對減少公路路橋沉降差的設(shè)計及措施探討

高澤雨

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019)

對減少公路路橋沉降差的設(shè)計及措施探討

高澤雨

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019)

結(jié)合某公路路橋改擴(kuò)建工程實(shí)例，以預(yù)應(yīng)力管樁方案為研究對象，引入有限元計算方法對減少沉降差的優(yōu)化設(shè)計問題進(jìn)行研究，提出優(yōu)化沉降差控制設(shè)計方案的相關(guān)因素。

橋梁；沉降差；設(shè)計

1 工程概況

本公路橋梁設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，路面路基寬度26.0 m，兩幅中間間隔距離為2.0 m。全線共分布有7座大橋，結(jié)構(gòu)形式均為預(yù)應(yīng)力空心板橋，樁基基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為提高公路路橋荷載等級以及使用性能，擬采用雙側(cè)加寬方式對路面進(jìn)行加寬改造，并針對不均勻沉降問題進(jìn)行綜合處治。

2 設(shè)計方案

既往大量工程經(jīng)驗(yàn)表明：在公路路橋改擴(kuò)建工程中，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)具有成樁速度快、樁基質(zhì)量可靠、結(jié)構(gòu)承載力高、沉降差控制效果好等優(yōu)勢。目前，在工業(yè)、民用建筑中，預(yù)應(yīng)力管樁應(yīng)用非常廣泛，對提高建筑結(jié)構(gòu)承載力水平，合理控制沉降差異均有重要意義。本研究中公路路堤荷載水平小，因此從承載力上考慮可滿足要求，設(shè)置預(yù)應(yīng)力管樁的主要目的是對沉降差異的控制。同時，考慮到預(yù)應(yīng)力管樁較常規(guī)水泥土樁工程造價更高，且樁身強(qiáng)度大、承載力高，因此在本工程復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計過程中充分發(fā)揮樁—土共同作用，通過疏化樁距的措施使預(yù)應(yīng)力管樁相關(guān)作用充分發(fā)揮出來。

同時，為避免預(yù)應(yīng)力管樁向上對土體造成刺入破壞影響，在管樁頂部需設(shè)置樁帽防護(hù)，樁帽頂部加鋪設(shè)碎石墊層。由于樁基—土體剛度差異大，因此在碎石墊層中還可增設(shè)一層土工格柵，以提高碎石墊層整體剛度，形成樁—網(wǎng)墊層復(fù)合地基，以發(fā)揮土體作用。

3 設(shè)計優(yōu)化

在本工程應(yīng)用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)對沉降差異進(jìn)行控制的過程中，影響地基沉降情況的因素包括樁體自身、樁體—樁間土相互作用、樁體長度、樁帽半徑、墊層高度、樁體模量等。在預(yù)應(yīng)力管樁沉降計算中必須綜合考慮上述因素，故以下通過MARC程序系統(tǒng)分析相關(guān)主要因素對公路路橋改擴(kuò)建工程中加寬路堤荷載下復(fù)合地基沉降的影響，進(jìn)而針對基于沉降差異控制的管樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計提供意見與建議。

3.1 基本參數(shù)

如圖1所示為本工程典型有限元計算模型。模型中樁基中心距為2.4 m，選擇路堤長度方向兩端作為典型路段，中心對稱面、側(cè)面各節(jié)點(diǎn)均無水平位移，底邊為有限元分析固定邊界，表面則為有限元分析自由邊界。地基土土體厚度為30.0 m(下臥層土土體厚度為20.0 m，加固區(qū)軟土層厚度為10.0 m)。為簡化計算流程，以典型路段1/2寬度作為計算區(qū)域，有限元計算基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

圖1 本工程典型有限元計算模型示意圖

表1 本工程計算區(qū)域有限元計算基礎(chǔ)參數(shù)示意表

3.2 主要工況

A工況：本工況主要針對樁帽等效半徑與樁基等效半徑比對復(fù)合地基沉降性能的影響進(jìn)行分析。對樁體半徑取值1.36 m恒定不變，樁帽等效半徑在0.45 m、0.56 m、0.67 m下的復(fù)合地基沉降性能進(jìn)行觀察。

B工況：本工況主要針對樁體模量對復(fù)合地基沉降性能的影響進(jìn)行分析。預(yù)應(yīng)力管樁樁徑取值60.0 cm，樁長取值12.0 m，樁間距取值2.4 m，路基拓寬取值8.0 m，填方高度取值4.0 m，對樁基模量在40.0 GPa、50.0 GPa、60.0 GPa、70.0 GPa、80.0 GPa條件下的復(fù)合地基沉降性能進(jìn)行觀察。

C工況：本工況主要針對樁體長度對復(fù)合地基沉降性能的影響進(jìn)行分析。預(yù)應(yīng)力管樁樁徑取值60.0 cm，樁體模量取值60.0 GPa，樁間距取值2.4 m，路基拓寬取值8.0 m。對樁基長度在6.0 m、8.0 m、10.0 m、12.0 m條件下的復(fù)合地基沉降性能進(jìn)行觀察。

3.3 計算結(jié)果

A工況分析結(jié)果如下圖所示(見圖2)。圖2中顯示：當(dāng)樁體半徑取值1.36 m恒定不變，樁帽等效半徑在0.45 m、0.56 m、0.67 m下(即樁體半徑與樁帽等效半徑比值在0.33、0.41、以及0.49條件下)，復(fù)合地基沉降量呈現(xiàn)出減小取值(自55.4 m下降至53.1 m)。分析認(rèn)為主要因素是：增大樁帽尺寸實(shí)質(zhì)上降低了樁帽間土體所承受荷載作用力水平。同時，隨著預(yù)應(yīng)力管樁樁體模量以及樁體半徑與樁帽等效半徑比值的增加，復(fù)合地基沉降量顯著下降。根據(jù)圖2數(shù)據(jù)可知：在本案例中，若樁體模量越大，則可通過設(shè)計較大樁帽的方式提高預(yù)應(yīng)力管樁沉降差異控制效用的發(fā)揮。

圖2 樁帽等效半徑與樁基等效半徑比對復(fù)合地基沉降性能的影響示意圖

B工況分析結(jié)果如圖3所示。圖3中顯示：隨著預(yù)應(yīng)力管樁樁體模量的增加，復(fù)合地基沉降量有一定的下降趨勢。且對于加固區(qū)而言，頂面沉降量顯著高于底面。該特征提示預(yù)應(yīng)力管樁能夠顯著提高加固區(qū)復(fù)合模量水平，同時降低加固區(qū)壓縮量。但對于下臥層而言，預(yù)應(yīng)力管樁樁體模量增加對其沉降的影響相對較少。根據(jù)圖3數(shù)據(jù)可知：在本案例中，樁體模量同樣是沉降量優(yōu)化設(shè)計中不容忽視的因素之一。

圖3 樁體模量對復(fù)合地基沉降性能的影響示意圖

C工況分析結(jié)果如圖4所示，圖4中顯示：隨著預(yù)應(yīng)力管樁樁體長度的增加，復(fù)合地基頂面沉降峰值有一定的下降趨勢。樁計算長度對地基頂面沉降的影響曲線的斜率越大，長越小，對復(fù)合地基最大沉降量的影響越為明顯。在本案例中：在樁體模量較小情況下，管樁長度應(yīng)當(dāng)能夠穿越軟弱土層，以提高沉降差處置效果。

圖4 樁體長度對復(fù)合地基沉降性能的影響示意圖

4 結(jié)束語

綜合本研究有限元計算結(jié)果得出以下結(jié)論：(1)若樁體模量越大，則可通過設(shè)計較大樁帽的方式提高預(yù)應(yīng)力管樁沉降差異控制效用的發(fā)揮；(2)樁體模量同樣是沉降量優(yōu)化設(shè)計中不容忽視的因素之一；(3)在樁體模量較小情況下，管樁長度應(yīng)當(dāng)能夠穿越軟弱土層，以提高沉降差處置效果。

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2016-05-11

U412

C

1008-3383(2017)02-0024-02