路桥过渡段沉降问题分析

摘 要：本文根据笔者多年工作经验，根据有限元计算结果，分析得到了过渡路段路面结构应力与差异沉降的时空变化规律，并采用有限元方法研究过渡段路面结构裂纹与差异沉降发展规律与相关关系，进而提出更为合理的差异沉降控制标准，为桥台后回填设计提供依据.

关键词：路桥;沉降;路面

中图分类号：U41 文献标识码：A

1数值计算模型

根据某桥台后回填实际工况，如图1所示，该项目采用ABAQUS大型软件创建了三维有限元模型，地下水位上方均采用C3D8R单元，地下水位以下则采为C3D8RP单元。如图2所示，半刚性基层沥青路面结构的组成；路面、回填材料与地基计算参数提取典型值，无需进行参数敏感性分析；桥台后回填材料为高度8m的风积砂；地基0m～2m深度内为粉质粘土，2m～8m深度内为圆砾；地下水位位于粉质粘土层底部.在路线纵向，计算范围沿桥台前伸展12m，桥台后伸展28m；在路线横向，桥台与路堤宽为10m，路堤边坡坡比为1∶1.5，桥台基础埋置深度为2m。假定路堤按1m/层进行填筑，填筑速率达1/15m/d.模型的边界约束条件:地基(填土)竖向边界为x或y向约束，地基底部为x，y，z向同时约束;桥台、填土、路面间的相互作用采用ABAQUS面面接触来模拟.

过渡段差异沉降控制标准研究目的是为了确定路面结构对差异沉降的最大耐受能力。根据该研究特点，有限元计算中忽略交通荷载的动力效应，同时采用交通荷载的静力等效方法简化计算过程。根据文献的建议，笔者采用路表10kPa超载来等效替代交通荷载的作用效应，以期获得较为合理的计算结果.计算分3阶段进行:第一阶段采用Geostatic步，计算得到地基初始应力与孔隙水压力分布；第二阶段采用多个SoilsCon-solidation步，模拟路堤分级填筑以及路面、桥台与超载施加过程；第三阶段采用SoilsConsolida-tion步模拟路面竣工后10年，等效交通荷载用下过渡段差异沉降导致路面裂缝生成与发展情况。

2本构模型参数

计算中采用不同本构关系描述不同材料应力应变特性，土体模型参数都通过室内三轴试验测试结果整理得到。地基粉质粘土用ABAQUS的ClayPlasticity弹塑性模型，模型参数见表1。风积砂与圆砾采用自行开发的修正的Duncan-Chang双曲线模型，其中切线弹性模量Et和切线泊淞比υt表达为

初始切线泊松比υi以及参数μ计算公式:υt=G-Flog10(σ3/pa)，μ=Ulog10(σ3/pa)+V，切线体积模量计算公式则为Bt=Et/(1-2υt)。该模型可较好反映无粘性粒状材料的工程特性，相应模型已用FORTRAN语言以UMAT形式嵌入到ABAQUS有限元中，模型参数见表2。

桥台水泥混凝土采用线弹性模型，其弹性模量为35.4GPa，泊淞比为0.25，容重为24.3kN/m3.ABAQUS有限元中的ConcreteDamagedPlasticity模型可用于模拟路面材料(沥青混凝土与半刚性基层)力学性能，材料的屈服面硬化规律为等效塑性应变（包括等效拉伸应变与等效塑性应变）的函数。该模型定义损伤变量d为等效塑性应变与有效应力张量的函数，可模拟塑性状态下材料的刚度劣化与裂纹的生成、发展直至破坏的本构特性。其中，σc0为压缩状态下的屈服应力，σcu为压缩极限应力，σtu为拉伸破坏应力，ψ为剪胀角。路面与基层材料模型参数见表3。

3计算结果分析

3.1路面结构开裂分析

道路中线处路面顶部结点138，82，394，392，390;底部结实149，104，493，492，491的具置如图3所示。图4给出了相应结点水平正应力S22随道路竣工后时间的变化情况；以工后时间1230.5d为临界点，路面顶部结点82与394由拉应力转变为压应力，而路面底部结点491与492由压应力转变为拉应力。在时间为2370.0d时，491，492与82水平正应力趋于0，表明路面结构相应部位丧失承载能力，由此可以判断路面结构相应部位开始出现损伤裂纹。图5为工后时间为3650d的路面顶、底部水平正应力S22分布情况，由图4可知:沿着道路纵向，路面底部水平拉应力S22应力变化情况为:由近桥台处的压应力急剧变为拉应力后，以与桥台距离14m为界限，水平拉应力S22关于距离的变化率发生转折，拉应力S22随着与桥台距离的增加而逐渐减小，最终趋于稳定，变化曲线呈现为“∽”形分布；路面顶层水平拉应力分布情况几乎相反。图5还表明，在距离桥台10m范围内，水平正应力S22变化较为急剧。图6给出了工后时间2370d差异沉降导致裂纹贯穿路面结构时刻及其后阶段3650d裂纹横向扩展直至路面结构破坏时刻的裂纹分布云图。可以

认为随着回填体与桥台之间差异沉降的增加以及道路表面等效交通荷载的施加，近桥台处路面底部的拉应力也逐步达到沥青混凝土的拉裂强度并出现损伤裂纹。起初，路面损伤裂纹主要沿着垂直方向从底部向顶部扩展，直至裂纹贯穿路面以致发生局部开裂，如图6(a，b)所示.其次，路面局部开裂以后，差异沉降与交通荷载的继续作用导致开裂区域主要沿着路面底部横向不断扩展，如图6(c，d)所示，致使路面结构承载能力与服务性水平进一步降低。

3.2　差异沉降分布规律

道路竣工并开放交通后，由于地基固结与交通荷载的共同作用，回填体与桥台之间的差异沉降将不断发展。如图7所示，与路堤发生接触作用的路面部分发生挠曲变形，致使路基路面沉降变形沿路堤纵向近似为“∽”形分布.距离桥台2m范围内，沉降变化缓慢路面较为平顺，路面顶(底)部主要发生压缩(拉伸)变形；距离桥台大于2m部位，沉降先急剧变化后又趋于稳定，路面顶(底)部都以压缩变形为主；近桥台处纵坡发生较大变化导致路面平顺性降低，从而影响道路服务水平。

在路面顶部中线部位系列结点中，结点81为桥台结点；结点305与结点638皆为路堤中结点，分别与结点81相距0m和12m。根据图8的沉降历时变化曲线可知:桥台结点81的竖向沉降很小，最大达到0.49cm;在工后时间为2370d裂纹贯穿路面结构的临界状态，桥台后结点305与结点81沉降差异达到2.83cm，结点638与结点81差异沉降达到5.76cm。有限元计算表明，道路中心路面顶部沉降沿路线纵向呈指数型分布形式: