降雨條件下路橋過渡段變形差異研究

摘要：為研究降雨條件下路橋過渡段的變形差異，文章以廣西某高速公路為例，測定研究路段土樣物理力學性質，并基于有限元數值模擬軟件分析降雨、不同汽車車速下路橋過渡段的變形差異。結果表明：（1）微膨脹土膨脹量與含水率以及荷載有關，其中荷載與膨脹量呈負相關，含水率與膨脹量正相關；（2）無降雨條件下荷載作用會增加路橋過渡段的路基沉降量，而降雨會加劇路基土膨脹，降雨前期膨脹量變化大于降雨后期；（3）降雨-汽車動載作用下路橋過渡段變形量小于單一作用。

關鍵詞：路橋過渡段；變形差異；膨脹土；降雨；汽車車速

中圖分類號：U416.1" " " "文獻標識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.044

文章編號：1673-4874（2024）11-0148-04

0引言

隨著經濟的發展，我國高速公路建設不斷增加，跨山、跨河的大橋數量也隨之增加，而路橋過渡段作為連接道路與橋梁的關鍵部分，其常受車輛荷載反復沖擊作用，易導致路橋段交接處發生不均勻變形，進而導致路面破壞。同時考慮到膨脹性土廣泛分布于全國各地，高速公路選線難以完全避開膨脹土區，而膨脹性土在降雨作用下易吸水膨脹，發生崩解、軟化，使土體物理力學性質發生劣化。

近年來，國內外研究學者針對路橋過渡段開展了諸多研究，主要集中于路橋過渡段差異沉降、結構設計以及特殊土影響等方面。馬加存等［1］以京臺高速公路項目為依托，將銑刨料作為回填材料，提出差異沉降控制方法。陳成等［2］基于DEM-MBD方法建立路基彈簧模型，實現軌枕-道砟-路基過渡段耦合模型的構建，在此基礎上進一步分析了剛度、車速以及加固方法對不均勻沉降的影響。賈亮等［3］以蘭永一級公路路橋過渡段為依托工點，通過現場監測數據對工后路基沉降量及穩定性問題進行研究，進一步分析沉降時間與空間相互關系。秦旗［4］將埋入式樁板結構運用至路基設計并對其動力學特性進行模擬研究。李泰灃等［5］基于TTCI-FAST-HTL構建泡沫輕質土路橋過渡段，并分析了路基壓縮變形、沉降及不均勻變形，結果表明泡沫輕質土過渡段路基壓縮變形小、基底沉降與不均勻沉降少，具有良好的長期服役性。董亮等［6］考慮高寒季節性凍土區對路橋過渡段的影響，基于有限元軟件構建數值模型，分析凍土區橋梁-橋臺-填土作用機理，結果表明凍脹力會導致橋臺傾斜，影響橋梁結構安全性。常文浩等［7］基于混凝土塑性傷損理論，利用有限元數值模擬軟件ABAQUS，探討了高寒地區路橋過渡段軌道結構不協調變形與不均勻沉降，結果表明溫度以及荷載均會導致路基發生不均勻沉降。

綜上所述，目前現存的研究多集中于路橋連接段不均勻沉降以及減緩沉降結構設計方面，較少涉及特殊性土對路橋過渡段的影響，特別是部分膨脹性土。在降雨條件下膨脹性土會發生膨脹現象，易出現地面起伏、裂縫以及斷裂等問題，同時考慮到路橋過渡段是公路線路中最為薄弱位置，因此研究降雨下路橋過渡段變形差異至關重要。本文在前人研究基礎上，以廣西某高速公路為項目依托，從現場不同位置取樣后于試驗室測定土樣物理力學性質，在此基礎上采用有限元數值模擬軟件分析降雨、汽車速度下路橋過渡段變形差異，該研究有助于指導今后膨脹土地區路橋過渡段項目設計與施工。

1研究區土樣物理力學性質

1.1研究區概況

本文以廣西某高速公路工程項目為依托，該路段主要以丘陵地貌為主，地勢起伏較大，丘陵坡度較緩，植被發育。研究區內出露大量基巖，主要以泥巖、灰巖以及粉質砂巖為主，巖石為灰、深灰與灰褐色，節理裂隙發育顯著。研究區內分布松軟土地基，年降雨量較大，多集中于4～8月，其中4月日降雨量最大為60 mm。

1.2土樣物理力學性質

為進一步了解該路段土體的物理力學性質，分別沿該路段不同位置進行多次取樣并測定其物理力學性質。

1.2.1土粒比重試驗

將現場土樣進行比重試驗，試驗結果如表1所示。結合工程現場可以發現，路段內路基土為混合土（砂質粉土、黏質粉土、粉質黏土等）。

1.2.2塑液限試驗

取典型路段試樣（3號、4號、6號、9號）進行塑液限試驗，試驗結果如表2所示。

1.2.3膨脹率試驗

對上述土樣開展膨脹率試驗并計算自由膨脹率，如式（1）所示：

δef=Vw-V0V0（1）

式中：δef——自由膨脹率；

Vw——烘干后土樣吸水體積；

V0——土樣烘干體積。

表3為3號、4號、6號、9號試樣自由膨脹率計算結果。根據工程經驗可知，當自由膨脹率＞40%時為膨脹土，而本文計算結果中膨脹率最大僅為25%，因此本文土樣為微膨脹性土。

1.2.4不同荷載-含水率下試樣膨脹試驗

取9號土樣，對其開展不同含水率（10%、15%、20%、25%）以及不同荷載下的膨脹試驗，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，當荷載一定的條件下，隨著含水率增加，試樣膨脹量也逐漸增加。當含水率一定時，荷載的增加會降低試樣膨脹量。當含水率為25%時，荷載從0kPa增加至45kPa，其膨脹量減少了14.81 mm，降幅為82.18%；當荷載為0kPa時，含水率從10%增加至25%，其膨脹量增加了14.78 mm，增幅為82.06%，該現象說明試樣的膨脹量與含水率以及荷載有關，其中荷載與膨脹量呈負相關，含水率與膨脹量正相關。

2有限元模型的建立

由前文可知，荷載與含水率均會使路橋過渡段路基土膨脹，為進一步探究降雨、荷載條件下過橋段路基膨脹情況，本文基于Midas GTS有限元軟件對其進行分析。圖2為Midas GTS有限元建模過程。

2.1有限元模型的構建

根據工程實際建立有限元數值模型見圖3。地面施加水平及豎向位移約束，模型側面施加水平位移約束。地下水升降可用以模擬降雨情況，將地表面設置為降雨邊界，當雨水入滲土體時，地面設置為零壓力面。路橋過渡段為倒梯形，其頂面寬度為20 m，底面寬度為5 m，坡度1∶2.5，模型整體長度為80 m，寬度為60 m。路橋過渡段加固采用CFG樁，樁徑0.5 m，樁長25 m，模型如圖3所示。

2.2細觀參數的確定

根據室內試驗與野外調查資料，確定各材料的細觀參數，如表4所示。

2.3荷載施加形式

施加荷載主要包括靜荷載與動荷載，靜荷載指自身重力，在有限元模擬軟件中可簡化為重力荷載；動荷載指汽車動載，采用有限元軟件中移動荷載設置汽車速度，以模擬不均勻變形。

2.4降雨工況設計

有限元數值模擬軟件中多采用平均降雨量來定義雨強，本文考慮路橋過渡段實際降雨情況，共設置1種工況，即實際降雨工況，日均降雨量為4.8 mm，持續降雨時間為30 d。

3模擬結果分析

將有限元模型分為路基段以及過渡段，其中路基段60 m，過渡段20 m。

3.1不同汽車車速下過渡段變形特征

為研究單一因素對過渡段變形的影響，本節不考慮降雨入滲，因此將雨強強度設置為0，僅探究自重、低速運行汽車（60 km/h）、高速運行汽車（120 km/h）下過渡段變形特征，圖4為不同荷載下變形量隨位置的變化曲線圖。

由圖4可知，不同荷載條件下變形量隨位置變化曲線形態基本一致，變形量絕對值均沿線路方向不斷減小，當處于路基段時變形量變化幅度較小，當處于倒梯形過渡段時變形量迅速減小。同時對比不同荷載下路基變形量可知，荷載作用會增加路基沉降量，與自重工況相比（沿線路方向0 m），汽車低速運行及高速運行工況下路基變形量增加了3.09 mm、17.56 mm；當處于沿線路方向80 m時，兩者增加了1.54 mm、8.3 mm。綜上所述在無降雨條件下微膨脹土無明顯膨脹性，其在自重作用下，自重力大于膨脹力，進而導致路基出現沉降變形。

為進一步探究路橋過渡段沉降量，分析沿線路方向（距橋臺）10 m、60 m位置處路基沿深度沉降變形量如圖5所示。由圖5可知，不同工況下路橋過渡段沉降規律基本一致，其均表現為隨深度增加而減小，減小速率逐漸平緩。

3.2降雨工況下過渡段變形特征

圖6為降雨工況下路基面變形情況曲線圖。

由圖6可知，路基段內膨脹量變化較小，而過渡段內膨脹量變化明顯，其中最大膨脹量出現于降雨30 d時，其值為19.25 mm。對比不同降雨時長下路基面變形曲線可以發現，降雨會加劇路基膨脹，同時可以發現降雨前期膨脹量變化遠大于降雨后期，其主要原因是由于在持續降雨作用下，降雨前期雨水入滲至土體，導致土體孔隙水壓力增加，土體達到飽水狀態；而降雨后期，土體已經達到飽和狀態導致雨水無法持續入滲，其在土體表面形成徑流，該現象說明由水誘發土體膨脹存在極值。

為進一步分析不同深度下土體膨脹規律，繪制距橋臺10 m處路基沿深度沉降變形量（見圖7）。由圖7可知，不同降雨時間下膨脹量均隨深度增加而減小，減小幅度趨于平緩，該現象與降雨入滲深度有關，在相同降雨雨強下，降雨持時越長，其滲透深度也就越深，但滲透能力逐漸遞減，因此表現出該規律。

3.3降雨工況下不同汽車荷載過渡段變形特征

圖8為荷載-降雨聯合作用下過渡段膨脹特征曲線圖。由圖8可知，降雨后施加荷載會減小路基段膨脹量，當汽車高速運行時路橋過渡段膨脹量減小了6.6 mm，當汽車低速運行時則減小了7.8 mm。這與前文汽車荷載與降雨分別作用有關，汽車荷載會導致路基段發生沉降變形，而降雨則使路基膨脹，兩者相互抵消，進而減小變形。

4結語

本文以廣西某高速公路為項目依托，測定現場土樣基本物理力學性質，并基于有限元數值模擬軟件Midas GTS分析降雨、汽車車速以及降雨-汽車車速對路橋過渡段變形的影響，該研究有助于指導膨脹土地區高速公路的施工。本文得到如下主要結論：

（1）土樣為微膨脹土，荷載與膨脹量呈負相關，含水率與膨脹量正相關。

（2）無降雨條件下，微膨脹土無明顯膨脹性，汽車荷載則會使路橋過渡段路基發生沉降。

（3）在相同降雨雨強下，降雨持時越長，其滲透深度也就越深，但滲透能力逐漸遞減。

參考文獻：

［1］馬加存，趙全滿，張明虎，等.高速公路改擴建中路橋過渡段差異沉降控制方法及標準研究［J］.公路，2021，66（10）：76-83.

［2］陳成，羅啟天，楊超，等.基于DEM-MBD耦合方法的路橋過渡段不均勻沉降研究［J］.中國鐵道科學，2022，43（3）：69-77.

［3］賈亮，梁榮，姚凱.路橋過渡段路基工后沉降監測試驗研究［J］.鐵道工程學報，2017，34（9）：18-21，82.

［4］秦旗.樁板結構路橋過渡段的動力學仿真分析研究［J］.鐵道工程學報，2021，38（12）：40-44，49.

［5］李泰灃，韓自力，張棟，等.重載鐵路泡沫輕質土路橋過渡段長期服役性能試驗研究［J］.鐵道建筑，2021，61（7）：80-84.

［6］董亮，吳貽珂，鄒佳安，等.高寒季節性凍土區鐵路路橋過渡段凍脹特性數值模擬研究［J］.中國鐵道科學，2024，45（1）：68-78.

［7］常文浩，蔡小培，羅必成，等.嚴寒地區路橋過渡段無砟軌道結構變形及損傷［J］.中國鐵道科學，2021，42（1）：15-25.

作者簡介：羅家思（1988—），工程師，主要從事道路和橋梁施工方面的工作。

收稿日期：2024-05-16