软土地基台后回填EPS轻质混凝土沉降分析_孙筠

公 路 交 通 科 技

Journal of Highway and Transportation Research and Development

Vol 127 No 17 Jul 12010

文章编号:1002O 0268(2010)07O 0046O 06

收稿日期:2009O 08O 07

基金项目:浙江省交通厅科技计划项目(2008H36)

作者简介:孙筠(1982-),女,浙江淳安人,博士研究生,从事桥梁道路养护工程研究1(pemotta@1631com)

软土地基台后回填EPS 轻质混凝土沉降分析

孙 筠,项贻强,唐国斌,张婷婷

(浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058)

摘要:基于软土地基上已建桥梁桥头过渡段经常存在严重的路桥沉降差现象,将EPS 混凝土作为台后换填料来替换原来的回填宕渣填筑,可以有效地减小路桥过渡段的沉降现象。建立EPS 轻质混凝土换填的有限元简化模型,拟计算路表沉降变形曲线,并与普通回填宕渣填筑的工后沉降进行对比分析,最后与结合现场实测结果比较。研究结果表明:采用E PS 轻质混凝土换填可以减小桥台后路桥沉降差,延续混凝土整体性能良好的特点,有效地解决台后填筑物对旧桥桥台推挤严重的问题,缓解桥头跳车现象;另外,通过与一般回填宕渣填筑台后路基产生沉降做比较,EPS 轻质混凝土有明显的优势。

关键词:道路工程;桥头跳车;轻质回填;EPS 轻质混凝土;有限元分析中图分类号:TU472 文献标识码:A

Numerical Analysis on Settlement of EPS Con crete Backfill Adjacent to

Abutment on Soft Foundation

SUN Yun,XI ANG Yiqiang,TANG Guobin,Z HANG Tingting

(College of Civil Eng i neering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310058,China)

Abstract:Differential settlement between a bridge and the road behind abutment is a major problem in the construction of bridge approach on a soft foundation 1Using EPS concrete backfill instead of traditional backfill soil has shown promising reduction of settle ment 1A simplified FE model of EPS concrete backfilling behind the abutment on soft soil foundation was built to analyze the settlement deformation curves of the road surface and differential settle ment of road and bridge between EPS concrete backfill and traditional backfill 1The field observation and the calculating results all indicate that not only the differential se ttlement at the bridge approach but also the lateral pressure behind the abutment can be reduced by using EPS concrete backfilling to continue the good integrity charac teristic of c oncrete and alleviate vehicle bouncing a t the bridge approach 1In addition,comparison of differential settlements of the subgrade bac kfilled with EPS concrete and traditional backfill soil behind the abutment shows that EPS concrete presents a great advantage 1

Key words:road engineering;vehicle bouncing at bridge end;lightweight concrete;EPS concrete;finite ele ment analysis 0 引言

采用轻质换填路基材料来缓解过渡软土地基上路桥衔接段的沉降差异是路桥养护中较常见的方法,其优点是通过降低路基回填的重量来减轻对路基及软土

层的附加应力,从而减小土层的沉降量,缓解桥头跳车现象,且减小对挡土墙或台背的侧向推挤作用[1]

。

EPS 轻质混凝土是将聚苯乙烯泡沫颗粒掺入砂浆或混凝土中制备出不同表观密度的轻质混凝土[2]。早年学者Cook [3]对EPS 作为混凝土的集料进行了研究,

国内1998年开始有关于EPS 混凝土配合比的研究[4-5]、性能评价研究[6-7]及通过外加剂来提高EPS 混凝土抗压抗折强度的研究及拌制方法的研究[8],目前该材料还被用于建筑中保温墙体材料或复合整体式隔墙。本文利用EPS 轻质混凝土自重轻、吸水率低、韧性高、抗冲击等优点[4,9-10]

,研究探讨将EPS 轻质

混凝土作为已建桥台后路基维修处治的回填料,不仅可降低路基自重减小地基应力,而且可减轻台后填筑物对已有桥梁桥台侧向推挤作用;同时,建立软土地基上台后轻质换填有限元简化计算模型,采用有限元分析软件对台后回填与工后变形进行模拟,分别对桥台后采用EPS 轻质混凝土及普通回填宕渣填筑的工后沉降进行了计算分析,并与现场实测结果进行对比研究。对指导软基已建桥梁台后跳车的处治具有一定的理论意义和工程实用价值。1 工程背景

台州路桥新四号桥位于浙东沿海交通量极为繁忙的104国道,已运营十多年,原南侧桥头台后路基未进行处理,路桥过渡段沉降差明显,路面破坏严重,故对此桥头台后路基进行EPS 混凝土轻质换填维修处治。该桥头地质钻探结果见图1。土层至上而下分别为换填高度215m,其次为粘土层210m,再次为淤泥层1110m,粘土层1110m,亚粘土层2310m,测得钻孔地下水位埋深为在淤泥层上方。现场河道至东向西蜿蜒,道路两侧民宅均沿河而建,不考虑河道

曲折的影响。

图1 新四号桥南侧桥头下方土层分布(单位:m)Fig 11 Soil distribution under the southern bridge

approach of New 4th Bridge (unit:m)

处治中遇到的关键问题有:(1)新四号桥温州侧桥头路基下部分布大量性质较差软土层,桥头路面下沉及坑洼现象严重;(2)该桥交通极其繁忙,不可能全道封闭施工;(3)温州侧桥台在原台后填土侧向压力作用下,台前护坡挡墙出现倒塌现象,且桥台墩柱出现环形裂缝,因此在解决桥头差异沉降的同时也要

减轻台后填筑物对桥台的侧向推挤作用,以免影响桥梁的正常运营。

为解决这些难题,桥头处治改造设计采用EPS 轻质混凝土作为路基换填材料,并进行泡沫珠混凝土的室内试验,确定了最佳的配合比,水泥B 水B 砂B 碎石B EPS B 外加剂=280B 146B 226B 336B 1416B 610,现场抽检表观密度1200kg/m 3,150mm @150mm @150mm 立方体的破坏荷载37kN,劈裂强度018MPa,拉弯强度1151MPa;施工时采取半幅路封闭施工,EPS 轻质混凝土延续混凝土可塑性强整体性较好的优点,对四周构筑物产生的侧向压力作用小;在台后设计中对近桥台的地基进行简单的木桩加块石嵌桩的处理,并在其上浇筑15cm 厚、2m 高的钢筋混凝土台后挡板,防止施工中EPS 混凝土桩间的外溢(见图1);在填筑顶层铺设20cm 带钢筋网的混凝土板,以有效分布作用在路面的荷载作用力。

2 基本原理

Biot 方程是反映孔隙水应力消散与土骨架变形之间相互关系的三维固结方程。有限元法不仅可解结构的应力变形问题,还可以用来解固结问题。

在土体中任一点的平衡微分方程可表示为:[D ]T

{R }={f },(1)式中,[D ]T =55x 05

5z 0

55z 55x

;{R }T ={R x ,R z ,S xz }T

,

{f }T ={f x ,f z }T 。

根据有效应力原理,总应力等于有效应力与孔隙应力之和,且孔隙水不承受剪应力。即:

{R }={R c }+{u}={R c }+{M}u,

(2)

式中,{M }={1 1 0}T ;u 为孔隙水应力。

利用本构方程{R c }=[D]{E }和几何方程{E }=-[D ]{X },代入式(1)和式(2)后得:

-[D ]T [D ][D ]{X }+[D ]T {M }u ={f }。(3)孔隙水在土体中流动时应满足渗流的连续性方程:

5E u

5t

+{M}T [D ][k s ][D ]T {M}u =0,(4)式中,k s =1C X k x 0

0k z ;k x 为x 向和z 向渗透系数;C X

为水的重度。

利用E u ={M}T

{E

}={M }T [D ]{X },则:-{M }T 5

5t

[D ]{X }+{M}T [D ][k s ][D ]T {M}u =0。

(5)

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第7期 孙 筠,等:软土地基台后回填EPS 轻质混凝土沉降分析

式(5)即是以位移和孔隙压力表示的连续性方程,式(3)和式(5)联合即为Biot 固结方程[11]。

在有限元软件中固结分析步是基于Biot 固结理论来考虑土与孔隙水的相互作用问题。分析时首先对模型仅施加土体自重应力,采用迭代方法来获得指定边界条件及荷载作用下的平衡,计算得到初始应力状态及孔隙水压力分布。在后续计算步中依次激活填筑单元及路面单元,最后施加车辆荷载,进行土体固结分析计算,在此过程中土基产生的超静孔隙水压力将逐步消散转化为土颗粒间的相互作用力[12-14]

。

3 计算模型的建立311 几何模型的建立

对桥台后软基路基考虑固结分析,在建立空间有限元模型时应根据路基环境及变形的实际特点,对土体的一些复杂材料的特性及受力特性进行适当的简化:假定道路两侧民宅下方的地基及河床其下软基经过数年已完成固结过程,且研究重点放在道路下方软基固结情况,故不考虑房屋及河流荷载,将车辆荷载等效简化

[15]

为大小11kPa 的均布荷载。

根据地质勘探资料确定计算模型的大致尺寸,路面层按0165m 计算,模型竖向(z 向)深度从路面取到亚粘土层底部共51165m,长宽均取以桥头换填区为中心向道路横向及纵向两侧各延伸50m,即得到120m @134m @51165m 的有限元计算模型。加上车辆荷载后进行简单的静力试算,得到离桥头处置中心左右25m 范围内为模型关键分析区,因此该模型大小是可行的,如图2所示。回填处治区域按015m 每层进行回填,回填速率为015m/7d,之后铺设路面层0165m 。模型

的边界条件如前所述。

图2 简化后的有限元桥头模型

Fig 12 A simplified FEM model of the bridge approach

在模型边界条件设定时,四周边界为水平方向约束,底面为3方向全部约束,模型顶面为自由面。在固结计算中,设定模型顶面为排水面,其他边界面均为不排水面。312 材料参数

在有限元计算中,根据不同材料实际特性来选取

不同的本构关系来描述实际的变形行为。路面、填土、上部粘土层1及EPS 轻质混凝土均采用线弹性模型;淤泥及其下的粘土层2与亚粘土层均用Mohr O Coulomb 塑性模型;各种材料的渗透系数均取各向相同。模型的各项参数见表1~2。

表1 线弹性模型参数

Tab 11 Parameters of linear elasticity model

材料类型C /(kN #m -3)

E /kPa T k /(m #d -1)泡沫珠混凝土12310E60123163E O 8回填宕渣18210E40133160E O 6路面23112E60123163E O 8原填土18210E40133160E O 6粘土层1

19

4010

013

9149E O 6

表2 Mohr O Coulomb 模型材料参数Tab 12 Parameters of Mohr O C oulomb m odel

材料类型C /(kN #m -3)E /kPa c /kPa U /(b )T k /(m #d -1)淤泥1717202012818150132136E O 5粘土层2

185210541652618013

2131E O 5

亚粘土

18

5000

48146

2016

013

7157E O 5

为便于比较,计算时在模型中分别考虑两种台后填筑材料:EPS 轻质混凝土和维修加固前的回填宕

渣。研究两种不同台后填筑物的沉降变化规律。313 数值计算方法

在模拟台后回填的实际工况时,通过时间分析步来实现对实情加载时间的模拟,并在计算中逐个激活填筑区单元来实现回填料自重力的施加,直至完成台后填筑及路面结构的铺装,最后施加车辆荷载进行长时间固结计算;计算中在每个加荷步后将发生沉降的填土单元表面恢复到原有位置,直至路基设计标高,从而能够模拟填筑中补填产生的超填作用[10]。具体的加载时间曲线见图3。

图3 加载曲线Fig 13 The loading curve

4 计算结果分析411 孔压消散过程

在台后采用回填宕渣时,因软土渗透性较低使得孔隙压力消散缓慢,到固结稳定所需时间也较长。由于实际已建桥桥头加固处治工程中回填完毕到通车运

48 公 路 交 通 科 技 第27卷

营仅一个多月时间,在工况加载中增加回填区自重荷载孔压即会增大并开始消散。由图4可以发现,沿道路纵向离桥头距离越大孔压增量越大,在前3个月内消散速度较快,由此产生的沉降也大,其后孔压随时

间慢慢消散转化为土颗粒之间的有效应力。

图4 软基中不同位置处孔压的变化Fig 14 Variation of pore water pressure at

differential cross sections

从图5中可以看出孔压在水位线以下是跟深度成线性关系。图5中线段的折曲主要是跟网格划分后所取的结点不是很准的落在竖向线上,有一定的小偏差。不同路基荷载引起的超静孔压消散完毕后,不同台后填料时孔压随y 坐标的分布恢复到初始状态,即固结完成后地下水位线以下孔压大致为线性分布,水位线以上的孔压趋于0

。

图5 孔压随深度的变化曲线

Fig 15 Variation of pore water pressure with depth

412 沉降变形

(1)竖向变形(Z 向)

最终计算结果表明,经本次处治后,处治区内沿道路纵向的沉降量不大,离桥台的距离越大,路面地表沉降值就越大,直到距离桥台25m 处达到最大且变化稳定;沿道路横向的竖向变形分布规律为:离道路中心线距离越大路面的地表沉降值就逐渐减小。

图6中将传统台后回填宕渣和回填EPS 轻质混凝土两种不同的方法在处置10a 后的地表沉降进行比较。在同一纵向线形上,EPS 轻质混凝土处治桥头地

基后地表沉降显然要小很多,沿道路中心线路线线形要平缓些;且距桥台距离越近,EPS 轻质混凝土填筑

时的纵坡坡差明显小于回填宕渣的情况。

图6 两种处置方法下地表沉降比较

Fig 16 Comparison of surface settlements resulted from

two treatment methods

由于EPS 轻质混凝土的刚度较一般土体刚度大,为避免处治区与未处治区搭接处发生台阶式沉降差,在桥后填筑时底部距基础内缘不小于2m,由基础底面按1B 115的比例放坡至路基表面。在本实桥试验研究中采用该斜坡式搭接沉降过渡效果较好。

(2)横向变形(X 向)

由于该桥头为路桥斜交的情况,此时在荷载作用下路基底部道路边缘对应处土体侧向位移是不相同的。图7为两种不同处置方法下路基底部两侧边缘沿路横向的位移,可见在换填区钝角处侧向位移较明显,在锐角区侧向位移变形不大;回填宕渣处治时,路基底部的侧向位移比轻质换填情况下要大,相应产

生的竖向沉降也会较大。

图7 路基底部两侧边线横向变形比较Fig 17 Comparison of lateral deformations along

the sideline of roadbed bottom

(3)纵向变形(Y 向)

图8是桥头处治区底部的粘土层向河中心的纵向位移,可见存在不同程度的向河中心纵向位移,且路中心处推挤现象更为显著,依次向路两侧递减;同时

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第7期 孙 筠,等:软土地基台后回填EPS 轻质混凝土沉降分析

回填宕渣处治时的纵向变形较回填EPS 混凝土为明显,也印证了实桥维修处治前原台前土坡被向河中心推挤严重的情况。采用EPS 轻质混凝土换填后对原

桥台的推挤作用要小很多。

图8 桥头路基纵向位移图Fig 18 Longitudinal displacement curve of

roadbed of bridge approach

413 固结沉降随时间的变化曲线

软土地基上地基发生的沉降较大部分是由软土固结沉降引起的,图9是固结计算后桥头路基底部的沉降量随时间的变化曲线。此处由于路面结构层及EPS

混凝土的自身压缩值都很小,忽略不计,将地面现场实测沉降值与理论计算值进行比较。在道路正常运营后3个月左右,沉降变化较明显,完成预计总沉降的35%,随时间发展沉降变化率减小,沉降趋于稳定;离桥台较近处沉降量较小,远离桥头则沉降量相对较大;路基锐角处的沉降量较小,钝角处的沉降量相对

较大。

图9 桥头路基沉降值变化曲线

Fig 19 Settlement curves o f roadbed of bridge approach

5 结论

本文采用有限元数值方法对已建桥梁桥台台后回填EPS 混凝土进行考虑固结效应的受力及沉降变形特性分析,并与普通宕渣回填处治台后的分析结果及试验测试结果进行对比,可以得出如下结论。

(1)采用EPS 轻质混凝土进行台后换填时,沿道路纵向地表沉降呈弧线形。填筑完通车后,离桥头距离越大孔压增量越大,在前3个月内消散速度较快,

由此产生的沉降也大,其后孔压随时间慢慢消散转化为土颗粒之间的有效应力。

(2)通过有限元数值模拟分析可以看出,将EPS

混凝土作为台后填筑物来控制路桥沉降差是可行的,且与通车以来实测的路表沉降数据相比较,吻合较好。

(3)通过两种不同换填材料计算结果的对比分析,可以看出EPS 混凝土作为台后填料相比普通的回填宕渣容重小,整体作用良好,对下部软基的附加应力变小,路基产生沉降减小,且对桥台的侧向推挤力也减弱。

(4)对斜交桥桥台,在换填区钝角处侧向位移较

明显,在锐角区侧向位移变形不大;回填宕渣处治时,路基底部的侧向位移比轻质换填情况下要大,且路中心处的推挤现象更为显著,依次向路两侧递减;同时桥台后路面的竖向沉降也相应较大。

(5)由于EPS 轻质混凝土本身的刚度较一般土体大,应处理好换填区与未换填区的连接部分,以免因刚度突变造成二次跳车,本试验中采用斜坡式搭接沉降过渡效果较好,便于刚度的缓和过渡。

因此,EPS 轻质混凝土作为一种路基换填料能够增大台后路基的刚度,起到路桥结合段之间刚柔过渡的作用,能适当的减小路桥过渡段的沉降差,缓解桥头跳车现象,是桥头养护维修又一良好处治方法。

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