高澤雨

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019)

對(duì)減少公路路橋沉降差的設(shè)計(jì)及措施探討

高澤雨

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019)

結(jié)合某公路路橋改擴(kuò)建工程實(shí)例，以預(yù)應(yīng)力管樁方案為研究對(duì)象，引入有限元計(jì)算方法對(duì)減少沉降差的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，提出優(yōu)化沉降差控制設(shè)計(jì)方案的相關(guān)因素。

橋梁；沉降差；設(shè)計(jì)

1 工程概況

本公路橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，路面路基寬度26.0 m，兩幅中間間隔距離為2.0 m。全線共分布有7座大橋，結(jié)構(gòu)形式均為預(yù)應(yīng)力空心板橋，樁基基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為提高公路路橋荷載等級(jí)以及使用性能，擬采用雙側(cè)加寬方式對(duì)路面進(jìn)行加寬改造，并針對(duì)不均勻沉降問(wèn)題進(jìn)行綜合處治。

2 設(shè)計(jì)方案

既往大量工程經(jīng)驗(yàn)表明：在公路路橋改擴(kuò)建工程中，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)具有成樁速度快、樁基質(zhì)量可靠、結(jié)構(gòu)承載力高、沉降差控制效果好等優(yōu)勢(shì)。目前，在工業(yè)、民用建筑中，預(yù)應(yīng)力管樁應(yīng)用非常廣泛，對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)承載力水平，合理控制沉降差異均有重要意義。本研究中公路路堤荷載水平小，因此從承載力上考慮可滿足要求，設(shè)置預(yù)應(yīng)力管樁的主要目的是對(duì)沉降差異的控制。同時(shí)，考慮到預(yù)應(yīng)力管樁較常規(guī)水泥土樁工程造價(jià)更高，且樁身強(qiáng)度大、承載力高，因此在本工程復(fù)合地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分發(fā)揮樁—土共同作用，通過(guò)疏化樁距的措施使預(yù)應(yīng)力管樁相關(guān)作用充分發(fā)揮出來(lái)。

同時(shí)，為避免預(yù)應(yīng)力管樁向上對(duì)土體造成刺入破壞影響，在管樁頂部需設(shè)置樁帽防護(hù)，樁帽頂部加鋪設(shè)碎石墊層。由于樁基—土體剛度差異大，因此在碎石墊層中還可增設(shè)一層土工格柵，以提高碎石墊層整體剛度，形成樁—網(wǎng)墊層復(fù)合地基，以發(fā)揮土體作用。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在本工程應(yīng)用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)對(duì)沉降差異進(jìn)行控制的過(guò)程中，影響地基沉降情況的因素包括樁體自身、樁體—樁間土相互作用、樁體長(zhǎng)度、樁帽半徑、墊層高度、樁體模量等。在預(yù)應(yīng)力管樁沉降計(jì)算中必須綜合考慮上述因素，故以下通過(guò)MARC程序系統(tǒng)分析相關(guān)主要因素對(duì)公路路橋改擴(kuò)建工程中加寬路堤荷載下復(fù)合地基沉降的影響，進(jìn)而針對(duì)基于沉降差異控制的管樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)提供意見(jiàn)與建議。

3.1 基本參數(shù)

如圖1所示為本工程典型有限元計(jì)算模型。模型中樁基中心距為2.4 m，選擇路堤長(zhǎng)度方向兩端作為典型路段，中心對(duì)稱面、側(cè)面各節(jié)點(diǎn)均無(wú)水平位移，底邊為有限元分析固定邊界，表面則為有限元分析自由邊界。地基土土體厚度為30.0 m(下臥層土土體厚度為20.0 m，加固區(qū)軟土層厚度為10.0 m)。為簡(jiǎn)化計(jì)算流程，以典型路段1/2寬度作為計(jì)算區(qū)域，有限元計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

圖1 本工程典型有限元計(jì)算模型示意圖

表1 本工程計(jì)算區(qū)域有限元計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)示意表

3.2 主要工況

A工況：本工況主要針對(duì)樁帽等效半徑與樁基等效半徑比對(duì)復(fù)合地基沉降性能的影響進(jìn)行分析。對(duì)樁體半徑取值1.36 m恒定不變，樁帽等效半徑在0.45 m、0.56 m、0.67 m下的復(fù)合地基沉降性能進(jìn)行觀察。

B工況：本工況主要針對(duì)樁體模量對(duì)復(fù)合地基沉降性能的影響進(jìn)行分析。預(yù)應(yīng)力管樁樁徑取值60.0 cm，樁長(zhǎng)取值12.0 m，樁間距取值2.4 m，路基拓寬取值8.0 m，填方高度取值4.0 m，對(duì)樁基模量在40.0 GPa、50.0 GPa、60.0 GPa、70.0 GPa、80.0 GPa條件下的復(fù)合地基沉降性能進(jìn)行觀察。

C工況：本工況主要針對(duì)樁體長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合地基沉降性能的影響進(jìn)行分析。預(yù)應(yīng)力管樁樁徑取值60.0 cm，樁體模量取值60.0 GPa，樁間距取值2.4 m，路基拓寬取值8.0 m。對(duì)樁基長(zhǎng)度在6.0 m、8.0 m、10.0 m、12.0 m條件下的復(fù)合地基沉降性能進(jìn)行觀察。

3.3 計(jì)算結(jié)果

A工況分析結(jié)果如下圖所示(見(jiàn)圖2)。圖2中顯示：當(dāng)樁體半徑取值1.36 m恒定不變，樁帽等效半徑在0.45 m、0.56 m、0.67 m下(即樁體半徑與樁帽等效半徑比值在0.33、0.41、以及0.49條件下)，復(fù)合地基沉降量呈現(xiàn)出減小取值(自55.4 m下降至53.1 m)。分析認(rèn)為主要因素是：增大樁帽尺寸實(shí)質(zhì)上降低了樁帽間土體所承受荷載作用力水平。同時(shí)，隨著預(yù)應(yīng)力管樁樁體模量以及樁體半徑與樁帽等效半徑比值的增加，復(fù)合地基沉降量顯著下降。根據(jù)圖2數(shù)據(jù)可知：在本案例中，若樁體模量越大，則可通過(guò)設(shè)計(jì)較大樁帽的方式提高預(yù)應(yīng)力管樁沉降差異控制效用的發(fā)揮。

圖2 樁帽等效半徑與樁基等效半徑比對(duì)復(fù)合地基沉降性能的影響示意圖

B工況分析結(jié)果如圖3所示。圖3中顯示：隨著預(yù)應(yīng)力管樁樁體模量的增加，復(fù)合地基沉降量有一定的下降趨勢(shì)。且對(duì)于加固區(qū)而言，頂面沉降量顯著高于底面。該特征提示預(yù)應(yīng)力管樁能夠顯著提高加固區(qū)復(fù)合模量水平，同時(shí)降低加固區(qū)壓縮量。但對(duì)于下臥層而言，預(yù)應(yīng)力管樁樁體模量增加對(duì)其沉降的影響相對(duì)較少。根據(jù)圖3數(shù)據(jù)可知：在本案例中，樁體模量同樣是沉降量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中不容忽視的因素之一。

圖3 樁體模量對(duì)復(fù)合地基沉降性能的影響示意圖

C工況分析結(jié)果如圖4所示，圖4中顯示：隨著預(yù)應(yīng)力管樁樁體長(zhǎng)度的增加，復(fù)合地基頂面沉降峰值有一定的下降趨勢(shì)。樁計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)地基頂面沉降的影響曲線的斜率越大，長(zhǎng)越小，對(duì)復(fù)合地基最大沉降量的影響越為明顯。在本案例中：在樁體模量較小情況下，管樁長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)能夠穿越軟弱土層，以提高沉降差處置效果。

圖4 樁體長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合地基沉降性能的影響示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合本研究有限元計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論：(1)若樁體模量越大，則可通過(guò)設(shè)計(jì)較大樁帽的方式提高預(yù)應(yīng)力管樁沉降差異控制效用的發(fā)揮；(2)樁體模量同樣是沉降量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中不容忽視的因素之一；(3)在樁體模量較小情況下，管樁長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)能夠穿越軟弱土層，以提高沉降差處置效果。

[1] 陳果元,魏麗敏,楊果林，等.胡家屯中橋路橋過(guò)渡段動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2010,29(6):184-188.

[2] 孫筠,項(xiàng)貽強(qiáng),唐國(guó)斌，等.軟土地基臺(tái)后回填EPS輕質(zhì)混凝土沉降分析[J].公路交通科技,2010,27(7):46-51.

[3] 左糰,劉維正,張瑞坤，等.路堤荷載下剛?cè)衢L(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載特性研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,(3):379-385.

2016-05-11

U412

C

1008-3383(2017)02-0024-02