寒區路橋過渡段在地下水作用下的沉降分析

（甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020）

在多年凍土地區，路橋過渡段除了存在路橋縱向差異沉降以外，還有凍土地區工程特有的問題。根據調查數據[1]，青藏鐵路路橋過渡段沉降病害非常普遍，究其影響因素，主要有陰陽坡、多年凍土類型、地溫、環境變異等。王進昌等[2]通過綜合分析得出，地表水或凍結層上水水熱侵蝕，引起人為多年凍土上限下降。陰琪翔等[3-4]基于過渡段相變傳熱模型，對溫度場進行了分析與預測，并定量研究路基高度和凍土類型對過渡段長期熱穩定性的影響。沈宇鵬等[5]基于現場地溫、凍脹變形和沉降變形的試驗數據，揭示寒區高速鐵路路橋過渡段的地溫與變形特征，從而評價路橋過渡段的穩定性狀況。

多年凍土區地下水具有礦化度較高、儲量變化大、水溫低及顯著的動態變化特點，溫度一般高于0℃，可帶走多年凍土中的一部分冷量，導致相鄰一定范圍內的凍土層升溫甚至融化，進而影響路橋過渡段的沉降特性。為了分析地下水對路橋過渡段的沉降特性的影響，本文通過室內模型試驗方法，以熱源模擬地下水，觀測其周邊地溫的變化及對沉降的影響。

1 路橋過渡段模型試驗

1.1 過渡段模型制作

依據相似性理論，制作過渡段試驗模型，基礎采用鋼管樁，承臺采用鋼筋混凝土。鋼管為外徑32.9mm、壁厚3.8mm、高度230mm的空心圓柱狀結構；承臺鋼筋骨架采用Ф6型圓鋼，將其與鋼管樁焊接在一起，再澆筑承臺混凝土。

過渡段模型箱尺寸長30cm×寬28cm×高38cm，用厚度為2mm的鋼板焊接而成。樁底以下土層厚度為8cm，填料為黃土，拌合時含水率控制在20%，充分拌合后分層擊實直至承臺底標高處，累計厚度為28cm。之后進行臺背回填，以級配碎石作為過渡段路基填料，含水率按3%控制，拌合均勻后分層擊實，累加厚度為10cm。另外，填筑過程中，在樁底以下5cm標高處埋設熱源，以模擬地下水的影響區域。

1.2 熱源構造

熱源電阻為600Ω，與電阻為0～2000Ω滑動變阻器串聯，最后連接在調壓范圍為0～250V的接觸調壓器TDGC2-2000上，三者共同對發熱量進行控制。在熱源周邊不同距離埋設溫度傳感器，用以測出熱源影響下的溫度分布。

1.3 試驗裝置

試驗加載裝置采用MTS-810 材料試驗機，豎向位移使用GHSI750-4-20mA位移傳感器采集，試驗地溫設定為-1.2℃，采用DW-40低溫試驗箱對土體進行凍結。

2 荷載工況及試驗結果

本試驗旨在分析樁底以下一定距離有地下水時對路橋過渡段沉降特性的影響，設定無地下水和有地下水兩種工況進行試驗。

2.1 地下水熱源的溫度效果

在模擬地下水工況時，將6個熱源全部接通，通過反復的調壓及溫度監控，將調壓器的輸出電壓設定為95V時，熱源周邊的土體溫度接近實際地下水的溫度。經過4～5h，溫度場達到平衡，熱源附近地溫為0.6℃，距離熱源8～10cm處地溫為－1.2℃。

2.2 沉降結果

在無地下水和有地下水兩種工況下分別加載60kPa，橋臺和路基的沉降曲線如圖1所示。在加載初期，沉降發展較快，達到穩定時累計沉降量最大。樁底無地下水時，經歷10～11小時，橋臺和路基的沉降均趨于穩定。樁底有地下水時，約17.5h之后路基沉降達到穩定，經過約19h橋臺達到穩定，二者的沉降量都比較大；與無地下水時相比，橋臺的最大沉降量增大0.80mm，路基增大0.44mm。無地下水時，路基的沉降量大于橋臺；有地下水時，加載初期路基發生較大的瞬時沉降，隨著時間的推移，橋臺的沉降越來越大，最大沉降差為-0.31mm。

圖1 有、無地下水的沉降曲線

在地下水影響區域內，地基土和樁基的性能均受到影響，土層的彈性模量減小，路基土的承載能力降低，總沉降量增大；樁端土體承載力降低，同時樁周凍結力發生重分布，產生較大的樁頂位移。由于鋼管樁具有更好的導熱性能，從而比路基產生更大的沉降。因此，在多年凍土地區，隨著水文條件的變遷，新的地下水會影響既有工程的運營，不光對路橋過渡段的差異沉降有影響，對樁基和路基也存在很大的影響。

3 結論

本文通過室內模型試驗方法，以黃土模擬多年凍土，以級配碎石模擬過渡段路基填料，以熱源模擬地下水，分析地下水對多年凍土區路橋過渡段沉降特性的影響，得出以下結論：在熱源作用下，亦即有地下水時，橋臺和路基的沉降都增大，橋臺最大沉降量增大0.80mm，路基增大0.44mm，說明在凍土地區地下溫度變化時，鋼管樁比路基更敏感。