半橋-邊坡復合道路結構空間力學行為分析

崔學常，張江濤，鄭 文

(1.云南省保山市重點公路建設管理處，云南 保山678000;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

0 引言

隨著國家高等級道路建設規模的擴大，山區道路建設里程所占比例越來越大。受山區地形影響，山區道路的建設或沿山區河道，或開鑿隧道，或大開挖，或高填方。由于開挖工程量大，而山區交通不便，部分棄渣就近堆砌或沿坡自然堆積，使河床抬高，河道斷面壓縮，行洪受阻。山區植被受到了嚴重破壞，邊坡變得容易失穩，從而引發泥石流或滑坡。已有學者提出了解決山區道路修建的方法［1-5］。周志祥，等［6］針對山區道路特點提出一種半橋-邊坡復合道路結構，在對道路進行加寬的同時對現有的路基邊坡進行了加固，使結構和邊坡連接為整體，真正的起到了“牽一發而動全身”的目的，同時該道路結構還具有較強的抵御地震作用的能力，并能保證道路改造施工過程中保持車輛通行的要求。有效地解決了約束山區道路發展的生態環境破壞嚴重、挖填方量大、造價高、保持道路暢通等瓶頸問題。

半橋-邊坡復合道路結構中內側為巖體，外側為懸臂結構，主要包括鋼筋混凝土樁基，上縱梁，中縱梁、下縱梁及橫墻，其中橫墻通過錨固鋼筋與邊坡巖體聯結為整體。外側鋼筋混凝土結構可限制內側巖體在外荷載作用下變形，外側上部結構的荷載則通過橋面系和復合結構傳遞給邊坡巖體(圖1)。傳力過程涉及復合結構的空間受力，以及復合結構和巖體的相互作用。筆者通過空間有限元對自重及最不利活載作用下的復合道路結構，以及典型地質條件的力學性能進行分析，以深入研究半橋-邊坡復合道路結構的傳力機理。

1 半橋-邊坡復合道路結構空間模型

1.1 建模方法

采用ABAQUS實體有限元對半橋-邊坡復合道路結構進行空間建模。計算中涉及的混凝土和鋼材均假定為連續的、完全彈性的、各向同性的;假定巖體為彈性半無限空間體系。

實體模型中混凝土和巖體采用C3D8R單元，鋼筋及預應力錨索采用T3D2單元。模型中，地基梁以下巖層厚度取樁長的2倍，巖層底部約束x，y，z 3個方向上的自由度;樁周邊節點與巖層節點Tie在一起，共同變形;樁基礎與地基梁固結，地基梁底面與邊坡共同變形。下縱梁、地基梁、橫墻、中縱梁以及上縱梁形成框架，各部分Merge在一起，與巖體有接觸的地方采用Tie連接，使框架結構與巖體共同受力、共同變形。

橋道板先簡支后連續，模型中橋道板為一塊整體板，在與橫墻交界的區域Tie連接。錨桿和錨索Embeded在巖層和復合結構中，使其有共同的位移和變形，在錨索中施加預應力。

風化可使外層巖石力學性能降低，分析模型中將表層假定為彈性模型相對較小的碎石土，內側巖層則直接取基巖的力學參數。可修改材料參數探討不同地質情況對復合結構的受力性能的影響。

依據試點工程的結構尺寸建立實體有限元模型，選取3跨進行分析研究，每跨5 m，高度10 m。橫墻厚0.8 m，橫墻之間通過縱梁連接成整體，地基梁斷面尺寸為 1.0 m×1.3 m，下縱梁尺寸為1.0 m ×1.0 m，中縱梁為 0.8 m ×0.8 m，上縱梁為80 cm×100 cm。預制板采用0.35 m厚槽型板。預應力錨索的錨固點位于上縱梁與橫墻的交界處(圖2)。網格劃分后的模型見圖3。

圖2 3D分析模型Fig.2 3D analysis model

圖3 模型網格劃分Fig.3 Grid of model

1.2 分析工況

計算分析中主要考慮以下3種工況:

1)在自重及車輛荷載作用下復合結構的整體受力性能。

2)在不同地質條件下結構的受力性能。

3)在長期運營過程中，不均勻沉降、溫差等對結構性能的影響分析。

2 活荷載作用下的力學行為

采用最不利加載方式，將公路-I級重車重軸加到橫墻對應橋道板上，如圖4。

圖4 最不利汽車荷載作用Fig.4 Most unfavorable vehicale loading

結構在自重及最不利汽車荷載作用下，橋面上的荷載經橫墻傳遞給臺階和地基梁，由臺階和地基梁傳遞給內側巖體和樁基及其下巖體。在車輛集中作用的橫墻下方壓應力明顯比其它橫墻壓應力大，表明車輛荷載主要由其下的橫墻傳遞。橫墻內側巖體受到壓力后，兩橫墻之間的巖體產生向外凸起變形，橫墻內側下方的巖體受到上方荷載作用后，產生外凸變形，使中橫梁、地基梁外側出現拉應力。地基梁產生幾乎均勻的向下變形，可見，半橋-邊坡結構整體受力明顯，可經橋道板、橫墻、地基梁和樁將上部荷載有效地傳遞給內側巖體和下部基巖，真正達到了“牽一發，動全身”的設計目的(圖5、圖6)。圖5顯示了大部分內側巖體處于受壓狀態，表明半橋-邊坡結構可限制內側土體的滑移，增強了內側土體的穩定性。

圖5 半橋-邊坡結構的應力云圖Fig.5 Stress contour of half-bridge structure

圖6 巖體的應力云圖Fig.6 Stress contour of rock-soil

3 不同地質條件下的力學行為

為考察復合結構受基底地質條件下的影響，分別選取密實老填土、碎石土、強風化砂巖及中風化砂巖等4種不同地質條件進行分析。4種地質條件的力學參數見表1。復合結構各部分在相同荷載條件下的基底應力見表2。

表1 不同地質條件參數Table 1 Geological parameters of different base

表2 不同地質條件下基底應力Table 2 Base stress with different geological conditions/MPa

可見，隨著基底地質條件的提高，橫墻臺階的應力逐漸增大，地基梁底和樁底的應力逐漸減小。當基底為密實老填土和碎石土時，復合結構各部分的應力分布均勻性較差，樁底的應力最大，即樁成為復合結構受力的主要結構;反之，如果基底地質條件較好，則復合結構各部分受力相對較均勻。

4種地質條件下，沿復合結構高度方向上的豎向位移見圖7。由圖7可見，隨著基底地質條件的提高，復合結構的總變形明顯減小，當基底為密實老填土時，復合結構的總變形達到4.17 mm，基底為中風化砂巖時，總變形僅為0.02 mm。受基底地質條件的影響，下縱梁以下部分的變形呈明顯的非線性，由下縱梁處較大的豎向位移逐漸減少到0。

圖7 4種地質條件下邊坡位移情況Fig.7 Side slope's displacement under different bases

因此，在地質條件較好時，半橋-邊坡復合結構受力狀態均勻;在地質條件較差時，復合結構的豎向變形較大，應加強樁基設計。

4 局部軟弱地基的影響分析

半橋邊坡結構的施工條件一般較差，在地基梁、臺階的基礎施工時可能出現局部不平整的情況。因此，分析中用弱化荷載作用對應位置的橫墻下地基土的彈性模量來實現局部不平整的情況。弱化處理后的巖石變形、應力如圖8。

圖8 局部軟弱后基礎位移及應力云圖Fig.8 Displacement contour ＆ stress contour after softening the local base

基底弱化處橫墻產生0.1 mm的豎向位移。但在外荷載作用下，相鄰橫墻的變形協調一致，共同抵抗，不會出現因局部軟弱地基引起結構破壞。

5 結論

利用ABAQUS軟件，建立半橋-邊坡復合道路結構的實體有限元模型，研究得出以下結論:

1)半橋-邊坡復合結構可平順地通過橋道板、橫墻、臺階、下縱梁和樁基將上部荷載傳遞給內側和下部巖體;

2)半橋-邊坡復合結構可對內側巖體起加強作用，在實現道路拓寬的情況下保持并增強了內側邊坡的穩定;

3)地質條件越好，半橋-邊坡復合結構中臺階、下縱梁和樁基的傳力越均勻，對樁基的要求越小;

4)因半橋-邊坡復合結構整體工作性能較好，基底出現局部軟弱時對結構的性能影響較小。

［1］ Zhou Zhixiang，Li Fang，Qujue Awang.Laterally cantilevered space frame for the roadway widening in steep-sloped mountainous areas［J］.Structural Engineering International，2008，18(3):254-258.

［2］劉長喜，周志祥，李帥.用整體懸挑結構拓寬山區道路新技術［J］.預應力技術，2008，69(4):10-13.Liu Changxi，Zhou Zhixiang，Li Shuai.Widening moutainous highway with integrated cantilevered structures［J］.Prestress Technology，2008，69(4):10-13.

［3］游濤，周志祥，鄭文.用邊坡格構基礎懸臂臂結構拓寬山區道路新技術［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2011，30(1):74-78.You Tao，Zhou Zhixiang，Zheng Wen.New technology of widening mountainous highway with side slope cantilevered structures［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011 30(1):74-78.

［4］董德祿，徐瑞龍，朱爾玉.用懸臂梁錨固結構技術新建、拓寬山區公路［J］.路基工程，2004，2(4):47-49.Dong Delu，Xu Ruilong，Zhu Eryu.Technology of constructing or widening mountainous highway with anchored cantilever-beams［J］.Subgrade Engineering，2004，2(4):47-49.

［5］周志祥，范亮，徐勇.山區整體式懸挑結構復合道路［M］.北京:人民交通出版社，2011.Zhou Zhixiang，Fan Liang，Xu Yong.Integrated Cantilevered Composite Road Structures in Mountainous Area［M］.Beijing:China Communications Press，2011.

［6］周志祥，鄭文，游濤.用半橋-邊坡復合路基結構拓寬山區道路研究［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2011，30(4):743-746.Zhou Zhixiang，Zheng Wen，You Tao.Study on mountainous highway widening with composite structures of half-bridge and slope［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(4):743-746.