沿海道路橋梁沉降實時監(jiān)測研究

關敬文，李麗琳，吳剛剛

(1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

當前，我國交通運輸業(yè)飛速發(fā)展，道路橋梁建設技術不斷進步。沿海地區(qū)道路橋梁是廣西國民經(jīng)濟發(fā)展的重要運輸線，由于該地區(qū)土質、環(huán)境的特殊性，對沿海道路橋梁過渡段路基沉降施工控制的研究尤為迫切。這不止影響到建設階段的工程施工，更會影響到路橋后期的維護和保養(yǎng)工作。紅黏土、淤泥土等特殊災害性地基填土會帶來橋頭跳車、差異沉降等問題，這也是當今道路橋梁過渡段施工的核心問題，一般采用沉降控制技術來解決。由于路基強度損傷以及沉降變形會產生重大危害，為提高道路橋梁過渡段行車的安全性及舒適性，迫切需要研究紅黏土路基強度損傷以及沉降變形對道路橋梁過渡段的不利影響，從而優(yōu)化并提出更適宜道路橋梁過渡段的設計和施工參數(shù)。因此，對工程竣工后道路橋梁過渡段路基土體強度損傷機理和沉降變形影響因素的研究勢在必行，國內學者圍繞其施工過程展開一系列研究：

何峰[1]首先分析沉降原理，并提出解決路基路面沉降的施工對策；廖藝[2]則重點介紹沉降給路基路面所帶來的不良影響，并針對各中問題進行詳細分析，進而提出解決方案；鐘麗[3]則以耒宜高速公路進行現(xiàn)場病害調查，并分析其成因，更進一步提出關于路基不均勻沉降對路面影響的計算公式，揭示了路面橫向應力分布規(guī)律。

本文以南寧吳圩機場第二高速項目其中的平垌2號分離式立交橋為工程背景，首先分析沉降形成的機理，而后提出沉降計算的理論公式，通過觀測平垌2號分離式立交橋路段的沉降，將觀測結果與理論計算數(shù)據(jù)作對比，從而揭示其中的沉降規(guī)律。

1 沉降形成的原因

路基的工后沉降包括兩大部分：地基工后沉降量與路堤工后沉降量[4-7]。差異沉降帶來的影響主要有：降低行車舒適性；降低行車速度，影響行車安全；增加養(yǎng)護費用等。根據(jù)國內外眾多研究和調查，普遍認為路橋過渡段差異沉降來源可歸結為以下幾方面：

(1)臺背填料一般為滲透性材料，空隙率大，在施工中很難將填料顆粒間的空隙完全消除。加上臺背填土施工時壓路機碾壓作業(yè)面小、壓實機具不易靠近臺背等原因，導致臺背回填結束后臺背的部分填料仍有較大的空隙率，在行車荷載和填料自重作用下，填料產生較大壓縮變形。

(2)地基土體(尤其是軟黏土)有著壓縮性大、固結時間長、孔隙水壓力消散速度慢等特性，故而在工程竣工后地基仍在下沉。隨著人們對工期要求越來越高，使得路堤自然沉降期縮短，而地基穩(wěn)定的時間不變，工后沉降量勢必增大。

(3)路面排水不暢使得雨水沿路面裂縫和臺背連接處的接縫滲入路堤，導致路堤填土被沖刷和侵蝕。加之外部車輛荷載的沖擊作用，必然造成橋頭路堤沉陷。

(4)橋涵結構物通常由混凝土澆筑而成，具有較大的剛度，而臺背路堤和路面屬于半剛性或柔性結構。工程竣工后，橋臺后地基及填土產生較大的固結變形，而橋臺基礎基本不發(fā)生沉降，在交接處必將出現(xiàn)一定的差異沉降。

(5)通過對運營橋梁的調查發(fā)現(xiàn)，設計中對路堤填土高度、橋臺基礎形式以及加載預壓高度的選擇，對路橋過渡段的工后差異沉降也有較大影響。

2 理論公式的提出

沉降隨時間發(fā)展曲線擬合的方法較多，主要有指數(shù)曲線和雙曲線擬合法，另外，還有泊松曲線擬合以及Asaoka法等，本項目采用Asaoka法對路基試驗段進行擬合分析。

對于一維固結問題，Mikasa的固結微分方程采用應變形式表達如下：

(1)

式中：ε(t，z)——豎向應變；

t——時間；

z——排水距離；

Cv——固結系數(shù)。

Asaoka認為，以體積應變表示的一維固結方程可近似地用一個以級數(shù)形式的微分方程表示：

(2)

式中S為總固結沉降量(包括瞬時沉降、主固結沉降和次固結沉降)；a1，a2，…，an以及b均為取決于固結系數(shù)和土層邊界條件的常數(shù)。Asaoka法基本思想就是利用已有的沉降觀測資料求出這些未知數(shù)，然后據(jù)此參數(shù)預估最終沉降。一般情況下，微分方程取第一階，即n=1就可以滿足精度要求。該一階微分方程寫成差分形式：

Sj=β0+β1Sj-1

(3)

利用最小二乘法即可求參數(shù)β0、β1。再根據(jù)差分方程的遞推關系即可逐步遞推得到最終沉降預測表達式：

(4)

取j→∞，Sj即為沉降極限值：

(5)

上式中，S∞→∞說明目前觀測沉降階段，沉降并未進入收斂階段，不宜進行最終沉降量預測；S∞→β0/(1-β1)說明沉降出現(xiàn)收斂情況，適合進行工后沉降預測。

上述方法的求解都是基于等時間間隔的沉降數(shù)據(jù)預測分析而言，針對實際工程中大量存在的非等時間間隔沉降數(shù)據(jù)，以上的參數(shù)求解方法和遞推方法都無法實現(xiàn)，導致Asaoka方法不能直接應用于非等時間間隔沉降數(shù)據(jù)的分析預測，因此本課題采用非等間隔Asaoka法。

將一階微分方程寫成差分格式如下：

(6)

式中：(tj，Sj)為沉降-時間曲線上的觀測點。利用最小二乘法有：

(7)

其中：

在差分方程中，分別采用前向差分和后向差分格式，采用前向差分ΔSj=Sj+1-Sj，α=1；若采用后向差分ΔSj=Sj-Sj-1，α=2。顯然不同的差分情況下所得結果并不一樣。將所得的參數(shù)、近似代替微分方程式中的a1，b，并由一階微分方程求解可得沉降預測函數(shù)表達式：

(8)

j取極限，可得到沉降極限值：

(9)

3 觀測儀器及布設方法介紹

為能準確掌握實際依托工程中路基各層的沉降，本項目在施工時預先埋設傳感器進行測量。依托工程路基共分為三層，每層分別布置3個傳感器，其中包含一個基準控制點和兩個測量點，故本項目測量點共布設9個傳感器。將傳感器安裝至預設位置后，利用傳輸線將其與數(shù)據(jù)接收設備相連接，其后可通過數(shù)據(jù)接收設備讀取測量控制點的沉降數(shù)據(jù)，以達到實時監(jiān)測的目的。

本次測量采用長沙金碼高科技實業(yè)有限公司的產品，型號為JMYJ-2020靜態(tài)自動電阻應變儀。該儀器是一種全自動無人值守、20通道靜態(tài)電阻應變測試的智能儀器，具有測量速度快、精度高、體積小、重量輕、使用簡單方便等特點，適用于各種材料及構件的應力、應變多點巡檢測量。

4 理論結果與實測數(shù)據(jù)對比分析

在實際工程中，由于多種因素的影響使得路基工程沉降觀測并不嚴格按照等時間間距進行，而且出現(xiàn)非等時間間距的情況很多。對于這類數(shù)據(jù)，無法直接使用。

采用Asaoka法處理數(shù)據(jù)，需要選擇觀測數(shù)據(jù)中的等時間間隔數(shù)據(jù)，如果可用數(shù)據(jù)點較少，則對預測精度的影響較大。而非等間隔Asaoka法不考慮觀測數(shù)據(jù)的非等時間間隔問題，可以充分利用沉降觀測數(shù)據(jù)。采用前向差分下的工作等間隔Asaoka法的預測結果與實測結果對比見下頁表1。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出：沉降觀測數(shù)據(jù)具有非等時間間隔，若采用Asaoka方法，首先要將數(shù)據(jù)進行等間隔化處理，否則只能利用其中的幾組數(shù)據(jù)進行分析。采用三次樣條曲線進行插值處理，時間間隔取Δt=14 d、16 d、18 d，插值后的沉降數(shù)據(jù)見表1，再由Asaoka法計算過程做出沉降線性擬合圖(見圖1)。

表1 實測沉降數(shù)據(jù)與預測值對比表

(a)

(b)

(c)

(d)

由表1和圖1可以看出，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4個采集通道下的數(shù)據(jù)經(jīng)過前向差分下的非等間隔Asaoka法進行處理，其預測沉降曲線與實際沉降曲線比較吻合，相關系數(shù)為0.994，擬合程度較好。同時可以看出預測值比實測值偏小，其原因是Asaoka法的微分方程只取到一階，高階部分忽略不計，此時與實驗相對應的是忽略了次固結沉降量等較為次要的沉降量，最終導致誤差的存在。

5 結語

廣西沿海地區(qū)廣泛分布著紅黏土和淤泥質土等特殊災害性土體，為路橋過渡段的路基施工帶來了有別于普通土壤的各種難題。道路與橋梁過渡段的施工質量非常重要，直接導致現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象以及其他質量問題的產生。

為掌握特殊災害性土體在施工后的沉降規(guī)律，本項目首先闡述路橋過渡段路基產生不均勻沉降的原因，并提出沉降理論計算公式，進而通過已經(jīng)取得的相關參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)印證所提出的理論公式，揭示差異沉降規(guī)律。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的4個采集通道下的數(shù)據(jù)經(jīng)過前向差分下的非等間隔Asaoka法進行處理，其預測沉降曲線與實際沉降曲線比較吻合，相關系數(shù)為0.994，擬合程度較好。

本文得出廣西沿海地質條件情況下的沉降與時間的關系曲線，闡明廣西沿海特殊條件下的差異沉降機理，為選出理想的降低路橋沉降差的設計方案提供理論依據(jù)。旨在確保道路與橋梁的施工質量和使用功能，并盡可能減少路橋過渡段的差異沉降，降低橋頭跳車等問題的發(fā)生，減少生命財產損失。

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