阜溧高速路橋過渡段軟基沉降控制技術(shù)

汪 明,谷亞陸,吳鴻勝,梁 斌,李文杰

(1.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300133; 2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展,人們對(duì)路面的平順性和行車時(shí)的安全舒適性有了更高要求。當(dāng)公路路橋過渡段位于軟土地基區(qū)域時(shí),由于軟土承載性能較差,在路基與橋梁之間易形成沉降差,可能會(huì)導(dǎo)致橋頭出現(xiàn)跳車問題,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅行車安全[1-2]。軟土主要包括淤泥和淤泥質(zhì)黏土,其作為地基時(shí)通常具有低抗剪強(qiáng)度、高含水率、易壓縮[3-5]等特點(diǎn),在路基施工時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

目前,已有許多學(xué)者對(duì)軟基加固問題進(jìn)行了研究。邵韋弦[6]采用PLAXIS二維有限元程序,研究了軟土地基上碎石樁和土工合成材料對(duì)路堤變形和穩(wěn)定性的影響。呂國(guó)仁等[7]結(jié)合實(shí)際工程,通過水泥攪拌樁室內(nèi)配合比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn),分析了水泥土強(qiáng)度及水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量的影響因素。章定文等[8]依托某軟基加固工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了旋噴攪拌樁加固含易液化粉土夾層軟基的適用性和加固效果。在軟基加固研究的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者對(duì)路橋過渡段軟基處理也開展了研究。蘇謙等[9]以中江高速公路某路橋過渡段為背景,對(duì)比分析了填筑泡沫輕質(zhì)混凝土和埋設(shè)預(yù)應(yīng)力管樁兩種軟基處理方法,認(rèn)為采用泡沫輕質(zhì)混凝土處理過渡段深厚軟基在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面有更大優(yōu)勢(shì)。谷世平等[10]依托浙江省81省道溫嶺段改建工程,采取設(shè)置水泥攪拌樁和填筑泡沫混凝土的技術(shù)處理路橋過渡段軟基,通過沉降觀測(cè)得出該技術(shù)可有效控制路橋過渡段沉降。盧蘭萍等[11]依托福州某公路工程,采用Midas GTS NX有限元軟件分別建立天然地基模型與CFG樁復(fù)合地基模型,對(duì)比分析了同一樁點(diǎn)處的沉降結(jié)果,結(jié)果表明CFG樁加固路橋過渡段軟基有良好的效果。何玉瓊等[12]以某高速公路軟土地基路橋過渡段為例,運(yùn)用FLAC3D模擬計(jì)算抗滑樁和CFG樁加固路基后的地表沉降,發(fā)現(xiàn)CFG樁的加固效果優(yōu)于抗滑樁。趙涵秀等[13]結(jié)合具體工程案例,對(duì)比分析了一般懸浮樁與樁板結(jié)構(gòu)對(duì)路橋過渡段的處理效果,并對(duì)樁板結(jié)構(gòu)的部分參數(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明樁板結(jié)構(gòu)中混凝土板厚度是控制差異沉降的關(guān)鍵參數(shù)。肖東等[14]結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了CFG樁加固軟土路基對(duì)橋臺(tái)樁基工作性狀的影響,認(rèn)為CFG樁在一定程度上限制了路基荷載下的土體蠕變特性。以上研究主要著重于路橋過渡段軟基的加固,但對(duì)河湖發(fā)育區(qū)路橋過渡段軟基處理方法及處理效果的研究相對(duì)較少。

本文依托阜溧高速公路某路橋過渡段軟基處理工程,采用Midas GTS NX有限元軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁處理和水泥攪拌樁處理兩種軟基處理方案進(jìn)行模擬分析,研究路橋過渡段深厚軟基沉降特性,比較兩種方案處理深厚軟基后的地表沉降。

1 工程概況

阜溧高速公路在設(shè)計(jì)時(shí)采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn),其中建湖至興化段地處江蘇省中部里下河淺洼平原區(qū),區(qū)域內(nèi)水網(wǎng)發(fā)達(dá),河道交錯(cuò)縱橫,存在深厚軟基。深厚軟基處理和控制工后沉降是本工程的重難點(diǎn)。本文選取的代表路段起點(diǎn)樁號(hào)為K29+150,終點(diǎn)樁號(hào)為K29+188,全長(zhǎng)38 m。根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)告,在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主要分布有全新統(tǒng)松散層、上更新統(tǒng)黏土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層等軟土地層。根據(jù)工程實(shí)際情況,采用水泥攪拌樁和管樁兩種軟基處理方案。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 水泥攪拌樁處理方案模型建立

水泥攪拌樁處理方案為:樁徑50 cm,樁長(zhǎng)13.5 m,樁間距3 m,橋臺(tái)背部共設(shè)置7排水泥攪拌樁。水泥攪拌樁材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 水泥攪拌樁力學(xué)參數(shù)

采用Midas GTS NX有限元軟件建立橋臺(tái)臺(tái)背區(qū)域的地質(zhì)模型,土層力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土層材料力學(xué)參數(shù)

為減少計(jì)算量,參考文獻(xiàn)[12]的建模方法,以道路中間橋臺(tái)臺(tái)背區(qū)域的地層為代表建立地質(zhì)模型,模型縱向35 m、橫向30 m,地層深度25 m。對(duì)路基和橋臺(tái)也進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,路基長(zhǎng)23 m、寬20 m、高4.5 m,橋臺(tái)長(zhǎng)2 m、寬20 m、高4.5 m。橋臺(tái)和水泥攪拌樁采用線彈性模型,地層及路基填土采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。水泥攪拌樁采用軟件的1D梁屬性,地層及填土采用軟件的3D實(shí)體屬性。網(wǎng)格劃分通過“自動(dòng)-區(qū)域”功能實(shí)現(xiàn),網(wǎng)格類型為混合網(wǎng)格。模型共7 811個(gè)單元、5 578個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型頂部無(wú)約束,各個(gè)側(cè)面設(shè)置水平方向位移約束,底部設(shè)置固定約束,數(shù)值分析模型如圖1所示。

(a) 地質(zhì)模型及約束

依次取距橋臺(tái)2 m、8 m、16 m、22 m的橫斷面為監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別記作A、B、C,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。模型完成計(jì)算后,記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 預(yù)應(yīng)力管樁處理方案模型建立

預(yù)應(yīng)力管樁處理方案為:樁徑400 mm,壁厚95 mm,樁長(zhǎng)21 m,樁間距3.2 m,橋臺(tái)背部路基共設(shè)置7排預(yù)應(yīng)力管樁,呈正方形布置。管樁部分力學(xué)參數(shù)如表3所示。預(yù)應(yīng)力管樁方案的地質(zhì)模型與水泥攪拌樁方案一致(見圖1),橫斷面和測(cè)點(diǎn)位置選取與水泥攪拌樁相同(見圖2)。

表3 管樁力學(xué)參數(shù)

表4 水泥攪拌樁處理后各位置沉降值

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水泥攪拌樁處理方案結(jié)果分析

水泥攪拌樁處理模型的地基沉降云圖如圖3所示。由圖3可以看出,水泥攪拌樁布置區(qū)域地表沉降在17.04～21.30 cm范圍內(nèi),沉降從水泥攪拌樁加固區(qū)域到未加固區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的過渡。

圖3 水泥攪拌樁處理方案沉降云圖

對(duì)沉降值進(jìn)行提取,各點(diǎn)最終沉降量以及不同位置斷面的沉降量如圖4所示。

圖4 水泥攪拌樁處理方案各位置沉降值

由圖4可以看出:距離橋臺(tái)越遠(yuǎn)的位置,地基表面沉降越大;沉降增長(zhǎng)速率越快,水泥攪拌樁的加固效果越弱;在同一橫斷面,兩側(cè)沉降值基本相同,中點(diǎn)與兩側(cè)沉降差值較小,距橋臺(tái)2 m時(shí),差值只有1.5 cm,中點(diǎn)沉降值稍大于兩側(cè)沉降值。

3.2 預(yù)應(yīng)力管樁處理方案結(jié)果分析

預(yù)應(yīng)力管樁處理模型的沉降云圖如圖5所示。管樁布置區(qū)域的地表沉降量大部分在5 cm內(nèi),未布置管樁區(qū)域的地表沉降量最大達(dá)到了20 cm左右。由沉降分布情況可以看出,加固區(qū)域與和未加固區(qū)域界限較為明顯,沒有過渡區(qū)域,即地表沉降在超出加固區(qū)域時(shí)顯著增大。

圖5 預(yù)應(yīng)力管樁處理方案沉降云圖

在預(yù)應(yīng)力管樁加固模型中,同樣提取路基填筑完成后地表沉降結(jié)果,如表5所示。選用與水泥攪拌樁加固方案中相同的橫斷面,以便對(duì)兩種方案進(jìn)行比較。不同橫斷面的沉降趨勢(shì)圖如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力管樁處理方案各位置沉降值

表5 預(yù)應(yīng)力管樁處理后各位置沉降值

由圖6可以看出:在管樁處理范圍內(nèi),距橋臺(tái)越遠(yuǎn),地表沉降值越大,最大沉降值為5.08 cm;在管樁處理范圍外,在距橋臺(tái)22 m處,沉降值最大為15.15 cm。對(duì)比水泥攪拌樁處理方案,預(yù)應(yīng)力管樁處理效果較好,能有效提高軟土地基豎向變形和承載能力,控制地基沉降變形。各斷面A、B、C3個(gè)位置的沉降值變化趨勢(shì)相同且差值較小。

3.3 兩方案地表沉降對(duì)比

對(duì)上述兩種方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理,得到距離橋臺(tái)2 m、8 m、16 m、22 m處斷面的地表平均沉降,兩種方案沉降數(shù)據(jù)對(duì)比如表6所示。水泥攪拌樁處理方案中,離橋臺(tái)越遠(yuǎn),地表沉降越大,即加固效果越差。相比水泥攪拌樁處理方案,預(yù)應(yīng)力管樁則對(duì)軟土地基的處理效果更為顯著,預(yù)應(yīng)力管樁方案平均沉降減少了3～7倍。通過對(duì)比兩種處理方案的數(shù)值模擬結(jié)果,最終確定該路橋過渡段軟基采用預(yù)應(yīng)力管樁處理。軟基經(jīng)過預(yù)應(yīng)力管樁處理,可以更高效地減小地表沉降,避免由差異沉降引起的橋頭跳車、路面開裂等質(zhì)量問題。

表6 兩種方案橫斷面平均沉降對(duì)比

4 預(yù)應(yīng)力管樁處理方案中軟基沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)使用的預(yù)應(yīng)力管樁樁長(zhǎng)20～25 m,樁距3 m。管樁施工完成后,在樁頂設(shè)置摻灰處治土墊層,并鋪設(shè)鋼塑土工格柵,進(jìn)一步提高路橋過渡段軟基的加固效果。

4.1 預(yù)應(yīng)力管樁施工

預(yù)應(yīng)力管樁施工工藝流程如圖7所示。管樁壓樁采用靜力壓樁機(jī)進(jìn)行施工,靜力壓樁機(jī)有低噪聲、無(wú)污染、可連續(xù)施工的特點(diǎn)。在靜力壓樁機(jī)施工過程中,管樁樁身應(yīng)力較小且不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力,樁頭一般完好,減小了復(fù)壓的難度。

圖7 施工工藝流程圖

預(yù)應(yīng)力管樁采取A型張拉法,通過千斤頂施加預(yù)應(yīng)力。在管樁壓樁施工完成后,進(jìn)行樁帽施工。首先在對(duì)應(yīng)樁頭位置開挖地面,之后按設(shè)計(jì)要求綁扎鋼筋,澆筑混凝土。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)路橋過渡段軟土地基的加固效果,驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,選取間距為5 m的5個(gè)橫斷面作為監(jiān)測(cè)面。對(duì)路基底部中點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),沉降值與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

由圖8可知,距橋臺(tái)越遠(yuǎn)的位置沉降越大,這與數(shù)值模擬結(jié)果一致。實(shí)測(cè)值與有限元模擬值相差較小,說明數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確,可為實(shí)際施工提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

(1) 采用水泥攪拌樁處理路橋過渡段軟基,有一定效果,但加固后地表沉降較大,不能滿足使用要求;采用預(yù)應(yīng)力管樁處理路橋過渡段軟基后,沉降減小十分明顯,可有效避免出現(xiàn)過大沉降。

(2) 對(duì)比水泥攪拌樁和預(yù)應(yīng)力管樁處理方案,阜溧高速路橋過渡段軟基采用預(yù)應(yīng)力管樁處理后,沉降得到有效控制,可避免由臺(tái)后不均勻沉降引起的橋頭跳車、路面開裂等問題。

(3) 采用預(yù)應(yīng)力管樁處理路橋過渡段軟基,地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值相差較小,數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確,可為類似工程提供借鑒。