桥头跳车几种处理方法的对比研究

肖雄杰

(中国市政工程中南设计研究总院, 武汉 430010)

引言

桥头跳车问题是一个普遍性的难题. 引起桥头跳车的主要原因是桥台与其后填土的沉降差. 这种沉降差的产生, 主要是由于桥台一般都采用桩基, 结构本身的沉降较小, 而台后填土由于路堤和地基土土体的压缩, 变形量比较大, 而且这种变形在若干年内一直持续发展. 地基土越差, 这种桥台台后沉降差就越大.

长江三角洲地区是冲积平原, 地基土含水量比较大, 淤泥层比较厚, 台后填土一般需要处理. 在浙江地区, 台后处理比较常用的方法是回填轻质材料、铺设土工格栅和水泥搅拌桩加固、堆载预压和PHC桩加固等. 这些方法各有优缺点, 由于堆载预压工期比较长, 而PHC桩加固造价比较高, 一般情况, 综合而言, 还是选择前三种方法的比较多.

1 工程背景

工程所在地为浙江地区, 城市桥梁, 桥梁结构为20m简支梁, 台后填土最大高度为4.6m.

根据勘察单位提供的勘察报告, 典型地基土由上而下分布为(图1):

①-1杂填土(mlQ4): 杂色, 松散状～稍密状, 稍湿～湿, 主要由粘性土、腐植物及建筑垃圾等组成.

①-2耕土(mlQ4): 灰黄～灰褐色, 松散状, 湿～饱和, 主要为粉质粘土, 表层含植物根茎, 土质松软, 工程地质性质差.

桥头部分区域第③淤泥质粘土层缺失. 地质报告表明, 第②层承载力可达 80kPa, 第④层承载力可达140kPa.

图1 地质土层示意图

2 三种处理方法比较

(1)轻质填料处理

目前道路回填的轻质填料主要是粉煤灰. 粉煤灰作桥台后背填料, 可提高软基路堤的极限高度, 减少地基处理费用, 粉煤灰容重小, 最大干密度(0.9～1.2t/m3)和相对密度(2.1～2.2t/m3)均低于一般细粘土20%以上, 因而非常适用于处理软弱地基[1].

粉煤灰由于其自重轻, 可减少路堤沉降和地基破坏, 降低处理费用, 在相同条件下可提高软土地基路堤极限高度, 且地基越软弱, 路堤沉降量减少越显著. 粉煤灰用于桥台后背路堤回填, 解决了一般填料施工中压缩变形大的问题. 用粉煤灰填筑桥台后背, 压缩系数小, 路堤沉降量小, 有效地减少了高路堤的累积沉降, 而且路堤稳定性好, 整体强度高. 但采用粉煤灰处理, 本身不能提高地基的承载力.

以台后填土高度4.6m计, 取粉煤灰的容重为1.15t/m3, 不计粉煤灰层的压缩, 采用分层总和法计算得地基的总沉降为 0.45m; 而如果用一般粘土填筑, 也就是不作处理, 取粘土的容重为 1.8t/m3, 采用分层总和法计算得地基的总沉降为0.53m.

(2)土工格栅

土工格栅处理软土地基近些年应用较多. 采用这种方法处理软基, 一般采用多层土工格栅与砂砾石交替铺设, 以达到加筋土(砂石)复合垫层效用. 土工格栅处理软基的加固机理一般认为有这样几个方面[2]:①加筋垫层对侧向变形的约束作用: 在上覆压力的作用下, 地基土产生一个向外运动的趋势, 从而在筋材与填料之间产生摩擦力, 筋材也将随着填料产生拉伸变形, 筋材的抗拉作用对于土体侧向位移有较强的约束作用, 能防止加筋垫层的剪切破坏和断裂破坏, 增加垫层的整体稳定性和连续性; ②土工合成材料加筋的隔离作用: 以土工格栅处理层为界, 把上下部土体分隔为不同应力状态的两部分, 土体塑性开展区被分隔开来, 并缩小成不连续的两个塑性区, 因此而起到扩散及均化应力、改变地基的应力场和应变场的作用, 可使下卧软土顶面的应力大大减小, 从而提高地基的承载力, 减少沉降; ③加筋垫层的减载作用: 随着荷载的增加, 拉筋的应变随之增大, 对于柔性拉筋将呈现波纹状. 填料与拉筋均发生挠曲变形, 在加筋复合垫层平面内筋材产生张力, 约束地基的变形, 而筋材拉力的竖向分量可抵消一部分其上荷载, 从而起到减载作用; ④加筋垫层的应力扩散作用: 加筋垫层有一定厚度, 这个厚度内可以扩散其上路基底面的压力, 根据经验扩散角度可以取40°～45°.

土工格栅复合地基有一些争议, 目前比较常用的是基于太沙基理论的承载能力的修正公式, 即考虑到软基发生局部剪切破坏, 而对土的强度指标进行折减, 最终加筋垫层处理软基的地基承载力公式为[2,3]:

经计算, 采用两层土工格栅砂砾层处理后, 地基承载力可达 125kPa, 基本满足要求. 需要说明的是,随着时间的增长, 复合地基的承载力可能会比初期有些降低[6].

土工格栅处理的沉降计算, 目前还没有十分有效的计算方法, 仍然采用分层总和法计算, 但计入土工格栅垫层的扩散作用.

土工格栅处理对提高地基承载力比较显著, 但对于减少沉降贡献有限, 在考虑加筋垫层的应力扩散作用后, 根据分层总和法计算得最终沉降为0.48m.

(3)水泥搅拌桩处理

水泥搅拌桩主要用于加固淤泥、淤泥质土以及地基承载力不大于120kPa的粘性土和粉土等, 在长三角地区应用较多. 其加固机理是水泥与土拌和后要产生一系列的物理化学反应, 包括水泥的水解和水化反应、粘土颗粒与水泥水化物的作用以及碳酸化作用等, 使软土硬结形成固结体, 从而提高地基的强度,同时增大地基土的变形模量, 最终达到提高软土地基的承载力, 减少沉降量.

水泥搅拌桩复合地基的设计要先确定单桩的承载力, 然后确定面积置换率和桩数.

单桩的承载力按下列两个公式计算, 取其中较小值[4]:

根据地质条件, 经反复计算, 确定桩径为0.5m, 桩长为9.0m, 水泥土的强度为2.5MPa, 水泥参入比为15%, 单桩的承载力为160kN.

水泥搅拌桩复合地基的承载力计算公式为

其中,spkf为复合地基的承载力标准值; m为面积置换率; β为桩间土承载力折减系数, 可取0.1～0.4;,skf为桩间天然土的承载力标准值, 本例取80kPa.

经过计算比较, 台后填土根据其高度, 确定的桩距分别为 1.0m和 1.2m, 梅花形布置, 对应的面积置换率m分别22.7%和15.7%, 复合地基的承载力分别为160kPa和140kPa.

水泥搅拌桩复合地基的沉降计算分为两部分, 一部分是桩体加固区的压缩变形, 另一部分是桩下未加固区的沉降, 前者的计算采用弹性压缩的公式计算平均变形量, 后者采用分层总和法计算.

三种处理方法和不作处理的结果见表1, 可以看出几种处理方式的优劣. 其中总沉降是指不作处理时的最终沉降量, 而工后沉降是指设计年限20年的沉降量.

表1 各种处理方式的结果比较

3 结论与建议

通过上述研究, 可以得出一些结论:

(1)对于类似地基土层, 桥台台后填土达到4.6m必须进行地基处理;

(2)采用粉煤灰等轻质填料处理, 不能提高地基承载力, 可以少量减少沉降量, 减少的原因是粉煤灰容重比一般填筑材料容重要小;

(3)土工格栅处理可以提高地基承载力, 对沉降量减少有限;

(4)水泥搅拌桩可以大幅度提高地基承载力, 可以大幅度降低台后沉降量, 并可以根据台后填土高度设计不同的桩距, 降低工程费用.

综合比较来看, 对于路堤填土达到一定高度, 地基土压缩性比较大的情况, 采用水泥搅拌桩处理台后填土沉降, 可以控制在10cm以内, 满足规范要求, 处理桥头跳车较好.

[1]刘润芬, 于炳炎, 康拥政. 粉煤灰处治软基段桥头跳车[J]. 粉煤灰综合利用, 2003, 2: 14～15

[2]丁仁伟, 董金玉, 李日运, 等. 土工合成材料加筋垫层处理软基承载力探讨[J]. 华北水利水电学院学报, 2007, 28(2): 83～85

[3]练 红. 论现有土工织物计算方法及加筋效果分析[J]. 广东交通职业技术学院学报, 2003(4): 21～24

[4]黄生根, 张希浩, 曹 辉, 等, 地基处理与基坑支护工程[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1997

[5]JTJ 017-2004. 公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].

[6]张功新, 莫海鸿, 曾庆军, 等. 土工合成材料对路堤长期稳定性及工后沉降的负面影响分析[J]. 岩土工程学报, 2005, 26(6)