陳驍浙,劉翰辰,丁明穩(wěn)
1.騰達(dá)建設(shè)集團股份有限公司,上海 200120;2.浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所,浙江 杭州 310000
橋頭跳車現(xiàn)象是公路運營中常見的病害,發(fā)生的在橋梁和路基交界處。橋頭與路堤發(fā)生高低不一的錯位,當(dāng)汽車經(jīng)過此處時遇到障礙,導(dǎo)致顛簸、跳躍現(xiàn)象發(fā)生。不均勻沉降、填料壓實度、剛度突變、車速等都是引起橋頭跳車的重要原因[1]。當(dāng)前高速公路基本以瀝青混凝土路面為主,但橋梁與道路的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)卻存在一定差異[2]。橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體為剛性結(jié)構(gòu),而高速公路的結(jié)構(gòu)基本以柔性結(jié)構(gòu)與剛性結(jié)構(gòu)混合為主,因此導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)與道路基礎(chǔ)的承載力存在明顯差異,同時橋臺與臺背路面在結(jié)構(gòu)上也存在一定差異,最終形成橋頭跳車問題。橋頭跳車會影響行車舒適度[3],限制行車速度,并且降低行車的安全性。若因橋頭跳車引發(fā)較為嚴(yán)重的安全事故,會造成經(jīng)濟損失和社會影響[4]。
本文采用有限元軟件Midas GTS 進(jìn)行建模,分析樁加固地基對道路沉降的影響,對橋臺路基不均勻沉降控制技術(shù)進(jìn)行研究。
本工程依托于臺州市東部新區(qū)的月湖南路跨長浦河橋。該區(qū)塊地質(zhì)條件表層為吹填土層,含水量高,壓縮性高,孔隙比高,強度低;其下存在深厚淤泥質(zhì)土,性質(zhì)也是三高一低。軟弱土層的存在使得橋頭基礎(chǔ)變剛度處極易發(fā)生不均勻沉降,進(jìn)而誘發(fā)橋頭跳車。
因為不同地層之間具有很大的差異性,土體變形受眾多因素影響,導(dǎo)致地基土體具有復(fù)雜的變形特性。學(xué)者們?yōu)榱藢ν馏w進(jìn)行深入了解,提出許多土體的本構(gòu)模型方便開展研究。本文為了更好地得到合理計算結(jié)果,將土層分為吹填土、淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土三層,使用修正摩爾庫倫模型進(jìn)行模擬。
2002 年,許宏發(fā)根據(jù)樁土接觸的接觸模型和庫侖摩擦變形原理,得到了與結(jié)構(gòu)之間的剪切力學(xué)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)樁土接觸參數(shù)不僅與樁體本身幾何性質(zhì)材料性質(zhì)有關(guān)[5],更與接觸土層性質(zhì)及土層分布密切相關(guān)。土體的物理參數(shù)根據(jù)地勘報告中給出的土性確定。
土層計算參數(shù)確定原則:
(1)對地質(zhì)報告中的有土工參數(shù)的,取土工試驗參數(shù)推薦值;
(2)對于沒有具體給出的計算參數(shù),根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》取經(jīng)驗值。
表1 土層物理試驗指標(biāo)成果表
幾何模型X 軸沿橋走向,Y 軸垂直地面向上。土層與路面使用2D 面單元網(wǎng)格劃分,橋樁及加固樁使用1D 梁單元網(wǎng)格模擬。在路面上施加線荷載模擬車輛荷載。
模型邊界設(shè)置:頂部為自由面,不設(shè)置任何約束,對底面施加XY 兩個方向的約束,對周圍兩側(cè)施加法向約束,對橋樁基頂部及加固樁頂施加三個方向的旋轉(zhuǎn)約束。橋樁與橋面位置設(shè)為剛性連接。模型的土層選用修正摩爾—庫倫本構(gòu)。模型中的加固樁為高壓旋噴樁,采用梁單元進(jìn)行模擬,通過材料、幾何參數(shù)對其進(jìn)行定義。模型如圖1 所示。
圖1 網(wǎng)格劃分
第一步,研究不同加固樁長對路面沉降的影響。在距離橋端60m 范圍內(nèi),分別將加固樁長設(shè)置為0m、9m、12m、15m、20m、25m,施加相同的路面荷載進(jìn)行計算分析。
第二步,研究不同階梯式加固樁長分布對路面沉降的影響。通常在接近橋端的地方沉降最大,然后路面沉降會隨著與橋端的距離增加而減小。離橋較近的地方使用更長的加固樁,遠(yuǎn)離橋的地方使用較短的加固樁,使加固樁形成階梯狀變化。將距離橋端以15m 為單位,分成4 個區(qū)域:距離橋端0~15m 為區(qū)域1,15~30m 為區(qū)域2,30~45m 為區(qū)域3,45~60m 為區(qū)域4。漸漸減短遠(yuǎn)處區(qū)域的加固樁長,對比不同情況時的加固效果。分別設(shè)置以下情況:20|20|15|15、20|15|15|15、20|15|12|12、20|15|12|9。
第三步,研究加固樁體積基本相同情況下的沉降對比,設(shè)置以下情況:15|15|15|15和20|15|12|12。假設(shè)加固樁長1m為一個單位體積,兩種情況下,加固樁體積量分別為60 個單位和59各位單位,都在60 個左右單位量。前者代表樁長均勻分布,后者則是樁長按照階梯式分布,進(jìn)行計算分析。
表2 不同加固樁長時的沉降值
可以看出,當(dāng)樁長從0m 增加至25m,路端沉降值減小,起到地基加固的效果。樁長從15m 增至20m,路端沉降降幅為9.3%,樁長從20m 增至25m,路端沉降降幅為7.4%。樁長超過20m 后,再增加樁長時加固效果增幅減弱。
當(dāng)樁長從0m 增加至25m,橋端沉降基本不變,說明使用樁對路端地基加固時,對橋端影響不大。對路端進(jìn)行樁加固后,路-橋沉降差明顯減小,說明加固措施取得了良好的效果。
表3 階梯式加固樁分布時的沉降值
隨著樁長的減小,路端沉降值逐漸增大。當(dāng)距離橋端較遠(yuǎn)處的加固樁適當(dāng)減小,加固樁對地基的加固效果影響不大。
樁長由20|20|20|20變?yōu)?0|20|15|15時,路端沉降由6.89mm增加到7.23mm,路橋沉降差由4.09mm增加到4.42mm。而樁長由20|20|15|15變?yōu)?0|15|12|9時,路端沉降由7.23mm增加到7.59mm,路橋沉降差由4.42mm增加到4.77mm。以樁長1m為1 個體積單位,前者減少10 個體積單位,路端沉降值增幅4.9%,路橋沉降差值增幅8.1%。后者減少13 個體積單位,路端沉降值增幅4.9%,路橋沉降差值增幅7.7%。說明在遠(yuǎn)離橋端的區(qū)域減少相同體積量的加固樁時,路面沉降的增加值更小。
在距離橋端近處選較大的樁長,遠(yuǎn)離橋端時逐漸減小樁長,形成階梯式布置,可以在一定范圍內(nèi)減少加固樁用量時使沉降增幅較小,保證地基加固的有效性。
表4 加固樁體積量基本相同時的沉降值
樁長15|15|15|15和20|15|12|12情況下進(jìn)行對比,后者的加固樁體積用量比前者少1 個單位,而路端沉降減少0.9%,路橋沉降差減少1.9%。由此可見,在一定范圍內(nèi)樁的體積量相同時,隨著離橋端的距離增加,樁由長至短呈階梯式分布,加固效果更好。
本文針對使用高壓旋噴樁對地基的處理進(jìn)行研究,得到以下結(jié)果:
(1)隨著加固樁長度增加,路端沉降以及路-橋沉降差值逐漸減小,橋端沉降幾乎不變。當(dāng)樁長大于20m 后再增加,路端沉降降幅減緩。
(2)距離橋端較遠(yuǎn)處的樁長適當(dāng)減小,對加固效果影響不大。
(3)距離橋端近處選擇較大樁長,遠(yuǎn)離橋端時逐漸減小樁長,形成階梯式布置,可以在一定范圍內(nèi)減少加固樁用量時使路面沉降增幅較小,保證地基加固有效。
(4)一定加固范圍內(nèi)樁的體積量相同時,隨著離橋端的距離增加,樁由長至短呈階梯式分布,加固效果更好。