不同預(yù)制梁臺座對軟基差異沉降的影響分析

王風(fēng)波， 計(jì) 鵬

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

公路建設(shè)過程中，受到客觀因素限制，預(yù)制梁場需要布置在軟基路堤上[1-2]。受到梁體自重和運(yùn)輸車輛動載等局部不均勻荷載的影響，使得預(yù)制梁場下的軟土路基更易產(chǎn)生較大的差異沉降[3]。為減小因梁體自重荷載導(dǎo)致的較大的軟基沉降，需要在預(yù)制梁下設(shè)置臺座[4]。

目前，關(guān)于預(yù)制梁場下軟基路段的沉降問題[5-6]和預(yù)制梁臺座的布設(shè)問題[7-8]，許多學(xué)者已經(jīng)開展了研究，并取得了有益的結(jié)論。馬飛等[9]通過結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬結(jié)果，分析了處于預(yù)壓期軟基路堤上的預(yù)制梁的沉降規(guī)律；李聞[10]基于CFG樁處理的存梁臺座計(jì)算模型，提出箱梁存梁臺座的設(shè)計(jì)應(yīng)由變形控制，并給出存梁臺座施工設(shè)計(jì)流程和步驟。Tommelein和Zouein等[11-13]依靠人工智能以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等工具，開發(fā)相應(yīng)的軟件進(jìn)行預(yù)制梁場地的布置和規(guī)劃。Chiu S L等[14]針對臺灣高鐵項(xiàng)目中鐵路橋的預(yù)制梁場的底模臺座的布置方式進(jìn)行了分析，為預(yù)制梁場滑動底模臺座的設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒。龔燕軼[15]根據(jù)湖泛區(qū)的軟基特點(diǎn)，給出了受載比較集中的門吊軌道基礎(chǔ)和制梁臺座兩側(cè)張拉端以及場坪區(qū)、滑模軌道區(qū)和制梁臺座張拉區(qū)的地基處理方式，并對制梁臺座基礎(chǔ)進(jìn)行了受荷理論驗(yàn)算。

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的研究工作主要是預(yù)制梁場的整體沉降規(guī)律以及預(yù)制梁場臺座的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工方面，考慮不同預(yù)制梁臺座布設(shè)方式，如預(yù)制梁臺座的基礎(chǔ)類型、臺座布設(shè)方向等，對軟基差異沉降將產(chǎn)生不同的影響研究較少。本文擬在分析梁臺座布設(shè)方向、臺座基礎(chǔ)形式的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件Midas/GTS建立三維計(jì)算模型，研究預(yù)制場臺座布設(shè)方向和基礎(chǔ)類型的差異沉降變化規(guī)律，為預(yù)制場的優(yōu)化布設(shè)提供依據(jù)。

1 梁臺座布設(shè)形式

1.1 梁臺座布設(shè)方向

在路基上建造預(yù)制梁場，常見的梁臺座的布設(shè)有橫向和縱向排布兩種方式。類型一：沿路基縱向排布預(yù)制梁臺座，在路基左側(cè)設(shè)置運(yùn)輸通道，在制梁區(qū)的兩側(cè)分別設(shè)置鋼筋場和存梁區(qū)，龍門吊軌道布置在路肩內(nèi)側(cè)1 m的位置；類型二：沿路基橫向排布預(yù)制梁臺座，在路基左側(cè)設(shè)置運(yùn)輸通道，預(yù)制梁臺座沿路基斷面橫向布置。梁臺座布設(shè)方向如圖1所示。

圖1 預(yù)制梁臺座布置方向示意

由上述兩種方案的布置示意圖可知，在梁場布置時由于運(yùn)輸通道的存在，制梁區(qū)在路基頂部的分布沿橫向呈非對稱式分布。同時，制梁臺座上的荷載屬于局部重載，運(yùn)輸通道上的車輛荷載屬于循環(huán)動載。從縱斷面來看這兩種類型的梁座布置形式橫斷面均呈非對稱的荷載分布形式。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，預(yù)制梁場上制梁臺座底模應(yīng)保證撓度≯2 mm，臺座底模上平整度要控制在2 mm以內(nèi)[16]。因此，在路基上布置預(yù)制梁場時，預(yù)制場的布置形式以及梁臺座的局部荷載作用對差異沉降的影響應(yīng)該予以重視。

1.2 梁臺座基礎(chǔ)形式

制梁臺座為預(yù)制梁的澆筑提供了平臺，作為梁片澆筑過程中最主要的承載構(gòu)件。梁片在臺座上完成安裝和拆卸、預(yù)埋件的安裝、混凝土的澆筑以及養(yǎng)生。對于后張法預(yù)應(yīng)力梁，還要在制梁臺座上完成張拉及封錨等工序。預(yù)制梁臺座要承受混凝土、鋼筋骨架及鋼模板及相關(guān)設(shè)備的重力，同時也要承受振搗設(shè)備振搗時產(chǎn)生的高頻率振動帶來的振動荷載。對于整個預(yù)制梁場而言，制梁臺座是重復(fù)使用頻率最高的混凝土構(gòu)件。預(yù)制梁臺座常常根據(jù)地質(zhì)條件分別采用：樁基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)和條形淺基礎(chǔ)形式(圖2)。一般情況下樁基礎(chǔ)沉降較小，因此本文主要探討在公路預(yù)制場中常使用的條形淺基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)作用下，臺座周邊的沉降及差異沉降變化規(guī)律。

圖2 常見的梁臺座基礎(chǔ)

2 有限元分析簡化

2.1 工程概況

某公路位于魚塘分布密集、種植地和居民區(qū)集中地帶，受地質(zhì)因素影響，預(yù)制梁場需設(shè)置在軟土路基上。根據(jù)地質(zhì)勘查資料和軟基處理設(shè)計(jì)資料，填土高度8 m，路堤頂部寬26 m，邊坡按1∶1.5進(jìn)行放坡，地基壓縮土層自上而下為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)粘土，厚度分別為15 m和25 m，下臥中風(fēng)化巖為基巖。軟基處理方式為預(yù)制管樁復(fù)合路基，管樁完全穿過軟土層。地基處理前，地表填筑1 m厚的砂墊層。

2.2 模型參數(shù)簡化

本文基于有限元軟件Midas/GTS建立三維計(jì)算模型，對不同預(yù)制梁臺座下軟基差異沉降進(jìn)行分析。計(jì)算模型取自地表至地表以下50 m為計(jì)算深度，水平方向取120 m為計(jì)算寬度。根據(jù)地質(zhì)勘查資料和所取土樣室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，確定如表1所示的地基土層及其物理力學(xué)參數(shù)。為便于有限元計(jì)算，除砂墊層選用線彈性模型外，各土層均選用摩爾-庫倫模型進(jìn)行計(jì)算。

表1 地基材料計(jì)算參數(shù)匯總

2.3 預(yù)制管樁的簡化

利用Midas/GTS軟件提供的樁單元進(jìn)行預(yù)制管樁復(fù)合路基的模擬計(jì)算，管樁采用幾何直線進(jìn)行刻畫，并采用樁單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時賦予樁圓環(huán)形的管樁截面屬性，如圖3所示。

圖3 樁單元模型

3 不同臺座布設(shè)方向下的差異沉降

3.1 計(jì)算模型的建立

為了分析軟基路段不同臺座布置方向的差異沉降變化規(guī)律，針對臺座排布方向的不同，建立三維有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析，其中預(yù)制梁臺座長度均取20 m。預(yù)制場臺座布置圖和臺座編號如圖4所示，計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 臺座布置示意

圖5 預(yù)制場不同臺座排布方向

3.2 沿路堤縱向差異沉降規(guī)律

當(dāng)梁臺座按縱向布置時，梁臺座周邊沉降曲線如圖6所示?？紤]對稱性，僅分析1～8號梁臺座沉降情況。

(5) 單邊磁拉力(以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行15 g的加速度下產(chǎn)生的徑向位移所對應(yīng)的磁拉力與“掃膛”零界位移對應(yīng)的磁拉力的加權(quán)平均值計(jì)12 289.5 N)。

圖6 縱向布置臺座沿長度方向沉降曲線

從圖6可以看出：當(dāng)梁臺座縱向布置時，1～4號梁臺座沿臺座方向沉降呈左側(cè)偏小，右側(cè)偏大；5～8號梁臺座沿臺座方向呈現(xiàn)對稱趨勢；且處于梁場中部的5～8號臺座總體沉降量更大。

因沿臺座長度方向沉降曲線成拋物線形式，臺座兩端沉降變化速率較大，因此通過分析各臺座兩端2 m長度內(nèi)最大沉降差來研究臺座差異沉降，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 縱向布置臺座兩側(cè)2 m長度內(nèi)最大差異沉降 mm

表2給出了各梁臺座每2 m長度上最大不均勻沉降值，可以看出處于外側(cè)的1～4號臺座整體的最大差異沉降要比處于內(nèi)側(cè)的5～8號臺座要大。對于每個斷面而言，可以看出越靠近路面中心的臺座，臺座2 m長度上最大差異沉降值越大。1～4號斷面上為2號梁臺座差異沉降最大，最大差異沉降為0.74 mm，5～8號斷面上為7號臺座差異沉降最大，最大差異沉降為0.49 mm。當(dāng)采用預(yù)制管樁處理時，預(yù)制梁場的最大差異沉降值均小于1 mm，處于規(guī)范要求的2 mm安全范圍之內(nèi)。

3.3 沿路堤橫向的差異沉降規(guī)律

當(dāng)梁臺座按橫向布置時，梁臺座周邊不均勻沉降規(guī)律如圖7和圖8所示。由于橫向布置模型關(guān)于9號梁臺座對稱，故只取1～9號梁臺座進(jìn)行分析。

圖7 橫向布置臺座沿長度方向沉降曲線

圖8 橫向布置臺座每2 m長度上最大差異沉降

從圖7可以看出：當(dāng)梁臺座橫向布置時，梁臺座沿長度方向的沉降規(guī)律與縱向排布類似，均為兩側(cè)小中間大。其中，從1號梁臺座到9號梁臺座，沉降量逐漸增大，最大沉降在9.9～14.6 mm之間變化。同時可以發(fā)現(xiàn)，從5號梁臺座到9號梁臺座的沉降量增速已經(jīng)明顯減小，各臺座沉降量基本接近。

圖8給出了各梁臺座每2 m長度上最大不均勻沉降值，即圖7中各曲線每2 m橫坐標(biāo)上斜率的最大值?？梢钥闯?，橫向布置時兩側(cè)的不均勻沉降明顯小于中間的不均勻沉降值。最大不均勻沉降1.04～1.28 mm，增加了23%。

綜合預(yù)制梁臺座分別按縱向和橫向布置時的差異沉降分析，可以看出預(yù)制管樁處理軟基條件下，當(dāng)梁臺座按橫向排布時，在施加梁荷載后，梁場中部的梁臺座總沉降量和2 m長度上的最大差異沉降量均要比外側(cè)大。同時，對比縱向排布時數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，橫向布置時每2 m長度上最大差異沉降量雖然仍滿足規(guī)范要求，但較縱向排布已經(jīng)明顯增大。

4 不同臺座類型下的差異沉降分析

4.1 計(jì)算模型的建立

為了分析軟基路段臺座縱向布置時不同臺座基礎(chǔ)類型的差異沉降變化規(guī)律，采用有限元軟件建立三維有限元計(jì)算模型。有限元計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 臺座基礎(chǔ)形式計(jì)算模型

4.2 預(yù)制梁臺座采用條形淺基礎(chǔ)

當(dāng)制梁臺座采用條形淺基礎(chǔ)計(jì)算時，沿預(yù)制梁臺座沉降曲線如圖10所示。

在路基上縱向布設(shè)的制梁臺座，在加上梁荷載前后，臺座上最大沉降量為11.6 mm，沉降曲線與路堤斷面沉降盆曲線類似，呈中間沉降量大，兩側(cè)沉降小。在臺座兩側(cè)的差異沉降最大，最大差異沉降為0.34和0.41 mm。

4.3 預(yù)制梁臺座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)

當(dāng)制梁臺座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)計(jì)算時，如圖11所示。

圖10 條形淺基礎(chǔ)臺座沉降曲線

圖11 擴(kuò)大基礎(chǔ)臺座沉降曲線

在路基上縱向布設(shè)的制梁臺座，在加上梁荷載前后，臺座上最大沉降量為8.5 mm，沉降曲線與條形淺基礎(chǔ)的類似，呈中間沉降量大，兩側(cè)沉降小。在臺座兩側(cè)的差異沉降最大，最大差異沉降為0.12和0.10 mm。

綜上可知，當(dāng)臺座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時，臺座總體沉降量比淺基礎(chǔ)明顯減小，最大沉降量由11.6 mm降低到8.5 mm；同時，臺座的2 m長度上的不均勻沉降量由0.41 mm降低至0.12 mm。當(dāng)預(yù)制場臺座采用淺基礎(chǔ)處理時，臺座上總沉降量及最大不均勻沉降量均比采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時要大。當(dāng)臺座基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時，由于臺座受荷面積增大，能夠有效地降低臺座總沉降量，同時臺座的整體剛度得到了增強(qiáng)，能夠有效地降低最大差異沉降量。

5 梁場監(jiān)測情況

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，該公路軟基路段預(yù)制梁場采用縱向布設(shè)預(yù)制梁臺座，臺座基礎(chǔ)形式采用了擴(kuò)大基礎(chǔ)。在預(yù)制梁場建成后，為監(jiān)測預(yù)制梁臺座的差異沉降，確保預(yù)制梁的整體性，在臺座周圍布設(shè)表面沉降觀測釘。沉降釘布設(shè)示意圖如圖12所示。

圖12 沉降釘現(xiàn)場布置

預(yù)制梁澆筑至完成耗時21 d，預(yù)制梁場工作期間的梁臺座沉降釘監(jiān)測情況如表3所示。

表3 梁臺座差異沉降監(jiān)測情況

注：A-1-1、A-1-2、A-1-3和A-1-4表示A-1梁臺座由左至右的4個沉降釘。

由表3可知，沿梁臺座沉降情況與圖11中計(jì)算結(jié)果一致，即呈中間沉降量大，兩側(cè)沉降量小。在預(yù)制梁澆筑至完成過程前后，最大差異沉降為1.9 mm，滿足規(guī)范要求。雖然實(shí)際差異沉降值略大于有限元計(jì)算結(jié)果，考慮實(shí)際施工中受到施工擾動情況，表明本文有限元計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1)預(yù)制管樁處理軟基條件下，當(dāng)梁臺座按橫向排布時，在施加梁荷載后，梁場中部的梁臺座總沉降量和2 m長度上的最大差異沉降量均要比外側(cè)要大。

(2)橫向布置時每2 m長度上最大差異沉降量雖然仍滿足規(guī)范要求，但較縱向排布已經(jīng)明顯增大。建議優(yōu)先縱向布設(shè)預(yù)制梁臺座。

(3)當(dāng)臺座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時，臺座總體沉降量比淺基礎(chǔ)明顯減小，最大沉降量由11.6 mm降低到8.5 mm；同時，臺座的2 m長度上的不均勻沉降量由0.41 mm降低至0.12 mm。軟基路段上布設(shè)預(yù)制梁場建議優(yōu)先選用擴(kuò)大基礎(chǔ)臺座。