臺背回填段再生水穩銑刨料沉降特性及力學響應

(山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250101)

目前，路橋過渡段“橋頭跳車”問題是道路建設中的重大工程難題，嚴重影響行車舒適及安全[1-2]?！皹蝾^跳車”問題由來已久，劉萌成等[3]早在2005年就利用有限元數值計算方法對路橋過渡段不均勻沉降提出了標準與設計要求。近年來，國內外許多學者針對“橋頭跳車”提出解決方案，包括預埋管涵[4]、填筑輕質材料[5-8]、埋設各類樁基[9-12]以及路堤加筋[12-14]等方式，但是絕大多數處置措施成本過高或者處置效果不明顯。因此亟待需要一種成本合理且處置效果明顯的措施來解決問題。

隨著我國經濟的快速發展，交通量呈“爆炸式”增長，大量高速公路需要進行改擴建。由于耕地資源緊張，目前我國道路改擴建以原路基的拓寬為主。在路基拓寬過程中，需要對硬路肩進行挖除，產生大量的基層無機回收料(原路面基層為水泥穩定類材料，銑刨后的基層無機回收材料簡稱“水穩銑刨料”)。在以往的工程實際中，或將其廢棄，或摻加大劑量水泥用于路面基層。許多學者將銑刨料篩分加工后按不同摻量替代天然集料[15-19]，摻加4.5%～5.5%水泥再生后利用到路面基層，發現隨著再生集料摻量增加，7、28 d齡期無側限抗壓強度和劈裂強度減小，90 d齡期強度增加，干縮性能、抗沖刷性能和抗凍性能降低。張立明[20]測試了振動壓實方法成型下水泥穩定再生骨料基層的力學指標與路用性能，結果表明各項指標均滿足規范要求且路用性能良好，但將其應用到路面基層需摻加大量水泥，導致成本大幅增加。

水穩銑刨料相對于傳統臺背回填材料，如風積砂、砂礫石、石灰穩定土等，具有壓縮變形小、水穩定性好、剛度適中(剛度介于橋臺剛性材料和路基柔性材料之間)的特點，可在路橋過渡段實現材料剛性—半剛性—柔性的合理過渡，道路結構更合理，行車更舒適。如將水穩銑刨料用于臺背回填段不僅可以實現廢舊材料的再利用，而且可有效解決路橋過渡段差異沉降問題。但是，再生水穩銑刨料作為一種新型的臺背回填料，其沉降特性及力學響應尚不明確。本研究以京臺高速改擴建實體工程為依托，在水穩銑刨料中摻加2%低劑量水泥再生后用于臺背回填，采用有限元數值計算及現場沉降監測的方法，分析再生水穩銑刨料作為臺背回填料的沉降特性，研究路橋過渡段臺背關鍵部位的應變、應力特性及發展規律，為路橋過渡段實體工程設計與施工提供借鑒。

1 工程概況

京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段沿線既有公路改擴建工程，起自京臺高速與青蘭高速交叉的泰山樞紐，止于魯蘇兩省交界的臺兒莊區張山子鎮南的省際收費站。原有道路為雙向四車道，設計速度為120 km/h，路基寬度為24 m。改擴建工程主線全長189.48 km，采用雙向八車道高速公路技術標準，設計速度為120 km/h。擬改擴建工程采用“兩側拼寬為主，局部受限路段采用單側拼寬、高架橋為輔”的加寬方式，兩側拼寬方式擴建段的路基寬度為42 m。改擴建中原路基土主要為粉質黏土、粉土、碎石土，要求改擴建各路段路基填料與舊路基填料一致，或使用透水性更好的材料填筑以利于新舊路基的銜接。

京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段改擴建工程TZSG-4 標段，周邊村落密集，環境復雜，31 km路段內設置了多個橋涵，臺背回填工程量巨大。如果在改擴建過程中不重視“橋頭跳車”問題，將嚴重影響京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段的施工質量，降低其后期使用品質。本工程將改擴建過程中產生的大量水穩銑刨料，摻加2%水泥后再生利用，應用到臺背回填段，以此來解決“橋頭跳車”問題。

2 有限元模型

2.1 模型概述

根據工程實況，建立與京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段改擴建工程TZSG-4標段K547+763處李家莊2號通道一致的三維模型。利用ABAQUS有限元建立路橋過渡段三維幾何模型，道路整體及新建道路部分三維模型如圖1所示。模型分為老路部分與新建部分，主要結構有地基、常規路基、臺背回填段、路面結構、搭板、橋臺及兩側邊坡。本模型計算單元類型采用C3D8R，為提高計算準確性，各部件網格劃分不同。對于重點分析部件，如回填段部分，網格劃分更精細。該路段地基經過多年固結，固結程度大，受壓后沉降較小，參考文獻[3]建立如下模型：地基填土高5 m，路堤高6 m，臺背回填段高6 m，橋臺高度6 m，搭板厚度0.2 m，路面基層和面層分別為0.56 m厚的水泥穩定碎石和0.2 m厚的瀝青混凝土。在道路橫向，兩側新建道路寬度各9 m，原路寬24 m，總寬度42 m，路堤邊坡坡比為1∶1.5；在道路縱向，計算范圍為沿橋臺伸展25 m，其中搭板長度為6 m，臺背回填料與路基為臺階形銜接，回填料上部長度為12.5 m、下部為9 m，常規路基上部為12.5 m、下部為16 m。

圖1 三維模型Fig. 1 3D model

該模型模擬的工況為填筑完成后210 d內路橋過渡段的靜力模型。在Geostatic分析步中對地基施加自重應力、平衡地應力，在load分析步中對整個上部模型施加自重，load分析步共分為兩步，計算時間分別為30、180 d。邊界條件根據實際工況對整個模型底部、道路延展方向和地基其他兩側進行約束，其中模型底部對3個方向進行約束，其他邊界只進行法向約束。

為研究低摻量水泥再生水穩銑刨料填筑臺背的沉降及力學響應，采用3種工況對比分析：填筑水泥摻量為2%再生水穩銑刨料、填筑風積砂和填筑常規路基土。

2.2 模型參數

對再生水穩銑刨料進行室內試驗[18-21]，結果如表1所示。由表1可知：與不摻水泥的水穩銑刨料相比，水泥摻量為1%、2%、3%時，再生水穩銑刨料28 d抗壓強度分別增加1.8、2.6和4.3倍，劈裂強度分別增加2.0、8.3和11.3倍；水泥摻量由2%增加到3%時，無側限抗壓強度增加幅度較大，劈裂強度增加幅度較小。在不摻加水泥時，加州承載比(california bearing ratio，CBR)值達157%，當摻加2%水泥后，回彈模量為2 667 MPa。可見水泥摻量為2%時，再生水穩銑刨料具有良好的強度及承載能力。

表1 室內試驗Tab. 1 Laboratory test

結合室內試驗結果及參考相關文獻[3-8]，確定有限元模型參數如表2所示。其中橋臺混凝土、搭板與瀝青混凝土采用線彈性模型，其余材料均采用Druker-Prager模型，Druker-Prager模型硬化參數如表3所示。表3中，σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，εp為應變量。

表2 材料模型參數[3-5]Tab. 2 Material model parameters

表3 Druker-Prager模型硬化參數[3-5]Tab. 3 Hardening parameters of Druker-Prager model

3 結果分析與工程驗證

對3種工況距離橋臺的典型位置2、10和20 m進行數值計算，分析沉降及力學響應分布規律，3個典型位置分別為：新臺背回填料與橋臺搭接處、新臺背回填料與常規路基搭接處和常規路基遠端。

3.1 沉降分布規律

3.1.1 沉降在道路縱向的分布

在道路縱向，首先對新建道路路橋過渡段中線對應位置進行分析，研究不同工況典型位置沉降量隨時間分布規律，如圖2所示；其次，按空間分布分析不同工況下，新建道路縱向中心線路基頂部的沉降量分布規律，如圖3所示。

由圖2可知，填筑再生水穩銑刨料時沉降主要集中在前40 d，40 d后沉降趨于穩定，其典型位置沉降分別為5.0、8.5和10.7 cm；填筑風積砂沉降量約在45 d后穩定，典型位置最大沉降量分別為5.4、10和11.2 cm；填筑常規路基土時，約在60 d達到穩定，在距離橋臺10 m處沉降量較大，達到11 cm?？梢娞钪偕€銑刨料時，不僅靠近橋臺處沉降量更少，而且在回填料與常規路基搭接處沉降改善更加明顯，較使用風積砂和常規路基土分別減少了17.6%和29.4%。

圖2 不同工況典型位置沉降量隨時間分布規律Fig. 2 Time distribution of settlement at typical locations under different working conditions

由圖3可知，在新建道路中心線，不同回填料沉降差異主要集中在距離橋臺1～16 m處，對比填筑常規路基土的情況，填筑再生水穩銑刨料沉降量減少了25%，其沉降量曲線更為平順，橋臺與回填段差異沉降更少，可見填筑再生水穩銑刨料明顯減少了路橋過渡段差異沉降。

3.1.2 沉降在道路橫向的分布

道路橫向不同位置沉降量曲線如圖4所示，在-10～10 m段整體趨勢比較穩定，這是由于該段處于老路段，沉降量為4.5～6.5 cm，但在-20～-10 m段和10～20 m段變化較大，該兩段道路為新建路段，沉降穩定性差。由圖4(a)、4(b)可知，在新建路段填筑再生水穩銑刨料或風積砂沉降量遠少于填筑常規路基土，相比填筑常規路基土與填筑風積砂，填筑再生水穩銑刨料的沉降量分別減少33.3%～37.5%和6.2%～6.7%。

圖3 不同工況沉降量在道路縱向的分布Fig. 3 Longitudinal distribution of settlement under different working conditions

綜上所述，使用再生水穩銑刨料作為臺背回填料可有效減少路橋過渡段差異沉降，實現剛性—半剛性—柔性的過渡，緩解“橋頭跳車”問題。

3.2 水平位移分布規律

道路開裂往往發生在路基頂面，因而有必要對路基頂面的水平位移進行分析。道路橫向典型位置水平位移曲線如圖5所示。由圖5可知，在-10～10 m段水平位移較小，均小于1 cm；在-20～-10 m和10～20 m段越靠近邊坡水平位移越大，距離橋臺10和20 m，水平位移最大(>8 cm)，其原因是拓寬寬度越大，新路堤的傾覆趨勢越大。

圖4 道路橫向典型位置沉降曲線Fig. 4 Settlement curve of typical transverse position of road

圖5 道路橫向典型位置水平位移曲線Fig. 5 Horizontal displacement curve of typical transverse position of road

從圖5(a)、5(c)可以看出，3種工況水平位移相差不大，其主要差異在于圖5(b)距離橋臺10 m處。該位置填筑再生水穩銑刨料水平位移比填筑風積砂和常規路基土臺背回填段水平位移分別減少25.0%和50.0%。可見，填筑再生水穩銑刨料可明顯減少臺背回填段水平位移，整體性較好，不易產生側向位移。

3.3 豎向應力分布規律

道路拓寬段路基與常規路基搭接位置易產生應力集中，為了解路橋過渡段位置豎向應力分布，分析拓寬段回填料與路基土搭接位置臺階不同深度處的豎向應力，其結果如圖6所示。圖中橫坐標0點為新舊路基搭接處，靠近邊坡位置坐標為10 m。由圖6可知，埋深越大回填料與路基搭接處豎向應力越大，并且隨著埋深的增加，靠近邊坡位置與中間位置豎向應力大小的差異越來越明顯，最大應力差達40 kPa，總體上越靠近邊坡豎向應力越小。

從圖6(a)～6(d)可知，豎向應力的分布呈倒“U”字型，尤其是填筑再生水穩銑刨料與風積砂時，形成了明顯的土拱效應。在土拱效應作用下，中間位置受到兩側傳來的附加應力導致豎向應力增大，兩側豎向應力減小，進而減小了新舊路基之間的豎向應力差，相比填筑常規路基土豎向應力減小17.3%，降低了新舊路基搭接段失穩的風險。

圖6 回填料與路基土搭接段不同深度的豎向應力分布Fig. 6 Vertical stress distribution at different depths of overlapping section between backfill and subgrade soil

3.4 工程驗證

對京臺高速公路泰安至棗莊(魯蘇界)段改擴建工程TZSG-4標段K547+763處李家莊2號通道臺背回填段進行沉降監測，監測位置分別為道路縱向新臺背回填段與橋涵之間(A1)、新臺背回填段與常規路基之間(A2)和常規路基遠端距橋臺20 m處(A3)，每個位置橫向布置3塊沉降板，總計9塊沉降板，選取邊坡位置3塊沉降板進行沉降特性分析。共進行了210 d的沉降監測，A1、A2、A3監測點沉降最大值分別為4.0、7.2、10.0 cm。

表4 擬合結果Tab. 4 Fitting results

采用指數模型(Y=Y0+AeR0X)[23]對監測數據進行擬合。其中：Y為擬合得到的預估沉降量，cm；X為沉降發展時間，d；Y0、A、R0為擬合參數。擬合結果如表4所示。

由表4可知，可靠度系數R2均大于0.97，回歸性良好，將擬合結果與有限元數值計算結果對比，如圖7所示。由圖7可知，隨著時間的增加，臺背回填段路基沉降量逐漸增加，約40 d以后逐漸趨于穩定；曲線擬合后的沉降規律與有限元計算沉降規律基本一致；在數值上實際監測結果略小于數值計算結果，相差9.1%～12.5%，其原因是模型中部分材料參數,如泊松比、內摩擦角等均來源于參考文獻，與實際工況材料參數略有差異，但總體精度滿足要求。對比現場監測結果與數值計算結果可知，再生水穩銑刨料作為臺背回填可有效減少路橋過渡段的差異沉降，且數值計算結果可靠性良好。

圖7 現場監測與數值計算值對比曲線Fig. 7 Comparison curve of field monitoring and numerical calculation values

4 結論

1) 對比3種工況，再生水穩銑刨料路基沉降達到穩定所需的時間最短，沉降量增加主要集中在前40 d，此后逐漸趨于穩定；在回填料與常規路基土搭接位置，填筑再生水穩銑刨料路基沉降量比風積砂和常規路基土沉降量分別減少了17.6%和29.4%。

2) 水平位移表現出邊坡處遠大于道路中間位置的規律，老路基本沒有產生水平位移，填筑再生水穩銑刨料時邊坡處位移相較常規路基土減小了50.0%，說明再生水穩銑刨料整體性較好，可明顯增強道路抗滑穩定性。

3) 距離路堤頂部越遠豎向應力越大，采用不同材料填筑回填段時會產生土拱效應，使豎向應力中間大兩邊小，有效減小了邊坡以及新舊道路搭接位置的豎向應力，填筑再生水穩銑刨料較填筑常規路基土豎向應力減小了17.3%。

4) 數值計算與現場監測的沉降分布規律基本一致，差異在9.1%～12.5%，數值計算結果可靠性良好。采用再生水穩銑刨料臺背回填可有效減少路橋過渡段的差異沉降，對水平位移、豎向應力的減小效果明顯。