發泡聚苯乙烯板處理路-橋過渡段沉降的應用研究

趙建斌，白曉紅，謝明星，苗晨曦

(太原理工大學 土木工程學院，太原 030024)

隨著我國高速公路建設的迅速發展，公路行車在舒適性和安全性方面的要求逐漸提高[1]。但在通過橋頭路堤時，橋臺與相鄰路堤之間的差異沉降會引起“橋頭跳車”問題[2-3]。若差異沉降較嚴重，甚至會造成車輛失控，并導致安全事故的發生。橋臺與相鄰路堤之間的差異沉降是長期困擾工程界的一大難題。在橋頭路堤投入使用時，橋臺與相鄰路堤之間幾乎不存在差異沉降。隨著時間的發展，路堤填土和其地基土尚未完成的固結和流變性均會造成路堤沉降的增大。而橋臺往往采用的是深基礎，從而橋臺的沉降大大減小，最終造成柔性路堤的沉降遠大于剛性橋臺的沉降[4]。因此，如何減小橋頭路堤的長期沉降是緩解“橋頭跳車”問題的關鍵技術問題[5]。

國內外處理橋臺與相鄰路堤之間差異沉降的方法為設置橋頭搭板，但由于橋頭搭板仍為剛性結構，該方法并未在本質上減小差異沉降，而是將差異沉降的位置后移至橋頭搭板與路堤交界處，行車通過時仍會產生“跳車”問題[6]。有學者提出采用柔性材料土工格柵處理橋頭路堤，將土工格柵分層鋪設形成加筋土路堤，并采用螺栓將土工格柵與橋臺錨固，充分發揮土工格柵的張拉效應，從而使緊鄰橋臺段路堤的沉降逐漸減小，形成一定范圍的沉降過渡區，最終達到緩解“橋頭跳車”的目的[7-9]。但土工格柵減小的路堤沉降主要為土體的瞬時沉降和部分主固結沉降，并未緩解剩余主固結、次固結和土體流變性造成的沉降，橋臺與相鄰路堤之間的差異沉降仍會隨著時間的發展而逐漸增大。

EPS(Expanded Polystyrene，聚苯乙烯泡沫)塊體材料是一種具有密度小、壓縮變形大、強度高和減振性能好等優點的柔性材料[10]，已廣泛應用于巖土工程領域，包括設置于擋土墻與填土之間以減小擋土墻土壓力[11-12]、設置于涵洞頂部以減小涵頂土壓力[13-14]和作為輕質填料以減小路堤沉降等[15-16]。基于EPS在道路循環荷載下的良好受力性能[17]，1972年EPS首次作為輕質填料應用于改造橋頭路堤實際工程中，有效地減小了路堤沉降[18]。此后，這項技術被越來越多的國家引進應用，充分證實了EPS可作為路堤填筑材料使用。值得注意的是，EPS逐漸被用于新建橋頭路堤的填筑，但其減小路堤沉降的效果并不理想[19]。謝洪濤和楊春和[20]認為應在橋頭先行完成路堤填土并通車，在經過一段時間后路堤填土和地基土的主固結將完成大部分，此時再采用EPS換填一定厚度的路堤填土，可使得原路堤填土和地基土處于超固結狀態，從而消除大部分路堤沉降。

雖然EPS作為輕質填料已在橋頭路堤實際工程中應用，但針對該類工程案例的研究較少，且既有研究均未考慮土體流變特性對橋頭路堤沉降的影響。本文針對EPS改造已投入使用的橋頭路堤開展研究，基于實際工程的現場試驗結果得出路堤的長期沉降預測模型，通過有限差分軟件FLAC3D開展數值模擬，對該工程中土體流變特性引起的路堤長期沉降進行分析，探討在該類工程中使用EPS替換路堤填料時的設計參數。

1 工程概況

基于文獻[16]美國Texas州67號公路SH174段路橋過渡段改造工程開展研究。該路橋過渡段修建于1995年，截止于2011年路橋過渡段與橋臺之間的最大差異沉降達到40.7 cm.圖1為改造前該橋頭路堤簡圖，橋頭路堤高度為12 m，路堤填土為塑性指數較高的黏土，路堤填土下方為黏土層(約6 m厚)和石灰巖。固結試驗結果表明，該場地土體的超固結比達到10.29.

圖1 改造前橋頭路堤簡圖

2012年1月開展為期28 d的改造工程：開挖原路堤頂部約3.0 m厚的填土；在開挖底面設置地下排水系統，并在排水系統上方鋪設砂土墊層，共0.6 m厚；在砂土層上方鋪設3層塊狀EPS，每層EPS均采用防滲土工膜包裹，EPS的高度均為0.6 m，密度ρ均為22 kg/m3；在EPS上方進行路面結構的施工，包括柔性基層、熱拌瀝青混合料和混凝土路面，共0.6 m厚。圖2為該橋頭路堤改造區域示意圖，在第3層EPS的頂部分別距橋臺4.5 m和10.5 m處沿路堤橫截面方向共布設了4根測斜管，開展了為期近1 000 d的路堤沉降監測。沉降監測結束時，路面的最大沉降觀測值約為2.8 cm(不計改造過程中測斜管測得的路面沉降)。

圖2 路橋過渡段改造區域示意圖

2 長期沉降預測模型

LIN和WONG[21]提出路堤的長期沉降與時間呈雙曲線關系，并通過路堤沉降的現場監測值擬合出路堤沉降與時間之間的關系：

(1)

式中：s為路堤的沉降量，mm；t為路堤填筑完成后的時間，d；α和β為通過沉降監測值擬合的參數。

本文選取路面中心線和路肩處t/s隨t的變化規律分別進行線性回歸分析，如圖3所示。求出路面中心線和路肩處的α和β值，即可得到兩處的沉降預測曲線：

圖3 路面中心線和路肩處t/s隨t的變化規律

(2)

(3)

圖4為路面中心線和路肩處沉降預測曲線與沉降監測值。由圖可知，基于雙曲線關系所得出的沉降預測曲線能較好地反映路堤沉降的發展規律。隨著時間的推移，盡管路堤沉降量的增加趨勢有所減緩，但其仍處于繼續增加的階段。

圖4 路面中心線和路肩處沉降預測曲線與沉降監測值

3 數值模型的建立與驗證

由于現場監測條件以及環境因素的限制，路堤沉降現場監測的持續時間僅接近1 000 d，然而土體的流變貫穿路堤的整個使用過程。此外，長期沉降預測模型的建立需要現場監測結果，從而造成無法通過既有工程實例探討改造工程中EPS的設計參數。因此，有必要通過數值模擬的方法開展研究。

有限差分軟件FLAC3D提供了包括黏彈塑性流變模型在內的8種流變模型，其中Cvisc流變模型可模擬復雜的流變性質，同時呈現出土體的黏性、彈性和塑性特性，能夠全面描述土的壓縮和剪切兩大流變特性[22]。

本文采用FLAC3D對該橋頭路堤改造工程進行數值模擬。數值模型依據該實際工程建立，由于路堤沿縱軸線方向為對稱結構，因此僅選取半幅路堤進行建模，并在路堤縱軸線上限制水平方向的位移。黏土層、砂土層和路堤填土采用Cvisc流變模型，石灰巖、EPS和路面結構采用線彈性模型。EPS的彈性模量E和泊松比υ可依據其密度ρ求出[10]：

E=0.45ρ-3.0 .

(4)

υ=0.005 6ρ+0.002 4 .

(5)

式中：ρ為EPS的密度，kg/m3。其余材料的彈性模量E、黏聚力c、內摩擦角φ和泊松比υ依據文獻[21]取值，Cvisc流變參數通過反演擬合得出，數值模型的參數取值見表1.EM為Maxwell彈性模量，EK為Kelvin彈性模量，η為Maxwell粘滯系數，σt為抗拉強度。

表1 數值模型參數取值

由于該場地路堤填土和地基土均處于超固結狀態，按照MURAKAMI[23]固結試驗研究結論：黏土處于超固結狀態時，幾乎不會產生二次壓縮。因此，數值模擬中暫不考慮土體固結沉降的影響，僅考慮土體的流變特性對路堤沉降的影響。此外，由于路堤填土-橋臺之間的相互作用對路堤長期沉降的影響較小，在模擬土體流變特性時不考慮該因素的影響。

將蠕變的最大時間步和最小時間步分別設置為0.1和1×10-5，采用自動調節蠕變時間步長，蠕變時間的限值設置為3 000 d.圖5為該橋頭路堤改造工程完成后3 000 d內路面中心線和路肩處沉降預測曲線與數值模擬結果。通過對比可以看出：在0～500 d內，路堤沉降的數值解與沉降預測值基本一致；在500～2 500 d內，路堤沉降的數值解略大于沉降預測值；在2 500～3 000 d內，路堤沉降的數值解略小于沉降預測值。總體而言，數值模擬結果與沉降預測曲線較吻合。

圖5 路面中心線和路肩處沉降預測曲線與數值模擬結果

4 數值模擬結果分析

4.1 EPS改造橋頭路堤沉降分析

圖6為3 000 d后不同高度處路堤沿橫斷面方向的沉降曲線，圖中l為距路面中心線處的水平距離。本文橋頭路堤改造工程中EPS沿路堤橫斷面方向的換填寬度為路面寬度，EPS外側的路堤邊坡仍為路堤填土，因此僅分析路面寬度范圍內各高度處的沉降曲線。由于路面結構的壓縮量較小，EPS頂面和路面的沉降曲線基本重合。路面沉降曲線呈中間大兩邊小的拋物線分布，而EPS底面、黏土層頂面和黏土層底面的沉降曲線近似呈水平線分布。

圖6 3 000 d后不同高度處路堤沿橫斷面方向的沉降曲線

由于在數值模擬中換填EPS后對速度場和位移場進行了清零，EPS底面與黏土層頂面之間和黏土層頂面與底面之間的沉降差可分別近似看作路堤填土和黏土層流變造成的沉降值。而數值模擬中EPS采用彈性模型，EPS頂面與底面之間的沉降差為EPS的壓縮量，即路堤橫斷面方向兩側的EPS壓縮量小、中間壓縮量大。為探明該現象的原因，在數值模型中去除路堤邊坡填土并保持其他參數不變，則EPS兩側和中間部分的壓縮量較接近。這說明兩側EPS受到路堤邊坡填土產生的側向土壓力的影響，從而使該部分壓縮量有所減小。

對沉降值最大的路面沉降曲線進行分析，分別選取100 d、200 d、500 d、1 000 d、2 000 d和3 000 d時沿橫斷面方向的沉降曲線，如圖7所示。在計算模型的流變前期(100 d≤t≤1 000 d)，路面中心線處(l=0 m)比路肩處(l=±6.6 m)的沉降增大速率快；而在流變后期(1 000 d≤t≤3 000 d)，路面中心線處比路肩處的沉降增大速率慢。這將會導致在一定的時間內路面中間低而兩側高，在進行該類型改造工程時需考慮該因素對路面排水的影響。

圖7 不同時間下沿橫斷面方向的路面沉降曲線

4.2 EPS改造橋頭路堤效果分析

為分析EPS改造橋頭路堤的效果，建立未進行EPS改造的原路堤數值模型，并將該工況的路面中心線和路肩處沉降的數值模擬結果與EPS改造后的工況進行對比，如圖8所示。由圖可知，采用EPS改造橋頭路堤后，路面中心線和路肩處的沉降值均大幅減小，且減小幅度隨著時間的增加而逐漸增大。

圖8 有/無EPS處理的路面中心線和路肩處沉降變化曲線

當t=3 000 d時，EPS改造后路面中心線和路肩處的沉降值分別為未進行EPS改造工況的39.9%和40.3%.

由于本文橋頭路堤改造工程土處于超固結狀態，相應地，數值模型中未考慮土體的固結，因此，分析路堤沉降的減小原因時也未考慮土體固結的影響。換填的EPS重度遠小于路堤填土，從而降低路堤自重荷載，最終造成路堤沉降量的減小。此外，EPS板自身結構不具備流變特性，換填后路堤的填土量有所減少，因土體流變而造成的路堤沉降也將隨之減小。綜上所述，采用EPS換填橋頭路堤填土的方法可有效減小路堤的長期沉降。

4.3 EPS改造橋頭路堤參數分析

本文橋頭路堤改造工程采用的EPS密度ρ為22 kg/m3.為分析EPS密度對橋頭路堤沉降的影響，保持其他參數不變，分別建立ρ為12、16、20、24和28 kg/m3的數值模型，對3 000 d后路堤沿橫斷面方向的沉降曲線進行對比，如圖9所示。隨著EPS密度的增大，其彈性模量逐漸增加，造成EPS的壓縮量逐漸減小，從而導致路面的沉降量逐漸減小。由式(4)可知，EPS的彈性模量與密度呈線性關系，相應地，不同EPS密度下路面沉降量的變化幅度也較均勻。

圖9 3 000 d后不同EPS換填密度下沿橫斷面方向的路面沉降曲線

本文橋頭路堤改造工程的換填比例n(換填厚度與路堤填土厚度的比值)為0.15.為分析EPS的換填比例對橋頭路堤沉降的影響，保持其他參數不變，分別建立n為0.10、0.20、0.30、0.40和0.50的數值模型，對3 000 d后路堤沿橫斷面方向的路面沉降曲線進行對比，如圖10所示。隨著換填比例的增大，路面的沉降量逐漸減小。但需要注意的是，當換填比例增大時，路面沉降量的減小幅度逐漸減小。此外，由于EPS材料自重很輕，而橋頭位置在洪水季節有雍水的可能性[19]，進行EPS換填時需考慮路堤的抗浮穩定性。因此，EPS的換填比例不宜過大，本文橋頭路堤改造工程的換填比例取0.2～0.3較佳。

圖10 3 000 d后不同EPS換填比例下沿橫斷面方向的路面沉降曲線

5 結論

1) 采用EPS部分替換已投入使用橋頭路堤的頂部填土，可有效地降低路堤自重和減少土體流變，從而減小路面沉降。

2) 采用EPS處理橋頭路堤后，路面的沉降隨時間的變化規律符合雙曲線發展規律。隨著時間的發展，路肩處沉降略小于路面中心線處的沉降，在進行EPS改造設計時，應考慮該現象對路面排水的不利影響。

3) 進行EPS改造設計時，可選取密度較大的EPS材料進行換填，但EPS換填厚度與路堤填土厚度的比值應保持在一定范圍內，本文橋頭路堤改造工程的換填比例取0.2～0.3較佳。