路桥过渡段路基修筑技术数值仿真与优化

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ΟΟ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。

①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②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。

③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：①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增加刻度，便于观察，也是记录试验数据的一种方法。

②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。

③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。

④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。

⑤采用三角形平板模拟地基下沉曲面，运动自如，便于控制。

⑥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。

⑦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。

⑧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。

⑨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。

⑩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)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。

①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。

②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。

③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，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，得出了以下主要结论。

①一般情况下，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。

②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。

③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。

④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。

⑤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，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。

①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。

②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。