路桥过渡段路基修筑技术数值仿真与优化

1、西部交通建设科技项目合同编号：2001 318 812 59 路桥过渡段路基修筑技术研究报告简本长 安 大 学二五年二月1 项目背景国外针对桥头跳车病害所造成的巨大养护和维修费用，及其所引起的不良社会反映，通过对大量桥头跳车病害的调查，提出了一些预防措施。发达国家由于高速公路起步早，现有的方法主要是补救维修。同时，由于其高速公路的路堤填土高度较低，通道数量较少，且施工周期较长，所产生的工后沉降较小，相应产生的危害就小，处治的思路与处治费用就会大不一样。国内也开展了很多这方面的研究工作，提出了一些处治方法，并在工程中积极推广应用。但有些方法处治机理不清，治标不治本，故有成功的案例，也不乏失效的报

2、道。究其原因，主要是没有进行系统的研究，对处治方法的作用机理和适应性没有搞清楚，即使立题研究，也往往投入较少，只有宏观调查资料，而缺少试验分析结果，现场测试分析较少。因此，方法的推广应用就必然受到限制。当然，高速公路的建设实践，也积累了不少经验，总结出一些很有效的处治手段，因此，对这些问题开展深入系统的研究，对于保证高速公路车辆的交通安全和舒适行驶，提高高速公路的社会效益、降低已建高速公路的养护维修费用、改善待建高速公路的质量都具有十分重要的意义。2 项目研究内容2.1 主要内容(1)路桥过渡段路基下地基沉降与沉降模拟试验系统研制(2)车辆振动与冲击荷载作用性状与动载模拟系统研制(3)路桥过渡

3、段路基处治技术的适应性与作用机理研究(4)路桥过渡段路基填土动力特性与相关参数研究(5)路桥过渡段路基处治技术的仿真与优化(6)路桥过渡段路基设计与计算方法研究(7)路桥过渡段路基施工工艺与质量控制体系研究(8)路桥过渡段路基病害治理的适应性研究2.2 关键技术(1)研制地基沉降模拟试验台(2)研制车辆动载模拟加载系统(3)数值仿真分析的有效性2.3 采取的技术路线数值仿真与优化调研与资料收集动荷作用频度与作用强度地基沉降特征分析车辆动载模拟系统地基沉降模拟试验系统制定大比尺模型试验方案专家审议模型试验研究填土动力特性与相关参数研究设计与计算方法，施工工艺和质量控制体系实体工程病害治理适应性研

4、究3 主要结论针对目前高等级公路路桥过渡段桥头跳车病害严重的现状，课题组在广泛调研的基础上，通过研制地基沉降模拟系统和动力加载模拟系统，开展了大规模的足尺模型试验、小比尺模型试验、室内三轴试验、数值仿真分析和现场测试，对路桥过渡段路基修筑技术进行了深入研究，得出了以下的研究结论。(1)通过对不同地基条件的现场沉降实测，结合有限元分析，给出了路基下地基的沉降特征和分布曲线。在总结室内压缩试验和现场测试成果的基础上，研究了路基的沉降特征，推导了简捷准确的路堤变形计算方法。通过应用平面应变固结变形有限元分析程序SSE2，并结合实际工程项目对地基的固结沉降进行了分析，得出了固结沉降变化曲线，并就沉降曲

5、线的特征作了分析，其沉降最大值与曲线斜率、角度变化的关系可以应用于该类地基形式。图1 试验平台概貌通过对高填方路堤沉降规律的研究，结合实体工程测试结果得出施工期沉降与填土高度关系预测模型；分析路堤沉降特征，认为填土高度、施工速率、时间是影响沉降的主要因素。在总结大量的室内压缩试验和现场测试成果基础上，采用割线模量法计算路堤填土的总沉降，并建立力、变形和时间的路堤沉降计算模型，从而较好地解决了路堤填土的工后沉降计算问题。(2)首创了独特先进的试验研究平台，该平台具有以下特点：开发了大行程电动-手动两用千斤顶，满足了试验台的沉降要求，实现了试验台既可以自动控制，也可以手动控制。在千斤顶的升降套筒上

6、增加刻度，便于观察，也是记录试验数据的一种方法。利用接近开关测量位移，造价低廉，不受行程限制，不会产生零点漂移，不用信号放大设备，不用模数转换，直接将数据输入计算机。利用计算机对138台电动机进行实时检测，发现问题立刻自动停机报警，及时，可靠。在电路里省略了大量的热继电器，简化了电路，节约了费用；而且可以容易地查出故障点。开发了沉降试验平台的台板支座。利用单轴球面滚子支撑试验面板，使滚子对面板的支撑点受力稳定，极大的减少了面板相对滚子运动时产生的附加力，同时也可以保证在试验要求范围内面板稳定。将支座的加强肋与滚子轴座制成一体，结构简单、强度大、重量轻。采用三角形平板模拟地基下沉曲面，运动自如，

7、便于控制。将普通交流异步电动机与谐波减速机、接近开关相结合，制成超低速大扭矩步进电动机。通过计算机控制，使超低速大扭矩步进电动机以不同的步数分次运动的方式进行沉降，实现了试验台以极低的平均速度运行，而且之间的相互关系协调。利用一台工业控制计算机（PC）同时控制两台可编程控制器（PLC），使系统既用工业控制计算机的操作方便性，又有可编程控制器的可靠性。通过合理布置线路，合理设计电路，合理设计计算机程序解决了多台电动机同时动作时电路里出现的相互干扰。成功地设计了消弧电路，实现了利用继电器控制138台电动机，经过实践证明可行，节约了费用，为以后设计性能可靠、价格便宜、体积小的控制电路积累了经验。(3

8、)采用先进的石英式载荷传感器，测试了轿车、卡车两个不同车型、不同车速的荷载谱曲线，得到了车辆振动与冲击荷载的作用性状。试验结果表明，车辆对道路的载荷冲击，是一个持续但不连续的脉冲链。脉冲数和作用间隔与车速、车型密切相关。此外，模拟脉冲载荷的构造还和车辆的通过模式和交通流量有关，从车型来看，越大型的车辆（载货车，大型车）轴距越长，前后轴作用载荷脉冲的时间间隔就越长，反映在模拟加载装置的设计上，其载荷频率就越低。也就是说，车辆越小，模拟加载装置的频率就越高。这也就意味着如果模拟加载装置的载荷作用频率满足小型车的要求，则必然能够满足大型车辆的加载频率要求。从车速看，车速越高，脉冲作用时间间隔越短，也

9、即载荷作用频率越高。同样道理，满足高频要求的加载装置，必然满足低频要求。因此，以小轿车的试验数据为基础确定加载装置的频率完全满足要求。模拟载荷谱由以下三个元素构成：a.幅值：取决于车型（小型、大客、载重、超大型），选取代表性的车辆测量得到；b.双轴、三轴或多轴不同车速下的轴载测量时间差：选取代表性的车辆测量得到；c.交通流量：不同车型的统计，决定载荷谱的作用时间。对于三轴车辆或多轴车辆而言，通过考虑载荷的实际作用形状和模拟加载装置的实现能力，将第二、三轴的载荷加权叠加，以一个半正弦脉冲来表达，载荷幅值为两者之和，作用时间为两者的算术平均。对于特大型载货列车，由于载荷大，车速慢，对桥头跳车不敏感

10、，而且交通流量小，所以，加载模拟中，可暂时不加考虑。(4)开发了全新灵巧的车辆动荷加载系统基于车辆振动与冲击荷载的测试结果，通过对加载方式和道路荷载的理论模拟分析，选用在振动压路机基础上加装模拟加载部分的箱体来模拟动力加载的方案，并开发了相应的加载箱体，有效地实现了车辆动力荷载的模拟。且结构比较简单，开发成本大幅度下降。在改造过程中对原压路机的振动部分未进行改动，在不需要模拟加载时，关闭模拟加载部分，压路机恢复到原始状态，可以作为普通振动压路机使用。(5)基于先进的GDS动三轴试验系统，对压实黄土、压实石灰土和砂土三种路基填料开展了动力特性试验，研究了不同填料的动力特性、获得了相关参数，得出了

11、以下主要结论。一般情况下，土的动应力应变关系呈双曲线形态，高含水量时，特别是含水量接近饱和时，土的动应力应变关系呈软化特性。土的动模量随着固结应力、干密度的增大而增大，随着含水量的增大而减小，且偏压时的动模量较均匀时大。土的动阻尼随动应变、含水量的增大而增大，随干密度和固结应力的增大而减小。土的振陷系数一般呈弱线性关系，但对含水量特别敏感，随含水量的增大，振陷系数曲线趋向非线性。土破坏时的动应变一般不会超过3，对石灰土，其破坏时的动应变基本都小于1。(6)研发了新型的桥头路堤处治手段楔形柔性搭板处治技术，并对柔性搭板的材料特性进行了深入研究；通过模型试验、仿真分析及优化，构建了完整的设计体系，

12、并成功开展了楔形柔性搭板处治技术的实施应用。（a）重力式（b）肋板式（c）桩柱式图2 楔形柔性搭板结构型式 根据应用实例的不同工程特性，提出了台后楔形柔性搭板的设计方案，并开展了系统的现场试验和观测。现场试验和沉降观测结果表明，楔形柔性搭板技术协调桥头差异沉降作用明显，是一种成功的处治桥头跳车病害的方法。通过模型试验、仿真分析及优化，构建了完整的设计体系。该项技术已在甘肃柳忠高速、古永高速、陕西靖王高速、山西及福建厦门等公路桥头中得到成功应用。通过实体工程的实施，相应提出了楔形柔性搭板处治技术整套的施工工艺和质量保证措施。实体工程的观测资料表明：楔形柔性搭板能够较好地协调桥台与路堤的沉降差，从

13、而消除桥头跳车现象，且对于缺乏换填料地段的台背处理经济效益显著。(7)建立了科学有效的数值仿真计算模型在大型通用有限元程序MARC软件基础上,基于Visual Fortran平台和用户子程序接口,对软件进行深度二次开发，实现专业理论与通用程序的有机结合，研编了三维和二维的接触面单元、非线性邓肯张模型、脱空区材料模型、地基沉降模拟等用户子程序。分析中充分利用大型通用程序优秀的前后处理能力，优越的非线性分析功能、强大的计算能力和求解技术，针对桥头加筋路堤具有空间效应的特点，建立了相应的三维计算模型，较好地解决数值分析对桥头路堤的有效模拟，提高了分析计算的速度和可靠性，为路桥过渡段路基处治技术的研究

14、提供了很好的分析平台。 (8)针对现有桥头跳车的处治措施，以处治手段消化地基沉降能力作为一条主线索，以变形协调和控制作为主要目标，通过仿真分析，拓扑优化、设计优化，深入开展了路桥过渡段处治方法的适应性和作用机理研究。应用基于直接约束的迭代算法Contact和单元生死技术，通过模拟搭板与填土之间的不同接触状态和地基不同沉降模式，首次开展了搭板处治方法的适应性研究，并得出以下结论：a.搭板与路基不同接触状态的力学性状分析表明，当搭板弹性支承于路基土上时，板底弯拉应力较小；当脱空区长度小于1.08m时，其对搭板受力没有影响，随着脱空区长度的增加，板底弯拉应力显著提高，当搭板与路基土完全脱空时，其受力

15、状态与简支板相似。因此，搭板脱空长度是影响搭板受力状态的主要因素。设计时，可保守地按简支板进行搭板的内力计算。b.搭板对地基沉降的适应性表现为：6m长度的搭板适用于处理地基沉降在2.8cm以内的桥头路段；8m长度的搭板适用于处理地基沉降在4cm以内的桥头路段，而10m搭板适用于处理地基沉降在5.1cm以内的桥头路段。 基于不同地基沉降模式，对常见换填料台背路堤进行了弹塑性分析，研究了其适应性差异，主要表现在以下两个方面：a.桥头路堤换填压缩模量大的填料可以明显减小路堤的压缩变形，同时沿路堤高度1：1的楔性“刚柔过渡”换填方式不仅可以大大减少换填量，更有利于协调其沉降差。b.当地基为均匀沉降模式

16、时，路堤沉降量主要体现在地基沉降值的大小，换填方式无法起到消化地基沉降的作用。当桥头地基存在局部软弱区域时，桥头路堤换填抗剪强度高、具有一定整体性的填料,如灰土，能够较好地消化地基的不均匀沉降，而砂粒填料次之，粘土最差。针对桥头加筋路堤具有空间效应的特点，建立了相应的三维计算模型；应用三维接触面单元模拟筋材与填土的界面特性，从加筋手段、桥台不同的连接方式及地基沉降条件出发，开展土工格栅与土工格室柔性搭板加筋处治技术的作用性状对比研究，并对其适用性进行了讨论。针对土工格室楔形柔性搭板的研究表明，其作用性状主要表现为： a.土工格室较大的限制侧向变形能力，不仅限制了其中填料的侧胀,同时其构成的复合

17、体由于具有较大的刚度和拉伸强度，通过界面的摩阻力和粘附力限制了周围土体的侧向变形,提高了土体的抗剪强度，从而减小了路堤本身的压缩变形。b.由于土工格室复合体具有较大的压拉强度、抗剪强度和一定的弯拉强度特性,通过其一端锚固于桥台,一端伸入路基中，可有效地阻止上层土体的向下沉降，从而在复合层下面产生了松动区。同时由于土工格室的多层连续布置，使得路堤的沉降在每一层中都得到消减，使得桥台与路堤之间的沉降差在较长的范围内得到平缓过渡。c.由于松动区的存在，路基竖向应力明显减小。桥台附近一定范围内地基的附加应力也得到减小，这样不仅减小了路基的压缩变形，也减小了地基的沉降变形。d.格室变形后产生的”网兜支承

18、效应”使荷载分布更加趋于均匀。针对平面土工合成材料加筋路堤的仿真分析表明：a.土工格栅利用其较大拉伸模量，通过其与土体的界面摩擦和咬合作用，同样限制了路堤填土的侧向位移，提高了土体的抗剪强度和抗变形能力，从而减小路堤的压缩变形值。且随着路堤变形模量的减小，其作用更加显著。b.土工格栅变形后也存在“网兜效应”，从而使荷载的分布趋于均匀；c.土工格栅由于一端锚固于桥台上，利用其抗拉伸能力，阻止了桥台附近土体的向下沉降，同时，也减小了桥头路基和地基的竖向应力。d.平面加筋材料应选用具有较大拉伸刚度的筋材，同时，桥头应换填内摩擦角较大的填料。e.土工格栅加筋技术适用于处治地基条件较好的桥头过渡段。当地

19、基条件较差时，应结合其它方法进行综合处治。首次应用拓扑优化理论，基于应变能最小即刚度最大原理，对路桥过渡段路基加固体的结构布置形式进行优化。拓扑优化结果表明，采用上长下短的倒梯形布置形式的结构刚度最大，且路基加固体底面布置长度应不小于2m，由下向上斜率应缓于1：1。基于三种不同地基模式，讨论了楔形柔性搭板处治方法的设计参数，如复合体模量、长度、间距、层数的影响特征，并对其进行优化，得出以下结论：a.地基沉降变形是路桥过渡段桥台与路堤沉降差的主要构成部分，路堤纵向的工后沉降变形是影响柔性搭板适应性和布置方式的关键因素。b.柔性搭板处治后的路基顶面沉降曲线在均匀沉降模式下呈抛物线形，倒三角形沉降模

20、式时，路基顶面沉降曲线呈马鞍形。三角形地基沉降模式时，其沉降曲线呈近似的线性。柔性搭板消化倒三角形地基沉降的能力最大，三角形沉降次之，对均匀沉降稍弱。c.桥头过渡段换填模量大、抗剪强度高、具有一定整体性的填料更能起到消化地基沉降变形，减小路堤压缩变形，缓和过渡桥台与路堤沉降差的目的。d.土工格室复合体模量的大小作为衡量土工格室消化地基沉降变形能力的重要因素，其模量的提高可以使桥头沉降差过渡更加平缓。e.柔性搭板以分散布置于桥头路堤中为宜。f.当地基条件较好时，可以布置23层的土工格室；当地基条件较差时，布置35层。g.柔性搭板顶层（紧靠路基顶面的一层）布置长度以812m为宜，厚度以布置24层土

21、工格室为宜。(9)首次以处治措施对地基沉降的适应性出发，应用千斤顶模拟台后填土下的地基（软基）产生沉降，开展了楔形柔性搭板的小比尺模型试验，以此分析楔形柔性搭板处治跳车的加固效果、作用机理和适应性。得出了以下结论： 土工格室的布置以上密下疏的布置形式最为有利，这样既节省材料，又可以得到良好的效果。采用双层土工格室加固台后填土，效果是显著的，在经济条件容许的情况下，可适当加大格室用量。对于只在近桥台端沉降较大的情况下，格室的加固效果是最好的，而此种工况在工程实际中最为常见。土工格室对于砂土和黄土均有明显的加固作用。台后填土高度越高，土工格室的这种削减因地基沉降而导致路面下沉的作用越明显。土工格室

22、处理实际地基沉降量为30厘米以内时，较为有效。(10)基于研制的试验研究平台，进行系统可靠的大比尺模型试验研究。通过对MARC子程序的二次开发，模拟了地基沉降、土工格室结构层下松动区等特性，对大比尺模型试验进行了数值仿真分析；利用沉降杯、沉降板、压力盒等测试手段，分析了楔形柔性搭板、土工格栅加筋处治方法不同工况下路基的变形和受力特性，并将实测数据与数值仿真结果进行了对比，验证了计算模型的合理性。得出了以下主要结论：土体单元采用基于线性DruckerPrager屈服准则的理想弹塑性模型，可以较好的反映模型试验的填料状况。利用数值仿真可以补充利用土工格室处治路桥过渡段的模型试验结果，两者基本吻合。

23、利用柔性搭板处治路桥过渡段，可以有效的改善桥头路堤的不均匀沉降，路基顶面沉降曲线平顺，差异沉降减小，最大值为3mm。通过模型试验研究，得出了三种不同处治方式的适应性：当地基沉降控制在为20cm时，采用土工格室柔性搭板结合砂砾料处治效果较好；当地基沉降较小时，三种情况处治效果相差不大，采用何种方式可以根据当地施工材料的种类来决定。(11)提出了方便实用的设计与施工技术要则在总结工程实践和研究成果的基础上，通过大比尺模型试验和仿真分析，并结合依托工程的实施，系统全面地总结了搭板、灰土和粉煤灰换填、土工加筋、楔形柔性搭板、EPS轻质填料和半刚性挤密桩的设计方法和施工工艺，为路桥过渡段路基修筑的设计和

24、施工提供了强有力的支持。(12)大范围地开展了高速公路路桥过渡段的病害调查，通过对病害的分析和总结，归纳出路桥过渡段路基的主要破坏模式，提出了有针对性的处治措施。山岭重丘区的公路，桥头病害主要表现为台背错台和路面凹陷、开裂；对于陕西黄土地区，病害多表现为路基的过量沉降和路面凹陷，搭板末端产生二次跳车；对于陇西黄土地区，病害最主要表现为产生裂缝和整体滑移破坏；对于西南地区，高速公路病害主要表现为台背差异沉降形成错台、路基局部不均匀凹陷、台背过量沉降等。路桥过渡段路基破坏模式主要有：整体滑移和路面开裂、路基与桥台间形成台阶、路面凹陷、板断裂、搭板与路堤形成纵向坡度差、搭板末端产生差异沉降。目前普遍

25、采用的桥头搭板，对治理桥头路车起到了一定的作用，而且成功的实例很多，但是也不能盲目的使用，否则不但达不到治理的效果而且还会引起新的问题，如板断裂、搭板与路堤形成纵向坡度差、搭板末端产生差沉降或凹陷等。路桥过渡段路基病害治理时，对于孔隙较小的不良地基如软土地基、膨胀土地基可采用劈裂注浆、混凝土挤密桩法；对于孔隙较大的不良地基如湿陷性黄土地基、冲填土地基一般可采用压密注浆、树根桩托换技术以及高压注浆法；对于有入渗通道的软基可优先考虑电动化学注浆法；对于粒间作用力较小的大空隙地基如卵砾及块石地基、断层破碎带地基、大空隙冲填土地基，可采用渗透注浆；对于上部路堤较矮且软弱层较薄的地基还可以在经济的条件下采用换填法处理。路面处治可同样根据其破坏机理合理采用桥头搭板、设置变刚度路面结构、过渡性路面、设置纵向反坡、HD掺胶混凝土修补、可起吊的活动搭板等方法。 4 进一步研究建议(1)考虑不同工况组合，进一步开展大比尺模型试验。(2)改进砂砾试样的制备方法，深入开展砂砾填料的GDS动三轴试验研究。(3)进一步开展桥头跳车处治技术的理论分析，建立实用有效的设计计算体系，同时编写路桥过渡段实用简便的计算程序。