汪 明,谷亞陸,吳鴻勝,梁 斌,李文杰

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

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

目前,已有許多學者對軟基加固問題進行了研究。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路堤變形和穩(wěn)定性的影響。呂國仁等[7]結合實際工程,通過水泥攪拌樁室內配合比試驗和現(xiàn)場成樁試驗,分析了水泥土強度及水泥土攪拌樁成樁質量的影響因素。章定文等[8]依托某軟基加固工程進行現(xiàn)場試驗,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上,許多學者對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,對比分析了填筑泡沫輕質混凝土和埋設預應力管樁兩種軟基處理方法,認為采用泡沫輕質混凝土處理過渡段深厚軟基在經(jīng)濟性和安全性方面有更大優(yōu)勢。谷世平等[10]依托浙江省81省道溫嶺段改建工程,采取設置水泥攪拌樁和填筑泡沫混凝土的技術處理路橋過渡段軟基,通過沉降觀測得出該技術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樁復合地基模型,對比分析了同一樁點處的沉降結果,結果表明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,運用FLAC3D模擬計算抗滑樁和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]結合具體工程案例,對比分析了一般懸浮樁與樁板結構對路橋過渡段的處理效果,并對樁板結構的部分參數(shù)進行了分析,結果表明樁板結構中混凝土板厚度是控制差異沉降的關鍵參數(shù)。肖東等[14]結合試驗和數(shù)值模擬,研究了CFG樁加固軟土路基對橋臺樁基工作性狀的影響,認為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有限元軟件對預應力管樁處理和水泥攪拌樁處理兩種軟基處理方案進行模擬分析,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

阜溧高速公路在設計時采用一級公路標準,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)域內水網(wǎng)發(fā)達,河道交錯縱橫,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。本文選取的代表路段起點樁號為K29+150,終點樁號為K29+188,全長38 m。根據(jù)工程地質勘探報告,在項目區(qū)內主要分布有全新統(tǒng)松散層、上更新統(tǒng)黏土層、粉質黏土層、粉土層等軟土地層。根據(jù)工程實際情況,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13.5 m,樁間距3 m,橋臺背部共設置7排水泥攪拌樁。水泥攪拌樁材料力學參數(shù)如表1所示。

表1 水泥攪拌樁力學參數(shù)

采用Midas GTS NX有限元軟件建立橋臺臺背區(qū)域的地質模型,土層力學參數(shù)如表2所示。

表2 土層材料力學參數(shù)

為減少計算量,參考文獻[12]的建模方法,以道路中間橋臺臺背區(qū)域的地層為代表建立地質模型,模型縱向35 m、橫向30 m,地層深度25 m。對路基和橋臺也進行簡化處理,路基長23 m、寬20 m、高4.5 m,橋臺長2 m、寬20 m、高4.5 m。橋臺和水泥攪拌樁采用線彈性模型,地層及路基填土采用摩爾-庫倫本構模型。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實體屬性。網(wǎng)格劃分通過“自動-區(qū)域”功能實現(xiàn),網(wǎng)格類型為混合網(wǎng)格。模型共7 811個單元、5 578個節(jié)點。模型頂部無約束,各個側面設置水平方向位移約束,底部設置固定約束,數(shù)值分析模型如圖1所示。

(a) 地質模型及約束

依次取距橋臺2 m、8 m、16 m、22 m的橫斷面為監(jiān)測斷面,每個斷面取3個監(jiān)測點,3個監(jiān)測點分別記作A、B、C,監(jiān)測點位置如圖2所示。模型完成計算后,記錄監(jiān)測點的沉降值。

圖2 監(jiān)測點布置圖

2.2 預應力管樁處理方案模型建立

預應力管樁處理方案為:樁徑400 mm,壁厚95 mm,樁長21 m,樁間距3.2 m,橋臺背部路基共設置7排預應力管樁,呈正方形布置。管樁部分力學參數(shù)如表3所示。預應力管樁方案的地質模型與水泥攪拌樁方案一致(見圖1),橫斷面和測點位置選取與水泥攪拌樁相同(見圖2)。

表3 管樁力學參數(shù)

表4 水泥攪拌樁處理后各位置沉降值

3 結果分析與討論

3.1 水泥攪拌樁處理方案結果分析

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,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

對沉降值進行提取,各點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:距離橋臺越遠的位置,地基表面沉降越大;沉降增長速率越快,水泥攪拌樁的加固效果越弱;在同一橫斷面,兩側沉降值基本相同,中點與兩側沉降差值較小,距橋臺2 m時,差值只有1.5 cm,中點沉降值稍大于兩側沉降值。

3.2 預應力管樁處理方案結果分析

預應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,未布置管樁區(qū)域的地表沉降量最大達到了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)域時顯著增大。

圖5 預應力管樁處理方案沉降云圖

在預應力管樁加固模型中,同樣提取路基填筑完成后地表沉降結果,如表5所示。選用與水泥攪拌樁加固方案中相同的橫斷面,以便對兩種方案進行比較。不同橫斷面的沉降趨勢圖如圖6所示。

圖6 預應力管樁處理方案各位置沉降值

表5 預應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,距橋臺越遠,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22 m處,沉降值最大為15.15 cm。對比水泥攪拌樁處理方案,預應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個位置的沉降值變化趨勢相同且差值較小。

3.3 兩方案地表沉降對比

對上述兩種方案的計算結果進行處理,得到距離橋臺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)對比如表6所示。水泥攪拌樁處理方案中,離橋臺越遠,地表沉降越大,即加固效果越差。相比水泥攪拌樁處理方案,預應力管樁則對軟土地基的處理效果更為顯著,預應力管樁方案平均沉降減少了3～7倍。通過對比兩種處理方案的數(shù)值模擬結果,最終確定該路橋過渡段軟基采用預應力管樁處理。軟基經(jīng)過預應力管樁處理,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、路面開裂等質量問題。

表6 兩種方案橫斷面平均沉降對比

4 預應力管樁處理方案中軟基沉降監(jiān)測值與模擬值對比

現(xiàn)場使用的預應力管樁樁長20～25 m,樁距3 m。管樁施工完成后,在樁頂設置摻灰處治土墊層,并鋪設鋼塑土工格柵,進一步提高路橋過渡段軟基的加固效果。

4.1 預應力管樁施工

預應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進行施工,靜力壓樁機有低噪聲、無污染、可連續(xù)施工的特點。在靜力壓樁機施工過程中,管樁樁身應力較小且不會出現(xiàn)拉應力,樁頭一般完好,減小了復壓的難度。

圖7 施工工藝流程圖

預應力管樁采取A型張拉法,通過千斤頂施加預應力。在管樁壓樁施工完成后,進行樁帽施工。首先在對應樁頭位置開挖地面,之后按設計要求綁扎鋼筋,澆筑混凝土。

4.2 現(xiàn)場沉降監(jiān)測

為檢驗路橋過渡段軟土地基的加固效果,驗證數(shù)值模擬結果的可靠性,選取間距為5 m的5個橫斷面作為監(jiān)測面。對路基底部中點進行沉降監(jiān)測,沉降值與數(shù)值模擬結果對比如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結果對比

由圖8可知,距橋臺越遠的位置沉降越大,這與數(shù)值模擬結果一致。實測值與有限元模擬值相差較小,說明數(shù)值模擬結果較為準確,可為實際施工提供指導。

5 結論

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

(3) 采用預應力管樁處理路橋過渡段軟基,地表沉降模擬值與實測值相差較小,數(shù)值模擬結果較為準確,可為類似工程提供借鑒。