透水性混凝土樁在橋頭跳車處治中的適用性研究

于一凡，張宏博，黃大偉，宋修廣

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061;2.山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東濟南 250061)

橋頭跳車是由于線橋過渡段的差異沉降使路面縱坡出現(xiàn)臺階引起車輛的跳躍現(xiàn)象。如何降低橋頭跳車的危害一直是工程界關(guān)注的問題。工程中常用的一些方法，諸如設(shè)置橋頭搭板［1］、強夯［2-3］、堆載預(yù)壓［4-5］，以及碎石樁、攪拌樁、CFG樁等［6-8］均有一定成效;但由于上述方法各有各的適用條件，施工工期、施工成本也不盡相同，工程設(shè)計中仍期待線橋過渡段地基處理的新方法。本文結(jié)合濟(南)東(營)高速公路的建設(shè)，對透水性混凝土樁在橋頭跳車處理中的適用性進行了研究。

1 工程地質(zhì)條件

濟(南)東(營)高速沿線主要為黃河沖積平原區(qū)，該地區(qū)地勢平坦，土層深厚，河灘高地與河間洼地縱橫交錯，河網(wǎng)密布，地表排水不暢。通過現(xiàn)場調(diào)查與資料分析發(fā)現(xiàn):該地區(qū)地基土質(zhì)以粉土、粉質(zhì)黏土和粉砂等為主，地下水位一般為1.5～3.5 m，已修筑的高速公路工后沉降量較大，臺背路基的工后基準(zhǔn)期沉降量大都會超過15 cm，高填土路段甚至高達40 cm，引起較為嚴(yán)重的不均勻沉降?！豆奋浲恋鼗返淘O(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 017—96)中規(guī)定，橋頭的不均勻沉降應(yīng)控制在10 cm以內(nèi)［9］。正在修建的濟東高速基本為填方路基，路基填筑高度一般在5 m以上，少數(shù)路段高達10 m;設(shè)計使用透水性混凝土樁處治橋頭地基，因此有必要對透水性混凝土樁的承載力、布置方式及處置效果進行研究。

典型路段工程地質(zhì)條件如表1所示［10］。

表1 濟東路樁號K88+208位置處地質(zhì)條件

2 透水性混凝土樁性能分析

2.1 透水性混凝土樁

透水性混凝土是由特定級配的集料、水泥、外加劑、增強劑和水等按特定比例和工藝制成的多孔混凝土。在實際工程中，透水性混凝土樁的成樁可使用振動沉管法。樁體抗壓強度10～20 MPa，滲透系數(shù)一般介于0.1～1.5 cm/s之間。透水性混凝土樁樁體強度高，透水性強，兼具散體樁和剛性樁的優(yōu)點，一方面利用其自身強度提高淺層地基的承載力，減小軟土地基的總沉降量;另一方面，形成豎向排水通道，縮短排水路徑，有利于壓縮層在施工期的排水固結(jié)，盡可能多地消除工后沉降。

通過室內(nèi)試驗，在綜合考慮樁體強度、透水性和水下抗分散性的前提下，設(shè)計出透水性混凝土樁的最佳配合比如表2所示。按此配合比拌合的透水性混凝土孔隙率可達到22%以上，透水效果較好，28 d抗壓強度在10 MPa以上。透水性混凝土成樁及透水性試驗示意如圖1。

表2 透水性混凝土樁推薦配合比 kg/m3

圖1 透水性混凝土樁室內(nèi)成樁及透水性測試

2.2 透水性混凝土樁單樁承載特性試驗［11］

在濟東高速公路現(xiàn)場選取40 m×20 m區(qū)域，采用振動沉管法成透水性混凝土樁9根，樁徑50 cm，樁長10 m，樁距5 m。成樁3月后，選取2根質(zhì)量較好的樁做單樁承載力試驗，以確定其單樁承載力極限值。

單樁承載力試驗采用錨樁法，分別在選取的2根試驗樁周圍對稱打4根錨樁，錨樁為鉆孔灌注樁，樁徑0.5 m，樁長10 m。

試驗流程:試驗進行分級加載，每一級荷載為40 kN，其中第一級取80 kN;每級荷載施加后按第5，15，30，45，60 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀一次;每小時內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次，可加下一級荷載。

當(dāng)出現(xiàn)下列現(xiàn)象之一時，可終止加載:①沉降急劇增大，土被擠出或承壓板周圍的土明顯地出現(xiàn)隆起。②沉降急劇增大，壓力—沉降(Q－S)曲線出現(xiàn)陡降段，或壓板的累計沉降量已大于其寬度或直徑的6%，或不小于100 mm。③當(dāng)不出現(xiàn)極限荷載，而最大加載量已達到設(shè)計要求的2倍。

試驗中當(dāng)加載至第7級荷載時，2根試樁的豎向位移均陡然增大，因此終止加載，其壓力—沉降(Q－S)平均值曲線如圖2所示。

圖2 單樁承載力Q－S曲線

由圖2可知，透水性混凝土樁單樁Q－S曲線在荷載為240 kN之前，樁體豎向位移緩慢增大，240 kN時豎向位移約為2 cm。當(dāng)荷載增大至280 kN時，豎向位移突增至4.3 cm，Q－S曲線發(fā)生陡降，曲線明顯向下彎曲，240 kN位置為Q－S曲線的轉(zhuǎn)折點，故可判斷透水性混凝土樁(樁長10 m、樁徑0.5 m)的單樁豎向抗壓極限承載力為240 kN。

3 處治效果計算分析

3.1 建立模型

以濟東高速樁號K88+208位置處的地質(zhì)條件為例，使用理正巖土軟件建立透水性混凝土樁地基處治模型，對該新樁型的布置方式及處置效果進行設(shè)計計算，分析其在小橋涵及大中橋橋頭處治中的適用性。K88+208位置處路基設(shè)計高度為6 m，設(shè)計頂寬28 m，設(shè)計坡度1∶1.5。

圖3 透水性混凝土樁平面布置(單位:m)

設(shè)計透水性混凝土樁的布置形式為等邊三角形，樁徑0.5 m，布置寬度為路基兩側(cè)坡腳各向外延伸1 m，布置范圍為橋涵底部及兩側(cè)地基各30 m范圍內(nèi)，地基的30 m范圍劃分為A，B，C 3個過渡區(qū)，每個區(qū)的長度為10 m，如圖3所示。加固區(qū)主固結(jié)沉降計算方法采用復(fù)合模量法，基底壓力計算方法按多層土實際重度計算，計算時考慮彌補地基沉降引起的路堤增高量，透水性混凝土樁排水體當(dāng)量直徑折減系數(shù)為0.3，單樁承載力取240 kN，控制工后沉降在20 cm以內(nèi)，差異沉降在10 cm以內(nèi)。按此標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計樁長與樁間距，用理正軟件建立的模型如圖4所示。

圖4 用理正軟件建立的模型(單位:m)

3.2 小橋涵處治結(jié)果(表3)

從表3的處治結(jié)果中可以看出，透水性混凝土樁處治小橋涵的結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定，即最大工后沉降15.8 cm(＜20 cm)，最大差異沉降4.8 cm(＜10 cm)，可以較好地控制橋頭跳車問題。最大樁長12 m，振動沉管施工并不困難。由于小橋涵區(qū)域的換算密度較路基區(qū)域偏小，所以在樁距相同的情況下，過渡區(qū)A使用的樁長偏大。

表3 小橋涵處治結(jié)果(6 m高路基)

3.3 大中橋處治結(jié)果(表4)

從表4的處治結(jié)果來看，工后沉降及差異沉降同樣滿足規(guī)范規(guī)定。

表4 大中橋處治結(jié)果(6 m高路基)

3.4 不同路基填高小橋涵區(qū)處治結(jié)果(表5)

表5 不同路基填高小橋涵區(qū)處治結(jié)果

根據(jù)樁號K88+208位置處的地質(zhì)條件，分析路基填高不同時，透水性混凝土樁處治橋頭跳車的結(jié)果。

從表5可知，對于不同路基填高，透水性混凝土樁處治橋頭跳車的結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定，最大差異沉降僅為4.8 cm。但當(dāng)路基填高為8 m時，最大樁長已增至15 m，此時振動沉管施工已比較困難，且易造成斷樁，若考慮增大樁徑又不經(jīng)濟;所以，透水性混凝土樁適宜處治8 m以下路基填高的橋頭跳車問題。

4 結(jié)論

1)透水性混凝土樁兼具散體樁和剛性樁的優(yōu)點，可提高地基的承載力，加速壓縮層在施工期的排水固結(jié)，減小工后沉降。

2)透水性混凝土樁可有效控制8 m以下路基填高的小橋涵與橋頭路基的差異沉降，但對于大中橋下部地基處治并不適用，可用于處治大中橋橋頭地基。

3)透水性混凝土樁相比同等直徑與樁長的漿噴樁、碎石樁，其單樁承載力明顯偏大，對于軟土地基及地下水位較高的濕陷性黃土地基處的小橋涵修建十分適用。

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