高架桥基础承台开挖引起的路面差异沉降控制方法研究

邓超

(江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013)

1 引言

随着城市化进程的不断推进，交通运输量明显上升，城市道路建设力度不断加大。但是像公路扩建、高架承台施工等带来的新老路基之间的差异沉降问题也需解决。由于新路基与老路基之间的刚度不同，使得新老路基路面在长期车辆荷载作用下产生明显的差异沉降，沉降过大则会使路面变形与开裂。因此，需要采取一些经济与有效的控制措施来减小新老路基间的差异沉降。

近年来，众多学者对差异沉降的产生做了许多研究，并提出了一系列的解决办法。邱伟等采用聚苯乙烯泡沫(EPS)置换路堤填土以减小基底附加应力，以此解决软土路基的不均匀沉降问题；唐朝生等运用FLAC3D软件对高速公路上新老路基拼接中产生的差异沉降进行了数值模拟分析，并且对路基的变形发展及应力集中和分布情况做了研究；吴跃东等根据高速公路拼宽路段的沉降监测数据，分析认为复合地基能够控制差异沉降；刘荫成运用Abaqus有限元软件建模并分析了在交通荷载作用下的近桥台处产生的差异沉降。

同时土工格栅作为一种有效的加筋材料，在公路领域被广泛运用以减小路面沉降。胡卫国等通过室内试验对土工格栅的加筋作用做了机理分析，并通过数值模拟得出加筋路堤中最优的加筋位置与格栅长度；刘凯等研究建议级配碎石基层沥青路面中级配碎石的模量与厚度，并且从路面结构抗开裂性能与疲劳寿命方面考虑确定最佳格栅铺设位置；杨广庆等为了减小高速公路路基扩建后新老路基之间的差异沉降，提出了一种道路路基加宽锚固加筋新技术，为路基加宽提供了一种新的控制沉降的方法；汪益敏等通过自行设计与制造的模型试验系统进行试验，发现铺设土工格栅能够减小软土地基拓宽路堤的沉降；观祖保等通过试验与有限元分析发现挡块式土工格栅能够解决普通土工格栅锚固长度不足的问题，对解决新老路基结合处的沉降问题具有重大参考意义；冷景岩等通过数值模拟和现场试验的方法研究了路基结构的沉降特性，认为加筋路基适用于公路软土地基；唐咸远等通过有限元软件，分析了玻纤格栅在路面改建工程中新旧路面搭接处的作用，为相关工程提供合理建议。

该文背景工程为上海市济阳路快速化改建工程，济阳路是上海市中心城区“一横三环+十字九射”快速路系统的组成部分之一。工程采用“高架快速路+地面道路”的断面布置形式，主线北接卢浦大桥引桥，跨越川杨河接中环线立交，向南跨越外环线立交后接浦星公路芦恒路节点改善工程。工程采用水泥搅拌桩、带托盘的TC管桩和高压旋喷桩进行地基处理，且考虑回填材料使用二灰土、EPS和气泡混凝土。改建工程新建高架4.55 km，主线均为高架桥梁，其中高架桥基础承台施工时需要开挖基坑并回填，由此会产生新老路基路面的差异沉降问题,拟铺设土工格栅来控制路面沉降。该文通过有限差分软件FLAC3D对该改建工程进行建模分析，研究土工格栅层数、模量、位置、回填材料以及开挖方式对路面差异沉降的影响，探究控制差异沉降的最优措施，以期对工程有所裨益。

2 计算模型建立与荷载形式的选择

为了研究在车辆荷载作用下高架桥下基础承台施工开挖基坑后回填对路面产生的差异沉降，建立三维模型进行模拟分析。由于道路是对称的，为了提高计算效率，故取一半的承台与一侧的道路进行建模，模型如图1所示。道路的路面结构层分别采用0.3 m沥青混凝土面层，基层为0.4 m水泥碎石基层，垫层采用0.3 m的级配碎石。承台高度取2 m，承台宽度4 m，土层厚度分别为：老路基5 m，粉质黏土1.5 m，淤泥质粉质黏土3.5 m，淤泥质黏土7 m。模型中间部分为道路，道路设置为三车道，行车道宽度11.5 m，且车道右侧设置为人行道。开挖基坑底部长1 m，在承台埋入后进行回填。模型设置的x方向长度为22.5 m，y方向长度取承台长度的一半为3.5 m，模型的数值参数见图2。

图1 三维模型图(单位：m)

图2 模型剖面图(单位：m)

在计算过程中需要设置一些沉降监测点。为了分析新老路基路面的差异沉降，以道路左侧坐标为x=0，在行车路面设置一些沉降监测点，且监测点y坐标都为1.75 m，即取模型y向中心点进行监测，记录在车辆荷载作用下路面的竖向位移以及产生的差异沉降。

计算过程中软件定义的边界条件如下：

(1) 在x=0和x=22.5 m平面上沿x轴方向水平固定。

(2) 在y=0和y=3.5 m平面上沿y轴方向水平固定。

(3) 在z=0平面上沿z轴方向垂直固定。

车辆荷载以双轮组单轴100 kN为标准轴载，轮胎对路面的压强为0.7 MPa，汽车左右两轮的中心间距为1.8 m，轮胎的宽度为0.2 m。鉴于快速路车流量大，车辆荷载作用频率高的特点，为了简化计算，车辆荷载采用宽度0.2 m，长度3.5 m的条形荷载来模拟，条形荷载的压强为0.7 MPa。由于行车道为三车道，故模拟有3列汽车同时在车道中心行驶的情况，施加6组条形荷载作为车辆荷载进行计算。由于研究内容为新老路基间的差异沉降，故只考虑行车道上的车辆荷载，对于车道右侧的人群荷载不作考虑。

3 模型参数选取

FLAC3D软件中建模需要选择相应的本构模型，各个土层及基坑填砂均采用摩尔-库仑塑性模型，承台和路面结构层都采用弹性模型。在本构模型选取后再分别进行模型参数的赋予。模型的土层参数以及模型基本材料参数见表1、2。土工格栅采用FLAC3D自带的Geogrid单元进行模拟，采用弹塑性本构模型，具体参数见表3。

表1 土体参数

表2 模型基本材料参数

表3 土工格栅材料参数

4 结果分析

4.1 土工格栅层数对路面差异沉降的影响

土工格栅有较好的延展性、张力和柔韧性，铺设在路面结构层中可以与路面结构层成为一个整体，使所受的车辆荷载更好地分散，提高路面整体承载能力，减小路面的不均匀沉降。由于承台施工需要开挖基坑并回填，所以将格栅铺设在路面结构层中，若铺设在老路基中则将增加铺设时的施工难度，并且铺设成本也将加大。该文模拟分析时最多采用3层格栅，其中第1层铺设在面层与基层的交界处，第2层铺设在基层与垫层交界处，第3层铺设在垫层与老路基交界处。在行车道下整体铺设土工格栅，探究土工格栅对减小差异沉降的作用。分析时定义开挖基坑上部路面沉降最大处与行车道老路基上部路面中心点处(x=7.25 m)的沉降差值作为差异沉降来分析，以此评估格栅的效果(图3)。

图3 格栅层数对差异沉降的影响

由图3可知：随着格栅铺设层数的增加，行车路面沉降值普遍减小，且差异沉降也逐步减小。无格栅时两者差异沉降为0.75 cm，而铺设1、2、3层格栅时差异沉降分别为0.30、0.25和0.19 cm。由此可见，通过增加铺设格栅的层数可以明显减小路面沉降和不均匀沉降，并且随着格栅层数的增加，格栅加筋效果减弱。此外，不铺设格栅情况下的新老路基结合处(x=3 m)的路面沉降值最大，但是通过铺设多层土工格栅，可以提高新老路基的整体稳定性，使车辆荷载能够分摊到更多土体上，明显减小新老路基的差异沉降。

4.2 格栅铺设位置对路面差异沉降的影响

工程中格栅的铺设位置也会对格栅的效果产生影响，故在不同位置铺设单层格栅进行对比分析，模拟铺设格栅的位置分别在面层与基层交界处(位置1)、基层与垫层交界处(位置2)、垫层和路基交界处(位置3)(图4)。

图4 格栅位置对差异沉降的影响

由图4可知：在3个位置铺设的格栅均能起到降低路面沉降的作用，但效果有限。在不同位置铺设格栅后的路面差异沉降值分别为0.30、0.50和0.60 cm，都小于不铺设格栅时的0.75 cm。其次，在位置1铺设的单层格栅效果最优，而其他两处位置铺设的格栅均有效，且效果相差不大。故实际工程中若只铺设单层格栅，建议铺设在面层与基层的交界处，倘若条件允许，建议铺设多层格栅。

4.3 格栅弹性模量对路面差异沉降的影响

弹性模量是工程材料的一个重要参数指标，土工格栅的弹性模量不同，导致其力学性能也不同。通过对几种不同弹性模量的格栅进行模拟分析，得出能降低新老路基差异沉降的最优弹性模量值，为工程选用格栅提供一定的参考意义。图5分别采用弹性模量为10、15、20和25 GPa的土工格栅进行模拟分析，并且在考虑格栅模量的影响时控制格栅的铺设层数相同，都为3层格栅。

图5 弹性模量对差异沉降的影响

由图5可知：随着格栅模量的增加，行车路面的沉降普遍减小，且新老路基之间的差异沉降也明显减小。当土工格栅的模量逐步增加时，新老路基结合处的沉降由最大变为与周围沉降相当，使得路面的不均匀沉降减小。当格栅模量从10、15、20 GPa增加到25 GPa时，差异沉降分别为0.49、0.29、0.19和0.11 cm，相对于不铺设格栅时的0.75 cm都有不同程度的减少。此外，格栅模量越大，路面的整体性越好，对承担车辆荷载后产生的沉降与沉降不均匀性也有极大改善，故推荐选用弹性模量较大的土工格栅。

4.4 基坑回填材料对路面差异沉降的影响

二灰土是利用废料粉煤灰、石灰与土料混合作为地基回填土的一种新型材料，具有强度高、稳定性好、施工方便、经济效果好等特点。近几年逐渐应用在公路领域，并且取得了良好的效果。实际工程中常采用回填砂作为回填材料进行回填，但无法大幅度减少差异沉降，故模拟采取二灰土这一新型材料进行回填。二灰土的材料参数参考文献[14]，取值如表4所示，得到回填材料对路面差异沉降的影响如图6所示。

表4 二灰土材料参数

图6 回填材料对差异沉降的影响

由图6可知：将二灰土作为新的回填材料可以大幅度减小新老路基的差异沉降，差异沉降由0.75 cm减小为0.35 cm。此外，在铺设3层土工格栅的基础上，同时使用二灰土回填，探究控制差异沉降的最优方式。两种方法结合时的最大沉降为6.72 cm，而铺设3层二灰土时最大沉降为7.43 cm，故两种方式结合能最大程度地减小路面沉降，且在减小差异沉降方面也有一定优势。因此，在工程中可采用铺设格栅与二灰土回填的方式来最大限度地减小路面沉降与新老路基的差异沉降。

4.5 开挖方式对路面差异沉降的影响

在高架桥承台施工时需要开挖一个小型的基坑作为承台施工的作业面，而基坑的开挖方式一般有放坡开挖和台阶开挖两种。当采用放坡开挖时，土方放坡系数为1.25，而采用台阶开挖时，采用5阶台阶进行开挖，每阶台阶高0.5 m，具体开挖示意图如图7所示。运用软件分别建模分析两种开挖方式对路面沉降的影响，且回填材料都使用回填砂，不铺设格栅，单纯对比开挖方式的影响，探究最佳的开挖方式，所得计算结果见图8。

图7 开挖方式示意图(单位：m)

图8 开挖方式对差异沉降的影响

由图8可知：不同的开挖方式对路面沉降产生一定的影响，且采用台阶开挖后回填的路面沉降大于放坡开挖。采用台阶开挖时新老路基结合处的最大沉降为9.06 cm，而放坡开挖时为8.86 cm。此外，放坡开挖时差异沉降为0.75 cm，优于台阶开挖时的0.91 cm，故在考虑基坑开挖方式时，推荐采用放坡开挖。

5 结论

(1) 新老路基结合处的沉降是路面沉降最大处，且土工格栅的层数和模量对新老路基差异沉降的影响较大。随着格栅铺设层数的增加，格栅作用效果增加，但格栅的加筋效果减弱。此外，格栅模量越大，新老路基的差异沉降越小。

(2) 土工格栅的不同铺设位置都能起到减小新老路基差异沉降的效果，且在面层与基层交界处铺设格栅的效果最优。铺设单层格栅的作用有限，可以铺设多层格栅来增加格栅的效果。

(3) 二灰土作为一种新型的基坑回填材料，能够大幅度减小路面沉降，且对新老路基的差异沉降也有明显作用。采用二灰土回填与铺设格栅的方式结合使用，能够最大程度减小新老路基的差异沉降。

(4) 基坑的开挖采用放坡开挖能够局部减小路面的沉降，并且对差异沉降也有效果，但作用效果有限。