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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OO五年二月路桥过渡段路基修筑技术研究报告,简本.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
2、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
3、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
4、、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 就沉降曲线的特征作了分析,具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
5、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,
6、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,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
7、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)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
8、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。止匕外,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
9、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,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
10、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。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
11、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,具破坏时 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
12、。1(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
13、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、非线性邓肯一张模型、 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
14、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,其受力状态
15、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