚴格控制。首先，文章總結了過渡段差異沉降的表現形式和沉降機理，基于現場調查數據分析了過渡段差異沉降的分布位置和分布規(guī)律；隨后，分析了規(guī)范法和有限元法在過渡段差異沉降計算中的應用；最后，以某高速公路大橋為例，利用Midas GTS軟件建立計算模型，計算了過渡段內不同測點的差異沉降，研究成果可為類似項目建設提供借鑒參考。

關鍵詞 軟土地基；高速公路；差異沉降；計算方法；應用案例

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0099-03

0 引言

近年來，高速公路的建設里程逐年增加，在2023年末已經突破了18.4萬公里，對應的路基病害也越來越多。當高速行駛的車輛經過差異沉降段后，會引起“橋頭跳車”現象，出現劇烈顛簸，也導致駕駛員產生緊張情緒，容易做出錯誤操作，甚至導致翻車、車輛沖出路面等事故[1]。同時，由于差異沉降的存在，司機在經過此處時會剎車或減速，加劇車輛輪胎的磨損，縮短車輛的使用壽命。因此，分析軟土地基處理過渡段的差異沉降特性，明確計算方法，并據此采取合理的處治措施具有重要的工程意義。

1 過渡段差異沉降特性分析

1.1 過渡段差異沉降形式

在高速公路運營期間，路橋過渡段會不可避免地出現差異沉降。若過渡段不設置橋頭搭板，差異沉降可簡化為“錯臺形”；若過渡段設置了橋頭搭板，差異沉降可簡化為“折線形”，如圖1所示[2]：

圖1 過渡段差異沉降表現形式

1.2 過渡段差異沉降機理

高速公路橋梁的橋臺屬剛性結構物，設計時對橋臺沉降控制十分嚴格，工后沉降小，可忽略不計。因此，過渡段的差異沉降與臺背土體的長期工后沉降有關。一般情況下，高速公路運營時間越長，臺背土體的工后沉降越大，過渡段的差異沉降越大，對行車安全的影響越大。

在軟土地基路段，臺背土體的工后沉降主要取決于地基土固結、路基壓縮變形及降雨、溫度等因素，具體闡述如下：

（1）地基土固結

軟土地基具有強度低、可壓縮性大、固結速度緩慢等特點。在路基施工及運營期間，填土自重產生的附加應力會作用于軟土地基，使得軟土地基不斷固結，超靜水壓力消散，水從空隙中排出，使得軟土地基出現體積壓縮、沉降等現象。路基填土越高，作用于軟土地基的附加應力越大，軟土地基的沉降就越大，過渡段的差異沉降也越大。

（2）路基壓縮變形

為了提高高速公路的施工進度，通常先施工橋梁工程，而路基臺背回填則在橋臺建成后進行，這種施工順序會使得過渡段路基的施工界面受限。尤其是靠近橋臺的三角區(qū)，大型壓實機械難以進入，只能用小型夯機壓實臺背填土，可能導致臺背填土局部的壓實度不足。在填土自重作用下，路基會被逐漸壓縮變形。臺背填土的填料重度越大，路基壓縮變形就越大，差異沉降也越大。

（3）其他影響因素

在連續(xù)降雨或暴雨天氣，雨水徑流會沿著橋梁與路基連接處的裂縫滲入臺背的填土內部，使得臺背填土的含水量增加、強度降低、細粒土流失等。在車輛荷載沖擊作用下，橋頭路基容易塌陷，增大過渡段的不均勻沉降。

另外，搭板由混凝土澆筑而成，具有熱脹冷縮特性。在冬季寒冷天氣下，橋頭搭板的體積會收縮，使得搭板和土體脫空，這也會增大過渡段的不均勻沉降[3]。

1.3 過渡段差異分布特性

該文調查了某地區(qū)的5條高速公路（分別編號為高速A～E）路橋過渡段的差異沉降，得到了其最大差異沉降位置和大小的特性，具體闡述如下：

（1）分布位置

在調查前，將過渡段出現最大差異沉降的位置分為2個——伸縮縫處、搭板與路堤銜接處，不同高速的調查情況如表1所示：

由此可知，高速公路路橋過渡段80%以上的最大差異沉降均出現在搭板與路堤銜接處，最大差異沉降值基本在1.5～3.5 cm，滿足規(guī)范要求。

（2）分布規(guī)律

高速公路各個過渡段的差異沉降數據并不是沒有任何規(guī)律。結合相關研究成果，假設高速公路各個過渡段的差異沉降服從“正態(tài)分布”，利用K-S檢驗法（Kolmogorov-Smirnov test）檢驗假設是否合理，具體步驟如下[4]：

第一，假設檢驗問題。H0樣本服從正態(tài)分布，H1樣本不服從正態(tài)分布；第二，求解檢驗函數Di=max|F0（X）-Fn（X）|，其中F0（X）為理論分布函數；Fn（X）為累積頻率函數；第三，得出結論。當Di大于D（n.a）時接受H1，當Di小于D（n.a）時接受H0，n為樣本數量，a為顯著水平。

以高速A為例，路橋過渡段的差異沉降數據共有22組，利用SPSS軟件對差異沉降進行統(tǒng)計，計算出檢驗函數，如表2所示。經分析，Di=max|F0（X）- Fn（X）|=0.23lt;D（n.a）=0.2756，說明可接受H0，即路橋過渡段的差異沉降大小呈正態(tài)分布。

2 過渡段差異沉降計算方法

由于橋臺處的沉降很小，在計算過渡段差異沉降時，可假設橋臺沉降為0。此時，不考慮降雨、溫度等因素的影響，軟土地基的固結沉降和臺背填土的壓縮變形就是差異過渡段的不均勻沉降。目前，計算臺背填土沉降常用的方法有兩種——規(guī)范法和有限元法。

2.1 規(guī)范法

軟土地基和臺背填土是由土顆粒、水、空氣組成的三相體，其在外力作用下的沉降包括瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降三部分。由于瞬時沉降和次固結沉降的占比不大，且計算原理不成熟，一般不直接計算。根據《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015），可假設土體只有豎向沉降，無側向變形，且土層厚度范圍內附加應力均勻分布，先用分層總和法計算出軟土地基和臺背填土的主固結沉降，再將主固結沉降乘以沉降系數就得到總沉降，可用式（1）和式（2）進行表示。對于軟土地基，其計算深度應以附加應力與有效自重應力之比≤0.15為基準[5]。

Sc=∑n i=1 "pihi " Esi （1）

S=mSc （2）

式中：Sc——主固結沉降（mm）；S——總沉降（mm）；n——土層數量；pi——第i層土的平均附加應力（N）；hi——第i層土的厚度（m）；Esi——第i層土的壓縮模量（MPa）；m——沉降系數，與地基類型、填料重度、路堤中心高度、加載速率等參數相關，一般在1.1～1.3。

為了避免人工計算過渡段差異沉降產生較大誤差，提高計算效率，在實際項目中一般是利用理正巖土軟件進行建模、計算。

2.2 有限元法

近年來，隨著計算機技術的進步，越來越多的高速公路項目在設計時開始應用有限元法。在計算過渡段差異沉降時，常用的有限元軟件有Midas GTS、ANSYS、PLAXIS等。不同有限元軟件的操作不同，但計算步驟類似：CAD軟件建?！獙胗邢拊浖！斎肱_背填土和軟土地基的物理力學參數—劃分模型網格—設置邊界條件—開始計算工后沉降。

3 過渡段差異沉降計算案例分析

3.1 工程概況

研究對象為高速公路大橋，其設計速度為120 km/h，中心樁號為K10+075，跨徑長度為200 m，上部結構為連續(xù)箱梁，單箱雙室，變截面，橋臺為U形臺，橋墩為柱式墩，基礎為樁基礎，小樁號橋頭和大樁號橋頭的填高分別為7.5 m、7.2 m。

經現場勘察，過渡段內存在軟土，地基土自上而下如下：（1）淤泥質土。呈灰黑色，軟塑狀，厚度約5.5～6.0 m，天然含水量在45%左右，重度為13 kN/m3，黏聚力為5 kPa，內摩擦角為10°。（2）粉質黏土。呈黃褐色，硬塑～軟塑樁，厚度約23.5～25.0 m，天然含水量在18%左右，重度為19.5 kN/m3，黏聚力為22 kPa，內摩擦角為30°。

由于大橋兩側填土較高，且存在軟土地基，過渡段容易出現較大的差異沉降，產生“橋頭跳車”，影響行車的安全性和舒適性。

3.2 計算模型建立

鑒于此，利用有限元軟件Midas GTS建立三維計算模型，計算路橋過渡段的差異沉降，建模要點分析如下：

（1）幾何模型

在CAD中按設計尺寸繪制路基模型后，導入Midas GTS軟件，并沿著縱向拉伸10 m，形成三維模型。隨后，用實體單元（四面體）模擬臺背填土和軟土地基。在劃分路基模型網格時，網格尺寸不宜過大或過小，應綜合考慮計算準確性和計算速度。結合相關研究成果，建議過渡段的網格最大值控制0.5 m內。最終，過渡段模型共劃分出12 056個單元、13 288個節(jié)點，如圖2所示。

（2）本構關系

軟土地基和臺背填土都是三相體，其應力應變關系均滿足摩爾—庫倫屈服準則，即三相體的某一點達到極限平衡狀態(tài)后，繼續(xù)增大外力，該點將出現剪切破壞，可用下列公式表示[6]：

τ=σtanφ+c （3）

式中：τ——剪切力（kPa）；σ——正應力（kPa）；φ——內摩擦角（°）；c——黏聚力（kPa）。

（3）邊界條件

為了保證模擬結果與實際保持一致，需設置邊界條件（包括位移邊界和透水邊界）。對于模型的底邊界，同時約束X/Y/Z方向的位移，且不透水；模型的頂邊界，不約束位移，可透水；模型的側邊界約束側向位移，且不透水。

3.3 路橋差異沉降計算結果

假設該大橋橋臺與路基相接處為0點，沿道路前進方向每間隔2 m設置一個沉降監(jiān)測點，且沉降點均位于路基中心線處。Midas GTS軟件計算結束后，導入不同監(jiān)測點的沉降值，繪制出的變化曲線如圖2所示：

圖3的計算結果表明，沿路基前進方向，過渡段內的差異沉降呈勺形分布，即隨著測點距橋臺距離的增加，差異沉降先增大后減小。當監(jiān)測點距橋臺為4 m時，差異沉降達到峰值6.0 cm，滿足規(guī)范要求（10 cm）。當監(jiān)測點距橋臺超過16 m時，差異沉降基本不變，穩(wěn)定在2.2 cm左右。

4 結論

該文分析了高速公路過渡段的差異沉降形式、分布特性、計算方法等，并以某高速公路大橋為例開展差異沉降分析，得到以下結論：

（1）根據是否設置橋頭搭板，可將過渡段的差異沉降形式分為兩類——錯臺形和折線形。

（2）過渡段的差異沉降最大值基本出現在搭板與路堤銜接處，且高速公路全線過渡段的差異沉降大小經K-S檢驗法檢驗后基本呈正態(tài)分布。

（3）在計算過渡段的差異沉降時，可利用規(guī)范法或有限元法，并假設橋臺沉降為0。

（4）隨著測點距橋臺距離的增加，過渡段內的差異沉降先增大后減小，在4.0 m達到峰值，超過16 m后趨于穩(wěn)定。

參考文獻

[1]李蕓.高速公路過渡段軟土地基處理數值模擬研究[J].西部交通科技，2024（1）：44-47.

[2]劉紹偉.基于工程應用的路基差異沉降控制標準及預測方法研究[D].西安：長安大學，2023.

[3]秦浪朝.橋頭軟土地基加固對路橋過渡段變形特性的影響[J].江蘇建筑職業(yè)技術學院學報，2022（2）：19-23.

[4]張定權.西洞庭湖區(qū)高速公路管樁橋頭過渡段工后沉降及處治研究[D].長沙：長沙理工大學，2022.

[5]金延俊，王波.軟土地基路橋過渡段差異沉降規(guī)律及優(yōu)化方案研究[J].四川水泥，2017（3）：355.

[6]錢盈，張小峰，喻平.軟土地區(qū)公路橋頭過渡段地基處理技術探討[J].交通科技，2019（1）：32-34.