軟土地基橋頭不同地基處理過渡段沉降特性分析

陳旭舟

(廣州市增城區(qū)道路養(yǎng)護(hù)中心，廣州 511300)

0 引言

隨著我國(guó)公路網(wǎng)的擴(kuò)大以及車流量的增長(zhǎng)，對(duì)道路行車條件及舒適性的標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。沿海地區(qū)軟土分布廣泛，地基如未能有效處治容易導(dǎo)致不均勻沉降，出現(xiàn)車轍、路面裂縫、橋頭跳車、路堤失穩(wěn)等病害。其中，橋頭跳車是路橋過渡段常見的一種工程病害，影響行車安全性和舒適性，降低行駛速度。目前國(guó)內(nèi)常用的軟基處理方式為管樁、水泥攪拌樁和塑料排水板等。

在軟基處理方面，王安輝[1]等針對(duì)江蘇沿海高速公路路橋過渡段在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)的不均勻沉降問題，提出了側(cè)向輻射注漿加固處治技術(shù)。張國(guó)聯(lián)[2]等探究考慮塑料排水板空間位置效應(yīng)的三維模型在分析砂井地基固結(jié)沉降方面的可靠性，通過改變施加填土的時(shí)間以及堆載預(yù)壓的時(shí)間，對(duì)比觀察軟土地基超孔隙水壓力和地表沉降的變化規(guī)律。吳昌勝[3]等調(diào)查統(tǒng)計(jì)了不同處理方法在滬蘇浙高速公路(江蘇段)的應(yīng)用情況、軟基處理效果以及病害的工程措施。

在研究地基處理過渡段方面，項(xiàng)貽強(qiáng)[4]等以深層混凝土過渡板處治的路橋過渡段為對(duì)象，研究在車輛沖擊荷載作用下路橋過渡段的動(dòng)力響應(yīng)及搭板的隔振效果。涂義亮[5]等提出一種旋噴樁復(fù)合地基變剛度處治技術(shù)，用以解決軟土路基橋頭跳車問題。張軍[6]等結(jié)合長(zhǎng)治至安陽(yáng)高速公路長(zhǎng)(治)-平(順)段某試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)工況, 設(shè)計(jì)了路堤加筋試驗(yàn)方案,對(duì)格柵上、下表面土壓力和格柵變形等數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析;同時(shí),通過數(shù)值模擬分析了格柵加筋技術(shù)處理臺(tái)背路堤填土的作用機(jī)理,并對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算中各重要因素進(jìn)行了參數(shù)分析。賈亮[7]等為探討路橋過渡段路基在自重應(yīng)力和汽車荷載作用下的工后沉降,在蘭永一級(jí)公路某一路橋過渡段布置單點(diǎn)沉降計(jì)，對(duì)過渡段路基的工后沉降進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

橋頭地段的沉降與路基的沉降有明顯差異且難以避免，只有通過減緩沉降坡度(沿道路路線方向沉降變化的幅度)解決或緩解跳車問題[8]。根據(jù)現(xiàn)有研究，多數(shù)都集中在如何用一種地基處理方式處理路橋過渡段，用幾種方式以及采用樁長(zhǎng)變化處理過渡段的案例較少。

本文針對(duì)某高速公路橋頭二次跳車問題，建立PLAXIS三維數(shù)值模型，橋頭段采用預(yù)應(yīng)力管樁處理，過渡段采用變樁長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力管樁，一般路段選取塑料排水板進(jìn)行處理。利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，得出不同時(shí)期的超靜孔壓、沉降量、水平位移、樁身彎矩等。

1 工程概況

某高速公路軟土埋深厚(>20m)，天然孔隙比e>1.5，塑料排水板路段工后沉降較大，路面及中分帶護(hù)欄下沉較多，造成該路段出現(xiàn)二次跳車現(xiàn)象(圖1)。與樁基相鄰的塑料排水板處理路段(或直接堆載預(yù)壓路段)由于預(yù)壓期不足、處理方案欠合理等原因，一般路段工后沉降遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定值，導(dǎo)致與相鄰采用樁基處理的路段沉降差異過大，過渡段平順性與穩(wěn)定性較差。

圖1 橋頭過渡段二次跳車現(xiàn)象

K72+688～K72+673為該高速公路橋頭過渡段，采用預(yù)應(yīng)力管樁處理橋頭段，處理長(zhǎng)度38m(K72+726～K72+688)，管樁處理深度為25m，打穿軟土層，路基填高4.6m；管樁過渡段(K72+688～K72+673)長(zhǎng)15m，采用管樁變樁長(zhǎng)處理，管樁樁長(zhǎng)為25.0m～7.0m，間距2.5m；一般路段采用塑料排水板處理(K72+673～K72+576)，在K72+576路堤填土高度下降至4.2m，排水板處理深度為25m，間距1.3m，打穿軟土層，如圖2所示。

圖2 軟基縱斷面設(shè)計(jì)

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，采用PLAXIS軟件建立原始路基斷面的數(shù)值模型,如圖3、圖4所示。模型路堤高度5m，自路面向下依次為：黏土層1.5m、淤泥質(zhì)黏土層23m、粉質(zhì)黏土6m、粉質(zhì)黏土6m。模型寬度為150m，其中過渡段長(zhǎng)15m，排水板處理區(qū)域長(zhǎng)97m。

圖3 有限元整體模型

圖4 地基處理過渡段縱斷面有限元模型

管樁打穿軟土層，樁長(zhǎng)25m，間距2.5m，采用EmbeddedBeam模擬。過渡段管樁樁長(zhǎng)為25～7m，排水板長(zhǎng)度25m，間距1.3m。邊界條件設(shè)置如下:底部邊界為剛性不透水層，固定水平、豎直方向位移；左、右側(cè)和上部邊界為透水層；左右兩側(cè)邊界均約束水平方向的位移。采用軟土蠕變模型(SSC)模擬軟土(淤泥土、淤泥質(zhì)亞黏土)，采用應(yīng)變硬化模型(HS)模擬其他土類(素填土、粉質(zhì)黏土、砂土、路堤填土等)。土體模型參數(shù)見表1。

表1 土體模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 超靜孔壓

填筑期末，一般路段的排水板處理區(qū)域土體超靜孔壓有一定程度的消散，但在橋頭管樁處理區(qū)的底部，尤其是過渡區(qū)的軟弱下臥層區(qū)域，積聚了較大的超靜孔壓，軟弱下臥層區(qū)域的最大超靜孔壓為111.2kPa，如圖5所示。

圖5 土體超靜孔壓分布云圖(填筑期末)

預(yù)壓期末，排水板處理的一般路段超靜孔壓基本完全消散，但是管樁處理區(qū)域和管樁變樁長(zhǎng)過渡區(qū)域下臥層土體的超靜孔壓消散緩慢，該區(qū)域在預(yù)壓期末的最大超靜孔壓仍然高達(dá)105.1kPa，如圖6所示。

圖6 土體超靜孔壓分布云圖(預(yù)壓期末)

工后15年，排水板處理區(qū)和管樁過渡區(qū)的超靜孔壓消散完畢，管樁下臥層土體超靜孔壓也消散至15.57kPa，如圖7所示。

圖7 土體超靜孔壓分布云圖(工后15年)

3.2 工后沉降

由于在預(yù)壓期末，管樁處理區(qū)域下臥層尤其是管樁變樁長(zhǎng)過渡段軟弱下臥層土體的超靜孔壓較大(105.1kPa)，道路運(yùn)營(yíng)后管樁未打穿軟弱下臥層土體超靜孔壓的消散，造成該過渡段產(chǎn)生較大的工后沉降。并且由于過渡段臨近塑料排水板處理區(qū)域，過渡段下臥層超靜孔壓的消散也導(dǎo)致排水板處理區(qū)域(約50m長(zhǎng))產(chǎn)生附加的工后沉降。過渡段和臨近排水板處理段的最大工后沉降值為35.05cm，發(fā)生在臨近管樁過渡段排水板處理區(qū)域的K72+668(圖8、圖9)，整個(gè)過渡段工后沉降沿道路中線方向呈“V”字型，嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性。

圖8 土體工后沉降(豎向位移)分布云圖(工后15年)

圖9 地表工后沉降(通車15年)沿路基中線變化曲線

因過渡段管樁變樁長(zhǎng)區(qū)段軟弱下臥層土體中超靜孔壓消散緩慢，地基工后沉降持續(xù)發(fā)展，通車15年后工后沉降曲線都未有收斂的趨勢(shì);而塑料排水板處理區(qū)域因地基固結(jié)速度快，地基工后沉降區(qū)域逐漸趨于穩(wěn)定，如圖10所示。

圖10 過渡段各斷面工后沉降隨時(shí)間變化曲線

3.3 水平位移和最大彎矩

因管樁變樁長(zhǎng)過渡段銜接塑料排水板處理區(qū)(K72+673)，過渡段管樁未打穿的軟弱下臥層超靜孔壓通過臨近的塑料排水板排水固結(jié)，造成過渡段土體和管樁產(chǎn)生較大的水平位移，工后15年該區(qū)域土體和管樁最大水平位移達(dá)17.87cm，管樁最大彎矩達(dá)621kN·m，如圖11～圖13所示。

圖11 土體水平位移分布云圖(工后15年)

圖12 管樁水平位移分布曲線(工后15年)

圖13 管樁樁身彎矩分布曲線(工后15年)

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)橋頭預(yù)應(yīng)力管樁處理區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)填筑和預(yù)壓期的路中心處地基表面沉降進(jìn)行分析對(duì)比，數(shù)值分析的沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性(圖14)，表明本文采用的數(shù)值模型和模型參數(shù)是合理的。

圖14 橋頭地表沉降曲線

5 結(jié)論

(1)針對(duì)軟土地基高速公路橋頭發(fā)生二次跳車的問題，其原因是道路運(yùn)營(yíng)后管樁未打穿軟弱下臥層土體超靜孔壓的消散，造成該過渡段產(chǎn)生較大的工后沉降。而過渡段臨近塑料排水板處理區(qū)域，過渡段下臥層超靜孔壓的消散也導(dǎo)致排水板處理區(qū)域(約50m長(zhǎng))產(chǎn)生附加的工后沉降。整個(gè)過渡段工后沉降沿道路中線方向呈“V”字型。

(2)對(duì)與管樁相鄰的塑料排水板處理路段采用超載預(yù)壓處理，并確保足夠的預(yù)壓期。在填筑期末與預(yù)壓期末，管樁處理路段的超靜孔壓明顯大于塑料排水板處理路段，且超靜孔壓消散較慢。工后15年，塑料排水板處理區(qū)域和管樁過渡區(qū)域的超靜孔壓消散完畢，管樁下臥層土體超靜孔壓也消散至15.57kPa。

(3)預(yù)應(yīng)力管樁打穿軟土與未打穿軟土有較大的區(qū)別。橋頭段的預(yù)應(yīng)力管樁打穿軟土層，過渡段的管樁樁長(zhǎng)有變化，部分管樁未打穿軟土層。填筑期末與預(yù)壓期末，管樁未打穿軟土層的區(qū)域超靜孔壓大于管樁打穿區(qū)域。針對(duì)過渡段各段面，打穿軟土的管樁工后沉降明顯大于未打穿的區(qū)域，且在工后15年，未打穿的軟弱下臥層沉降量約為打穿的兩倍。

(4)過渡段管樁除了要考慮沉降量，還需考慮水平位移量以及樁身彎矩，未打穿的軟弱下臥層超靜孔壓通過臨近的塑料排水板排水固結(jié)，造成過渡段土體和管樁產(chǎn)生較大的水平位移，工后15年該區(qū)域土體和管樁最大水平位移達(dá)17.87cm，管樁最大彎矩達(dá)621kN·m。