秦浪朝

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041 2.四川省公路院工程監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041)

路橋過(guò)渡段常常出現(xiàn)橋頭跳車(chē)現(xiàn)象，主要是路基和橋臺(tái)剛度差異導(dǎo)致的[1-3]。再加上，橋臺(tái)和路基的沉降特性不盡相同，路橋差異沉降使得橋臺(tái)跳車(chē)問(wèn)題隨時(shí)間的推移越發(fā)嚴(yán)重。學(xué)者們對(duì)這一工程問(wèn)題一直十分關(guān)注。吳福泉等[4]通過(guò)調(diào)查某市40座既有橋梁橋頭損傷的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)17.5%的公路橋頭存在中等程度以上的跳車(chē)現(xiàn)象，橋臺(tái)和臺(tái)背填土的分離造成橋臺(tái)路面彎曲破壞、開(kāi)裂及沉陷。閆茜和楊廣慶[5]利用ADINA非線性有限元分析軟件，分析了土工格室高度、地基土性質(zhì)、路堤填料性質(zhì)及底層土工格室等因素對(duì)路橋差異沉降的影響，對(duì)土工格室露橋頭體系的設(shè)計(jì)優(yōu)化提出建議。姚麗芳[6]通過(guò)對(duì)橋臺(tái)軟基的連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，分析軟土排水固結(jié)前后的物理力學(xué)性質(zhì)變化情況，探討引起橋臺(tái)跳車(chē)的原因。徐巍[7]認(rèn)為可通過(guò)完善設(shè)計(jì)及嚴(yán)格控制施工質(zhì)量改善或消除橋頭跳車(chē)現(xiàn)象。例如，修建足夠強(qiáng)度及長(zhǎng)度的橋頭搭板，充分壓實(shí)填筑材料，選用適當(dāng)?shù)奶钪牧?，進(jìn)行全面的施工監(jiān)理等。馬加存等[8]以京臺(tái)高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為依托建立車(chē)輛振動(dòng)模型，分析車(chē)輛經(jīng)過(guò)路橋過(guò)渡段時(shí)的振動(dòng)特性，提出道路拼寬段路橋過(guò)渡段差異沉降控制方法設(shè)計(jì)時(shí)確定合理的搭板長(zhǎng)度十分重要。 鄭少午和劉萌成[9]為研究橋臺(tái)后路面結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)渡段差異沉降的耐受能力，借助ABAQUS分析得到了過(guò)渡路段路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力與差異沉降的時(shí)空變化規(guī)律。楊?lèi)?ài)珍等[10]通過(guò)在寧波地區(qū)一些典型的路橋過(guò)渡段現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得出在橋頭限速80 km/h可作為預(yù)防該處發(fā)生橋頭跳車(chē)的控制標(biāo)準(zhǔn)。袁前勝和伍迪[11]對(duì)影響交通荷載作用下的路橋過(guò)渡段沉降進(jìn)行了研究，得出過(guò)渡段的形式只對(duì)沉降速度有影響，對(duì)最終沉降量沒(méi)有明顯影響。

在軟土地區(qū)，橋頭跳車(chē)現(xiàn)象越發(fā)顯著，在實(shí)際工程中，往往需要對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處治。因而軟土加固程度對(duì)路橋差異沉降的影響還鮮有報(bào)道?；诖耍疚拈_(kāi)展離心模型試驗(yàn)，探究不同CFG樁間距對(duì)樁基橋臺(tái)和臺(tái)后路基沉降及二者差異沉降的影響規(guī)律，以期對(duì)軟土地區(qū)路橋過(guò)渡段設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 路橋過(guò)渡段離心模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次離心模型試驗(yàn)是在西南交通大學(xué)離心機(jī)上進(jìn)行的，型號(hào)為T(mén)LJ-2型，主要技術(shù)指標(biāo)：最大加速度200 g，有效半徑為2.7 m，有效荷載容量為100 g·t，模型箱尺寸800 mm×600 mm×600 mm。

1.2 模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共4組，試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐什捎?0 g，試驗(yàn)變量為CFG樁間距，分別為6 d、5 d、4 d和3 d，以表征軟土的加固程度，其余試驗(yàn)參數(shù)保持一致，試驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭鎴D見(jiàn)圖1。模型地基上部土層為飽和粉質(zhì)黏土，下層為硬塑狀老黏土，其物性參數(shù)見(jiàn)表1。路基土采用縮尺后的級(jí)配碎石。

表1 地基土模型的物性參數(shù)

由于模型CFG樁經(jīng)模型率換算后，尺寸較小，難以采用原材料(混凝土)進(jìn)行制作，因此采用鋁合金材料代替，其幾何尺寸的確定按照質(zhì)量、摩擦特性等效原則控制。橋臺(tái)樁采用水泥砂漿，配合比為水泥∶水∶石英砂=1∶0.35∶1.2，水泥采用普通32.5R硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d。橋臺(tái)樁基和CFG樁的幾何尺寸見(jiàn)表2。

測(cè)試項(xiàng)目主要是樁基橋臺(tái)沉降和臺(tái)后路基路基面(距離臺(tái)背1 m、5 m和10 m)沉降值，見(jiàn)圖1。沉降采用LVDT進(jìn)行采集，LVDT元件通過(guò)工字鋼夾具固定在模型箱上方，其測(cè)試探頭與路基面接觸處安置一塊鋁片，防止插入路基土，以免影響測(cè)試精度。

表2 樁體的幾何尺寸 單位：m

1.3 模型制作過(guò)程

1)將取自現(xiàn)場(chǎng)的土進(jìn)行翻曬、碾壓、破碎，過(guò)2 mm篩，按照設(shè)計(jì)的含水率制備濕潤(rùn)土，然后分層填筑地基模型，并在自重下(80 g)完成地基固結(jié)沉降。

2)采用千斤頂在設(shè)計(jì)位置安裝樁基橋臺(tái)，在設(shè)定離心力下使樁基橋臺(tái)固結(jié)穩(wěn)定完成。

3)對(duì)橋頭地基進(jìn)行不同樁間距的CFG處治，然后填筑路基土，在80 g下使路基施工期間的地基固結(jié)沉降完成。

圖1 模型試驗(yàn)布置剖面圖

4)對(duì)LVDT數(shù)據(jù)清零，在80 g離心加速度下運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，正式記錄路基填筑完成后不同時(shí)間點(diǎn)橋臺(tái)和路基的沉降。

圖2 模型制作過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 臺(tái)后路基沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律

在設(shè)定離心加速度下，路橋過(guò)渡段模型不同軟土地基加固程度的臺(tái)后路基不同位置的沉降隨時(shí)間變化曲線關(guān)系見(jiàn)圖3，加固程度以CFG樁間距來(lái)表征，為了節(jié)約篇幅，僅給出CFG樁間距為6 d和4 d的情況。從圖3中可以看出，臺(tái)后路基不同位置的沉降隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同，均呈先迅速增大后逐漸趨于穩(wěn)定，且隨距臺(tái)背距離不斷增大，臺(tái)后路基沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定，所需時(shí)間也逐漸增加。具體分析，在軟土CFG樁間距6 d下，路基填筑完成經(jīng)歷42個(gè)月后，樁橋臺(tái)礎(chǔ)的固結(jié)沉降為17.2 cm，而距臺(tái)背1，5，10 m處路基面沉降分別為19.3，22.6，32.3 cm，從而得出橋臺(tái)沉降比臺(tái)后路基(緊鄰的測(cè)點(diǎn))小于2.1 cm；對(duì)于5 d，經(jīng)歷42個(gè)月后，樁基橋臺(tái)的沉降為16.7 cm，而距臺(tái)背1，5，10 m處的路基面沉降分別為17.3，19.5，28.7 cm，橋臺(tái)沉降比臺(tái)后路基小于0.6 cm；在4 d下，經(jīng)歷42個(gè)月后，樁基橋臺(tái)的固結(jié)沉降為14 cm，而距臺(tái)背1，5，10 m處路基面沉降分別為13.6，19.3，26.5 cm，橋臺(tái)沉降大于臺(tái)后路基0.4 cm；在3 d下，42個(gè)月后，樁基橋臺(tái)的固結(jié)沉降為13.7 cm，距臺(tái)背1 m，5 m，10 m處路基面沉降分別為10.1，11.5，14.4 cm，橋臺(tái)沉降大于臺(tái)后路基3.6 cm。可見(jiàn)隨著CFG樁間距的減小，即軟土加固程度的增大，樁基橋臺(tái)和臺(tái)后路基的沉降均在減小，但前者減小速率小于后者，可以得出這樣的結(jié)論，存在某一CFG樁間距使得地基和地基土固結(jié)沉降完成后，樁基橋臺(tái)和臺(tái)后路基的沉降相等。

圖3 臺(tái)后路基填筑完成后路橋沉降隨時(shí)間發(fā)展曲線分布

在實(shí)際工程中，工程師希望通過(guò)實(shí)測(cè)的前期數(shù)據(jù)，采用可靠的預(yù)測(cè)模型，計(jì)算工后沉降及總沉降，這對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工是大有裨益的[12]。普通路基大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料顯示，當(dāng)路基填筑完成后，其前期(1～2a)沉降增幅速率大，而后期沉降增速逐漸放緩，最終沉降曲線趨于收斂穩(wěn)定，曲線形態(tài)大致呈S形。為驗(yàn)證臺(tái)后路基沉降-時(shí)間曲線也遵循類(lèi)似的分布特點(diǎn)，結(jié)合離心機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出臺(tái)后路基沉降發(fā)展曲線仍然符合Weibull模型，且預(yù)測(cè)效果較好，這里僅列出臺(tái)后路基1 m處的沉降擬合情況，如圖4所示。從圖中可以看出，采用Weibull模型預(yù)測(cè)臺(tái)后路基沉降，擬合度很高，相關(guān)系數(shù)R2=0.99。另外，樁基橋臺(tái)的沉降-時(shí)間曲線也適用Weibull模型。因此，路橋過(guò)渡段的沉降采用Weibull模型擬合這一技術(shù)路線是可行的。

圖4 臺(tái)后路基沉降曲線的Weibull模型擬合

2.2 臺(tái)后路基沉降隨臺(tái)背距離的變化規(guī)律

為了直觀反映樁基橋臺(tái)和臺(tái)后路基沉降的不平順性，將臺(tái)后路基沉降相對(duì)于橋臺(tái)的沉降差隨臺(tái)背的距離繪制成曲線。這里，設(shè)定樁基橋臺(tái)的沉降為基準(zhǔn)0點(diǎn)，當(dāng)臺(tái)后路基沉降大于橋臺(tái)設(shè)為正，反之為負(fù)，路橋沉降曲線如圖5所示，為了節(jié)省篇幅，這里僅列舉CFG樁間距為6 d和4 d。從圖中可以看出，隨著軟土加固程度(CFG樁間距)的變化，路橋沉降與臺(tái)背距離變化曲線形態(tài)出現(xiàn)較大的差異。具體來(lái)看，當(dāng)軟土處理程度較低(如CFG樁間距為5 d和6 d時(shí)，見(jiàn)圖5(a))，沉降曲線形態(tài)為下凹形，即沉降隨臺(tái)背距離的增大而逐漸降低，且隨時(shí)間這一變化趨勢(shì)越發(fā)顯著；而當(dāng)軟土處理程度較高時(shí)(如CFG樁間距為3 d和4 d時(shí)，見(jiàn)圖5(b))，路橋沉降曲線演變?yōu)椴粚?duì)稱的凸形，即沉降隨臺(tái)背距離的增大呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，從而出現(xiàn)在臺(tái)后路基某個(gè)位置與橋臺(tái)沉降相等的情況，這意味著近橋臺(tái)處路基沉降小于橋臺(tái)沉降，而遠(yuǎn)橋臺(tái)處則大于橋臺(tái)沉降，可將其稱為“二次過(guò)渡現(xiàn)象”。同時(shí)還可以看出，隨著軟土地基加固程度的提高，CFG樁間距的不斷減小，臺(tái)后路基沉降小于橋臺(tái)的長(zhǎng)度范圍也在不斷擴(kuò)大。

2.3 臺(tái)后路基沉降隨軟土加固程度的變化規(guī)律

圖6為路基填筑完成42個(gè)月后，臺(tái)后不同位置沉降隨軟土CFG不同樁間距(反映軟土加固程度)的變化曲線。從整體來(lái)看，隨著CFG樁間距的增大，軟基處理程度越低，樁基橋臺(tái)和臺(tái)后路基沉降均不斷增大，但各個(gè)位置對(duì)軟土加固程度的敏感性不盡相同。在近橋臺(tái)位置，軟土加固程度的變化對(duì)臺(tái)后路基沉降影響較小。具體分析，對(duì)樁基橋臺(tái)，臺(tái)后路基填筑完成42個(gè)月后，CFG樁間距從5 d到3 d，橋臺(tái)沉降減小幅度為24%，而距臺(tái)背10 m處的路基沉降則減小54%。這意味著，對(duì)過(guò)渡段地基處理，采用統(tǒng)一的處治方案是不合理的，也是不經(jīng)濟(jì)的，而應(yīng)該結(jié)合土層具體情況采用變樁距或變樁長(zhǎng)的處治方案，重點(diǎn)強(qiáng)化近橋臺(tái)處地基的處理程度。同時(shí)，從圖中還可以看出，橋頭軟土地基采用CFG樁進(jìn)行加固時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)樁間距，使得臺(tái)后路基與樁基橋臺(tái)的差異沉降為零，其實(shí)現(xiàn)路橋沉降曲線形態(tài)的平順性，對(duì)本次離心模型情況，最優(yōu)CFG樁間距在4～5 d。

圖5 臺(tái)后路基填筑完成后路橋沉降隨臺(tái)背距離的曲線分布

圖6 臺(tái)后路基填筑后路橋沉降隨CFG樁間距變化關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)臺(tái)后路基不同位置的沉降隨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)先迅速增大后逐漸趨于穩(wěn)定，且隨距臺(tái)背距離不斷增大，臺(tái)后路基沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定所需時(shí)間也逐漸增加。

2)臺(tái)后路基沉降發(fā)展曲線符合Weibull模型，預(yù)測(cè)效果較好，路橋過(guò)渡段的沉降采用Weibull模型擬合這一技術(shù)路線是可行的。

3)當(dāng)軟土處理程度較低，沉降曲線隨臺(tái)背距離變化形態(tài)為下凹形，而當(dāng)軟土處理程度較高時(shí)，曲線演變?yōu)椴粚?duì)稱的凸形。

4)隨著CFG樁間距的增大，樁基橋臺(tái)和臺(tái)后路基沉降均不斷增大，且存在一個(gè)最優(yōu)樁間距，使得臺(tái)后路基與樁基橋臺(tái)的差異沉降為零。