有关离心模型试验的路桥变形耦合特性数值模拟研究

摘 要：路桥在变形特性方面是存在差异的，这就对行车的安全性造成了影响，因此，如何完善不同结构物连接处的过渡段设计是工程设计者普遍关注的问题。该文通过建立路桥过渡段三维数值分析模型，对计算结果和离心模型试验的结果进行分析，对路桥变形耦合特性进行了研究，并得出了相关结论。

关键词：离心模型试验 路桥变形耦合特性 数值模拟 研究

中图分类号：U443 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0103-01

目前，我国对于过渡性问题的研究主要集中在动力学分析方面，缺少对路桥变形耦合性的分析研究。过渡段路基的变形会对其刚度指标造成直接影响，而且台背路基变形会影响桥台的水平位移和倾角，从而影响路桥的使用。因此，要对桥台和路基之间的关系进行分析，为路桥设计工作提供依据。接下来，我们就利用三维数值分析模型，对路桥的变形耦合特性和相互作用进行研究。

1 路桥过渡段数值仿真模型的建立

（1）数值分析模型的建立。

（2）采用数值分析软件建立的三维数值分析模型，然后利用力学计算和流体渗流模式进行计算，对桥路的变形特性进行分析。

（3）在桥台桩基础形式不变的情况下，对过渡段的地基桩间距进行变动，从而能够发现过渡路桥的沉降规律。在实际工程中，直接对路基填筑时桥台的地基沉降的规律进行研究是比较困难的，因此，可以通过对路桥未开始沉降和地基沉降已经完成两种极端情况进行研究。

（4）计算参数和材料本构关系。

在计算过程中，要把桩作为线弹性材料，然后利用软件中的cs_scoh和cs_sfric作为计算参数。由于过渡段的路基通常采用的是级配碎石调料，因此，路基往往具有较大的压实度和刚度，压缩沉降量较小。针对这种情况，可以采用弹性模型进行模拟，桥台同样可以使用这种模型。

2 离心模型试验和数值分析结果研究

2.1 路桥同时加载下过渡段的路基沉降规律

在桩间距和时间相同的情况下，路基面的沉降度是随与桥台距离的增加而增加的。在不同的桩间距下，路基面的沉降度是随着桩间距的增加而增加的。在桩间距不同的情况下，路基和桥台的沉降纵向分布规律的实测数据与计算结果是相同的，因此，此结论能够将实际工程中过渡路基和桥台固结沉降的变化特征较为准确的反映出来，也可以对过渡段路基的沉降变化规律进行合理预测。在进行实际设计的过程中，要对过渡段地基的桩间距进行合理选择，尽量让路基面的差异沉降和坡差降到最低，还要将过渡段地基桩间距对于线路平顺性的影响考虑在内。

2.2 桥台先施工情况下过渡路基面沉降规律

在桥台先施工情况下，随着距离桥台距离的增加，过渡段路基面沉降程度也在增加，达到一定距离时，过渡段路基面的沉降变化有所减小。对不同的桩间距下路基面沉降分布数据进行分析和比较以后，可以得出结论，随着地基处理程度的加深，不同位置的沉降是逐渐减小的，但是，各个断面的敏感程度是不同的。一般来说，随着距离台背距离的减小，过渡段路基面的沉降坡度是增加的。

2.3 路桥差异性研究

刚性桥台和柔性路基的基础设置方式是不同的，而且，桥台与路基也存在着刚度上的差异。因此，台背处的差异沉降通常较大，而差异沉降过大会对线路结构的使用性能造成影响，造成线路平顺性的恶化，影响车辆的运行速度和安全性。面对这种情况，设计人员要将路桥衔接处的差异沉降值降到最低。台背和路基交界处得差异沉降是不受路桥施工顺序的影响的，而且会随着过渡段地基桩间距的增加而变大。另外，桥台状态的不稳定也会影响过渡段的路基，使桥台发生变形，从而导致路基沉降的增加。因此，在设计过程中，要保证桥台的稳定性。

2.4 桥台水平位移和转角变化规律

对不同加载顺序的桥台水平位移情况进行分析以后可以发现，随着过渡段地基桩间距的不断减小，桥台倾斜方向也在变化，在地基桩间距达到某一特定值时，桥台的倾斜角能够变为0 °。而且，路填土会对台背产生水平方向的压力，使桥台基础底面出现不均匀的附加应力，台后地基土的压缩会在桥台桩基处产生负摩擦阻力，从而使基础前后出现倾斜。如果先进行桥台施工，受到台后填土作用的影响，桥台顶部会朝填土方向移动，底部朝着桥跨方向移动。桥台倾斜度会受到地基土侧向流动的影响，地基土的水平流动程度会随着过渡段地基桩间距的增加而增加，土压力对桥台的影响会随之减小。

2.5 过渡段地基桩间距的确定

如果桥台桩的基础形式不发生变化，那么过渡路基面中心的总沉降幅度是随着过渡段地基的桩间距的增加而增加的。随着过渡段路基收敛沉降值的不断增加，桥台水平位移和倾角也是不断增加的，因此，如果路基收敛沉降值过大，会对桥台的水平位移和桥台倾角造成较大影响，从而降低线路结构的稳定性。针对这种情况，在实际施工过程中，要将台后路基的收敛沉降值增加，以提高桥台结构的稳定性。另外，路基的变形程度影响着路基的后期刚度，因此，也要控制好路基收敛变形值。

3 路桥变形耦合特性研究结论

通过三维数据分析模型对路桥变形耦合特性进行分析后，可以得出以下结论：

第一，由于饱和松软土地基的强度较低，在加载过程中会出现瞬间沉降，台顶会出现明显的倾斜。因此，在实际施工过程中，如果土地强度低，要采用堆载预压的方式实现排水固结，使地基的瞬间沉降量和桥台的倾斜度降低。

第二，随着地基处理程度的增强，距离台背不同位置处的沉降是不断减小的，而是，各个断面有着不同的敏感度，路基面的沉降坡度随着距台背距离的减小而增加。因此，要采用变桩距或者变桩长法对过渡段地基进行设计，要加强对靠近台背范围内的沉降控制。

第三，一般来说，在台路的交界处会有差异沉降，而且，随着过渡段地基桩间距的不断增加，差异沉降值也是不断增加的。高速铁路要求线路具有更高的平顺性，因此，施工时要在桥头设置搭板，使路桥边界处的台阶式跳跃沉降转变为连续斜坡式沉降，这样可以使桥头跳车的危害大大减弱甚至消除。

第四，线路结构会受到路基差异变形的影响，水平位移和过渡段路基的收敛沉降值大小影响着桥台倾角和倾斜方向。因此，在进行台后过渡路段的设计时，要做好收敛沉降值的控制工作。

4 结语

路桥的变形耦合特性影响着路桥的使用状况，对线路的平顺性和行车的安全性有着直接影响，路桥过渡段路基的设计是影响路桥稳定性的重要因素。本文在离心模型试验的基础上，建立了路桥过渡段三维数值分析模型，对路桥变形的耦合特性进行了研究，并得出了科学结论。建设单位在设计和施工过程中，要根据路桥变形耦合特性，确定合理的设计和施工方案，保证路桥结构的稳定性。

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