基于行車舒適性的軟土路堤差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

摘 要：針對(duì)目前規(guī)范對(duì)軟土路堤差異沉降標(biāo)準(zhǔn)不明確的情況，分析了現(xiàn)行路堤差異沉降標(biāo)準(zhǔn)特性，表明最大縱坡差可有效反映路堤差異沉降標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)未考慮行車舒適性要求。從人、車及道路相互關(guān)系出發(fā)，考慮行車舒適性因素，針對(duì)不同軟土厚度、路堤填筑高度和工后沉降穩(wěn)定時(shí)間，獲得了考慮行車舒適性的差異沉降標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，考慮行車舒適性差異沉降標(biāo)準(zhǔn)，可以有效反應(yīng)路堤加載過程中沉降變化，更接近于工程實(shí)際。最后，通過一系列的工況驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：差異沉降；路堤；控制標(biāo)準(zhǔn)；軟土

1 研究背景

城市道路是由路基、橋梁和隧道組成的結(jié)合體。由于橋梁和路基的剛度差異，道路通車后在過渡段會(huì)產(chǎn)生差異沉降。由于差異沉降的存在，使得道路在過渡段平整度較差，縱向表現(xiàn)為現(xiàn)狀高度偏離原縱斷面設(shè)計(jì)高程，影響了行車的舒適性和安全性。目前，我國(guó)規(guī)范針對(duì)軟基處理主要控制因素為工后沉降，對(duì)過渡段尚無明確差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，使得缺乏有效的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)用于實(shí)際工程。

目前，各國(guó)針對(duì)軟基處理標(biāo)準(zhǔn)要求不盡相同。我國(guó)相關(guān)的規(guī)范包括《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）及《城市道路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-02-2013）[2][3]中明確規(guī)定，在一般路段的工后沉降在規(guī)定設(shè)計(jì)年限內(nèi)不應(yīng)超過30cm，涵洞不超過20cm，橋臺(tái)與路基過渡段不超過10cm[4]。在日本，工后參與沉降的控制范圍為10cm～30cm[1]；而美國(guó)相應(yīng)較為寬松，橋頭引道的工后最大沉降要求為15cm～30cm；在寧通一級(jí)城市道路揚(yáng)江段施工過程中，葉見曙等[6]對(duì)路線其中的四座大中橋梁進(jìn)行了原位測(cè)試，認(rèn)為橋面板和道路0.4%的縱坡差可以滿足相關(guān)要求。

目前，針對(duì)軟土路基過渡段軟基處理效果多用工后沉降進(jìn)行評(píng)定。該值未考慮行人行車舒適性的要求，因此需要建立考慮行駛舒適性的差異沉降指標(biāo)。

2 橋頭差異沉降分析

目前防止橋頭跳車現(xiàn)象一種比較常見的處治方法是采用橋頭搭板。橋頭搭板多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一端與橋臺(tái)連接，另一端與路基連接。由于路基段和橋梁段的剛度變化，土體沉降不均，產(chǎn)生了差異沉降，使得橋臺(tái)搭板繞橋臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。以x表示搭板長(zhǎng)度；距離橋臺(tái)x處的工后沉降和橋臺(tái)基礎(chǔ)沉降用S■■和S■■分別表示；竣工時(shí)和引道土體沉降趨于穩(wěn)定時(shí)的搭板縱坡用i和i′分別表示，橋頭搭板的計(jì)算圖如圖1所示。

由圖1所示， 可以得到橋臺(tái)位置與任意位置x處的差異沉降為：

（1）

式中， △i即為容許縱坡差；由圖1可以明顯看出 △i= i'- i。

用距離橋臺(tái)x處的容許工后沉降[Srx]和[△i] 帶入上式，分別取代S和△i，有：

（2）

上式即是以搭板遠(yuǎn)離臺(tái)端下土體容許工后沉降量[Srx]為指標(biāo)來控制差異沉降的表達(dá)式。式中的Srb被稱為橋臺(tái)基礎(chǔ)的預(yù)期工后沉降量。由此可見，引道土體容許工后沉降量并不是一個(gè)常數(shù)（例如常用的10cm），而是與Srb、[△i] 及x均有關(guān)系，其中[△i]對(duì)在設(shè)置搭板情況下能否消除橋頭跳車現(xiàn)象起著重要作用。

3 行駛舒適性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

目前有多種確定行駛舒適性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。ISO2631[8]是以人體加權(quán)加速度均方根值作為人體舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出了加權(quán)加速度度均方根值與行駛舒適性的關(guān)系，如表1所示。

考慮到人體對(duì)車輛垂直振動(dòng)響應(yīng)最敏感的時(shí)間頻率為4～8Hz。高速公路最大設(shè)計(jì)速度為120km/h，則波長(zhǎng)為4.1～8.3m范圍內(nèi)人體對(duì)車輛振動(dòng)的承受能力最小。將人體振動(dòng)簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)諧振動(dòng)，取中值波長(zhǎng)為6.0m。計(jì)算波長(zhǎng)為6.0m時(shí)，對(duì)應(yīng)不同波幅人體加權(quán)加速度均方根值，見表2所示。

對(duì)[Δi]及？琢？棕進(jìn)行擬合，可以得到下列公式：

根據(jù)ISO2631，加權(quán)加速度度均方根值？琢？棕為0.8時(shí)，人體為不舒適狀態(tài)。將0.8帶入上式，算得此時(shí)△i=0.382。故可近似可以容許0.4%的縱坡差。考慮到地基的復(fù)雜性，取0.4%的不均勻沉降縱坡差作為路面功能性要求，即在不影響路面功能影響的條件下，可以容許0.4%的縱坡差。

因此，未發(fā)生錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象的連續(xù)型過渡段差異沉降有兩個(gè)主要的控制指標(biāo)，即容許工后沉降[△S]和路面的容許縱坡差[△i]。[△S]因?yàn)樯婕斑^渡段的長(zhǎng)度、路堤填高、地基的土性等很多因素，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；而容許縱坡差[△i]可以較好的反應(yīng)軟基處理結(jié)果。

4 過渡段工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)劉松玉等[9～12]人研究，給定路基填高 D，軟土厚度H，過渡段兩側(cè)模量比n 及計(jì)算時(shí)間t，可按下式計(jì)算出過渡段的最大縱坡差max（△i）：

t=2年， （4）

t=4年， （5）

給定過渡段路堤的平均模量，可按式下式計(jì)算出過渡段的工后差異沉降量ΔS：

式中Δi為縱坡差，%，E為路堤的彈性模量，MPa，D為路堤高度，m，ΔS為工后差異沉降，/cm。

當(dāng)容許縱坡差[Δi]=0.4%時(shí)，工后差異沉降量Δs，即為過渡段容許差異沉降[Δs]。通常路堤的平均模量為20MPa，則不同路堤高度情況下，軟土地基路段的工后差異沉降標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3的結(jié)果表明過渡段容許工后差異沉降與路堤填筑高度（路堤的剛度）密切相關(guān)，路堤高度1m時(shí)，容許工后差異沉降量為5.46cm，路堤高度為8m時(shí)，容許工后差異沉降量為8.31cm。規(guī)范中橋頭段差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)10cm與高路堤過渡段的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較接近，上表給出了路基填筑高度較低時(shí)的過渡段控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

（1）文章總結(jié)了軟土地基路段差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有研究成果，主要考慮了行車舒適性、路面功能性要求、設(shè)置橋頭搭板、結(jié)構(gòu)性要求等因素，縱坡容許變化值[△i]=0.4%是合理的。

（2）對(duì)軟土地基過渡段的破壞可以采用工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，結(jié)果表明考慮容許縱坡差的控制標(biāo)準(zhǔn)是可以作為軟土地基過渡段的控制標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡(jiǎn)介：張帥（1985-），男，碩士，工程師，主要從事道路工程等方面的設(shè)計(jì)工作。