長短樁加筋路基在處治橋頭差異沉降中的研究

章蘇亞，趙騰飛，周潔

(上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司，上海市 200433)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路橋梁工程建設(shè)也有了長足進(jìn)步，每年均有大量新建橋梁、高架橋投入使用。調(diào)查顯示，橋頭跳車現(xiàn)象仍較為普遍。這不僅影響行車舒適度、速度，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，影響人們對公路的總體評價(jià)。

工程中，常從減小路基壓縮變形、減小地基沉降等角度處治橋頭差異沉降問題。李然結(jié)合天津某工程橋頭水泥攪拌樁地基處理方案，應(yīng)用Abaqus有限元軟件，分析了處理范圍、樁長變化、差異樁長設(shè)計(jì)對消除跳車與二次跳車的影響；陳勝偉采用理論分析和數(shù)值計(jì)算方法對軟土路基、PHC預(yù)應(yīng)力管樁、樁帽、土工格柵加筋材料等變形和應(yīng)力進(jìn)行了系統(tǒng)研究；白建明建立立體式的加筋土地基數(shù)值模型,通過改變各項(xiàng)加筋參數(shù),分析影響加筋土地基承載力的各項(xiàng)因素,找出最優(yōu)的加筋形式；馬強(qiáng)在路橋過渡段進(jìn)行了新型三向格柵加筋路堤的現(xiàn)場試驗(yàn),并結(jié)合數(shù)值模擬，分析了加筋橋頭路堤填土的有效長度和作用效果；胡衛(wèi)國基于室內(nèi)三軸試驗(yàn),對加筋土的作用機(jī)理和力學(xué)性能進(jìn)行影響分析；鄭俊杰通過現(xiàn)場試驗(yàn)對樁承式加筋路堤進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果表明：樁承式加筋路堤通過土拱效應(yīng)和張拉膜效應(yīng)將路堤荷載向樁頂轉(zhuǎn)移，從而可有效減小樁間土荷載；葉師鑫通過室內(nèi)滲透試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了氣泡輕質(zhì)填料的物理力學(xué)特性，并基于工況,提出了采用氣泡輕質(zhì)填料水平引孔置換部分路堤處治已通車公路橋頭跳車的方法。

蔣應(yīng)軍根據(jù)對已建公路的調(diào)查，對路橋過渡段沉降類型進(jìn)行歸類，認(rèn)為不均勻沉降主要有以下幾種：縱坡變化、局部沉降和過渡段橫坡變化。針對不同的沉降形式，學(xué)者們提出了不同的控制標(biāo)準(zhǔn)。羊曄認(rèn)為縱坡坡差容許值0.4%是合理的,并進(jìn)一步分析路面縱坡坡差與地基差異沉降的關(guān)系,提出了不同路堤填高情況下路面的縱坡坡差與地基差異沉降的關(guān)系式；陳曉麟?yún)⒄掌嚻巾樞栽u價(jià)方法,建立3個(gè)自由度的車輛-人體-座椅的振動模型,對臺背不同差異沉降對行車舒適性的影響進(jìn)行分析；Zhang建立了基于列車-軌道-橋梁耦合動力學(xué)理論的模型，研究高速鐵路橋墩差異沉降與行駛速度等關(guān)系。

以往的研究大多集中在單一處治方式，該文結(jié)合實(shí)體工程，應(yīng)用FLAC3D軟件建立三維模型，分析長短樁聯(lián)合格柵處治橋頭沉降問題的效果，并分析過渡段縱坡的變化。

2 工程概況

依據(jù)上海市浦東新區(qū)濟(jì)陽路快速路改建工程，濟(jì)陽路北起盧浦大橋引橋，南至閔行區(qū)界，全長約7.1 km，道路規(guī)劃紅線45～70 m。全線3.2 km范圍新建高架橋，高架下部對現(xiàn)有地面道路進(jìn)行改造，地面道路沿線經(jīng)過3處河道，涉及三林北港橋、三林塘港橋和外環(huán)南河橋共3座跨河橋。該文選取道路橫斷面為8.5 m，單向雙車道，道路部分均為新建路基路面工程，路橋交界處的橋頭部分為落地梁結(jié)構(gòu)。

3 模型建立

3.1 幾何模型及荷載條件

應(yīng)用FLAC3D軟件建立有限差分網(wǎng)格模型如圖1所示，主要分為地基、路基、路面和橋頭結(jié)構(gòu)4個(gè)部分。其中地基土層參考濟(jì)陽路地質(zhì)勘查報(bào)告進(jìn)行劃分，共22 m，包括2 m黏土、7 m淤泥質(zhì)黏土、2 m黏質(zhì)粉土、5 m淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、2 m粉質(zhì)黏土、4 m雜填土，其他地下土層土質(zhì)較好，認(rèn)為對沉降影響小，故不予考慮。為減小模型網(wǎng)格復(fù)雜度，提高計(jì)算效率，將落地梁結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)長方體橋頭結(jié)構(gòu)，并固定結(jié)構(gòu)底部豎向位移，模擬下部地基層中工程樁的作用。結(jié)合城市道路實(shí)際情況，路基層設(shè)定為1 m的矮路基。為消除邊界對模擬結(jié)果的影響，將縱斷面取為60 m，橋頭一側(cè)原地基取15 m。路面層自上而下分為瀝青面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和級配碎石墊層，其中面層0.2 m，基層0.5 m，墊層0.3 m。

模型邊界條件設(shè)置為：在下邊界z=0平面上約束z向位移，即位移uz=0；在側(cè)邊界x=-15 m和x=60 m平面上約束y方向位移，即位移uy=0；在側(cè)邊界y=0和y=8.8 m平面上約束x方向位移，即位移ux=0。

假設(shè)有兩列汽車行駛在各自車道上，兩輪間距為2 m，車輪與地面的接觸面寬 0.5 m，以雙輪組單軸100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎壓力0.7 MPa。同時(shí)，認(rèn)為車輛荷載沿道路縱斷面連續(xù)不斷，為通長布置的條形荷載，此設(shè)置是考慮城市道路車流量較大，對不確定性很大的荷載的簡化，明顯稍大于實(shí)際的情況，但不影響分析差異沉降的規(guī)律。

圖1 計(jì)算模型示意圖(單位：m)

3.2 材料參數(shù)

選擇FLAC3D軟件中不同本構(gòu)關(guān)系模擬各部分材料特性，采用Mohr-Coulomb的模型來模擬地基和路基土層，而采用線彈性模型模擬具有良好連續(xù)性、均勻性和各向同性的橋頭結(jié)構(gòu)和道路面層，各實(shí)體單元參數(shù)取值見表1。

采用軟件內(nèi)置的Geogrid和Pile結(jié)構(gòu)單元分別模擬土工格柵和樁基的特性，模型中樁徑為0.5 m、間距為1.5 m，其中第一根樁在距橋頭結(jié)構(gòu)1 m的地方布置，土工格柵鋪設(shè)兩層，分別在地基路基交界處、路基中間層(距地基0.5 m)，各結(jié)構(gòu)單元參數(shù)取值見表2。

表1 實(shí)體單元參數(shù)

續(xù)表1

材料名稱彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)黏質(zhì)粉土26.550.301870631.0淤泥質(zhì)黏土6.540.4016801111.5黏土9.000.4017401312.5

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不處治分析

由于橋梁部分由工程樁控制沉降，而道路在荷載作用下沉降較大，橋頭的差異沉降常是無法避免的，尤其在軟土地基地區(qū)。當(dāng)差異沉降較小時(shí)，橋頭跳車現(xiàn)象不明顯，不會影響正常行車，因此為了控制跳車，保持行車的平順性，需要對路橋過渡段的沉降進(jìn)行控制。許多學(xué)者提出了不同的控制指標(biāo)，主要有3類：容許工后沉降、容許縱坡坡差、容許臺階高度。

圖2、3分別為道路縱斷面中心線上豎向沉降量和縱坡變化曲線，橋頭結(jié)構(gòu)與道路交界處產(chǎn)生一定錯臺高度，由于此模型設(shè)置路基較矮，使得錯臺高度較小，對行車舒適度影響較小，認(rèn)為滿足容許臺階高度的要求。通過計(jì)算得到各點(diǎn)的縱坡值發(fā)現(xiàn)，道路縱坡坡差較大，橋頭處縱坡達(dá)到1.4%左右，而橋面段認(rèn)為無縱坡變化，車輛經(jīng)過橋頭行車極不舒適，會有明顯的跳車感，需要進(jìn)行橋頭地基處理，控制沉降變化速率。在距橋頭結(jié)構(gòu)約20 m處沉降達(dá)到最大且趨于平穩(wěn)，由此認(rèn)為沉降過渡段長度為20～25 m，對此路段的軟土地

圖2 不處治時(shí)沉降曲線

圖3 不處治時(shí)縱坡曲線

基和新建路基部分分別設(shè)置豎向增強(qiáng)體-樁、水平增強(qiáng)體-土工格柵，控制錯臺高度和縱坡坡差。其中樁的布置長度為21 m，格柵的布置長度為30 m。

4.2 等長樁與長短樁對比分析

在保證總樁長相同的情況下，采用軟件內(nèi)置的Pile單元模擬樁基，比較等長樁與長短樁對過渡段差異沉降的影響。樁的平面及立面布置見圖4。

圖4 樁的布置圖(單位：m)

圖5、6分別為不同樁類下路橋過渡段沉降量曲線和縱坡變化曲線。從圖5可以看出：① 樁的設(shè)置大幅度減小了前25 m的沉降量，橋頭處的沉降減小率接近100%，縱坡也有較大程度的減小，曲線“凹陷”部分被“拉直”，處治效果明顯；② 長短樁與等長樁相比，長短樁的豎向沉降量曲線變化更加平穩(wěn)，而等長樁曲線則呈現(xiàn)出“陡-平-陡”的趨勢，多次較大的變坡可能會使行車有顛簸感；③ 比較兩種不同類型的長短樁，沉降曲線幾乎重合，認(rèn)為兩種方式對處治橋頭問題效果接近，使用階梯形長短樁有利于提高施工效率，且能達(dá)到直線遞減形長短樁的作用。

圖5 不同樁類下沉降量曲線

圖6 不同樁類下縱坡曲線

由圖6可知：從路橋交接點(diǎn)的縱坡看，等長樁、階梯形長短樁、直線形長短樁的縱坡分別為0.224%、0.198%、0.204%，可見樁對原來不處治的1.4%的縱坡改變較大，且3種類型樁對此處縱坡的影響接近，其中階梯形作用相對更好。從距橋頭25 m道路范圍內(nèi)的縱坡曲線看，等長樁處治后最大縱坡變化率達(dá)到0.52%，而兩種長短樁最大縱坡變化率為0.30%，可見長短樁對提高整個(gè)過渡段行車舒適度比等長樁的效果更好，沉降平穩(wěn)漸變，利于行車。

4.3 單一與聯(lián)合對比分析

圖7、8分別為單一處治與聯(lián)合處治下過渡段沉降量和縱坡曲線。

由圖7可知：① 從橋頭交接點(diǎn)看，只采用土工格柵或只采用長短樁或兩種聯(lián)合，對此處的沉降處治效果都較好，沉降量接近于0 mm，而在距橋頭30 m范圍內(nèi)沉降曲線差距較大；② 在地基中加樁的方式大幅度減小了路面的沉降量，兩種增強(qiáng)體的聯(lián)合與單一長短樁處治比較可見，聯(lián)合手段沉降減小的效果增加較小，但由于格柵的鋪設(shè)長度大于樁，在樁地基與一般地基交接處，沉降差變化更小，即有利于避免樁體結(jié)束處的“二次跳車”現(xiàn)象。

圖8的縱坡曲線可以驗(yàn)證聯(lián)合法的意義，長短樁加筋路基隨與橋頭結(jié)構(gòu)距離的增加，沉降變化更平緩，道路縱坡的波動程度更小，即道路更加平順，行車舒適度更高。

圖7 單一與聯(lián)合法沉降曲線

圖8 單一與聯(lián)合法縱坡曲線

結(jié)合圖7、8可知：無論是單一法還是長短樁聯(lián)合加筋法都能夠減小沉降量、緩和縱坡，沉降的改變量：聯(lián)合法>長短樁>格柵。

4.4 不同路基高度分析

為探究不同路基高度工況下橋頭路基的沉降特性，建立不同的三維模型，通過計(jì)算得到相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移值。圖9(a)為未處治和經(jīng)長短樁聯(lián)合土工格柵處治的道路沉降量曲線圖。由圖9(a)可知：無論是哪類路基，隨著路基高度的增加，沉降量都在增加，這主要是因?yàn)槁坊灾氐脑黾?。在不同路基高度的情況下，相較于未經(jīng)處治的路基，長短樁加筋路基在路橋過渡段的沉降均有明顯降低，也即這種聯(lián)合法適用于各種高度的路基工況。

圖9(b)、(c)分別為3、6 m高路基下橋頭段的沉降量曲線圖。結(jié)合圖5、7可知：不同的路基高度下各種處治手段有相似的沉降規(guī)律，長短樁比等長樁有著更平緩的變化趨勢，長短樁相較于格柵對減小橋頭沉降的效果更明顯，聯(lián)合法比單一法更能緩和過大的沉降變化，這與前述的路基為1 m工況下所得結(jié)論相同。

5 結(jié)論

以上海市濟(jì)陽路高架路橋過渡段為工程背景，應(yīng)用FLAC3D軟件建立路橋過渡段三維模型，研究長短樁加筋路基在處治橋頭問題中的效果。通過分析不處治方法下的道路沉降和縱坡變化，確定長短樁和土工格柵的處治路段長短，對比了等長樁和兩種長短樁、單一法與聯(lián)合法對沉降和縱坡的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 不處治的橋頭段存在明顯錯臺和較大縱坡差，易產(chǎn)生橋頭跳車現(xiàn)象。

(2) 兩種長短樁效果接近，相較于等長樁，長短樁處治下，沉降和縱坡變化更小。聯(lián)合法可以充分發(fā)揮兩種材料的作用，同時(shí)減小地基沉降和路基壓縮變形，還有利于避免“二次跳車”現(xiàn)象。

(3) 隨著路基高度的增加，路橋過渡段沉降量增加，不同的路基高度下路基處治方式有相似的沉降規(guī)律。

(4) 長短樁能夠使沉降平穩(wěn)過渡，且能減小用樁成本，而土工格柵對增強(qiáng)土體強(qiáng)度、緩和有樁與無樁段的剛度差作用明顯，在實(shí)際應(yīng)用中在地基中布設(shè)長度漸變的樁，同時(shí)在路基中鋪設(shè)格柵，通過這種新型的聯(lián)合處理法，能有效解決“橋頭跳車”問題。