旋喷桩复合地基变刚度处治桥头跳车效果

涂义亮 王星驰 柴贺军 徐建强 李海平 余佳玉

(1重庆交通大学土木工程学院, 重庆 400074)(2招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)(3重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室, 重庆 400074)

桥头跳车是由公路桥头及伸缩缝处的差异沉降导致的一种工程病害,是软土路基工程运营过程中长期存在的问题,严重影响了道路工程质量和交通安全[1].目前,已有的桥头跳车处治技术主要有加铺法、夯管锤法、侧向辐射注浆法、高压旋喷桩法、轻质材料置换法、复合地基加固法等[2-3].

高压旋喷桩技术因具有造价低、施工方便等优势,得到了较多的关注和应用.Taghavi等[4]、Ibragimov[5]、Wang等[6]研究了桩长、桩径、桩间距、填土高度、桩体模量等对旋喷桩加固效果的影响.安关峰等[7]研究发现桩的布置方式对处治效果影响不大,桩长、桩径、桩间距、桩体模量对处治效果有一定影响.以上学者对旋喷桩的众多影响因素进行了研究,但均未分析各参数的影响敏感度排序或影响权重.同时,对于运营期的高速公路而言,为了减少对车流的干扰,不宜在路面进行旋喷桩施工,因此需要研究不影响道路正常运营的非开挖处治技术.侧向辐射注浆技术因不干扰公路运营而被大量采用. 王安辉等[8]、Bhasi等[9]、李建斌等[10]采用侧向辐射注浆技术对高速公路既有软土路基进行处治,并取得了一定的处治效果. 国内外学者对高压旋喷桩技术、侧向辐射注浆技术进行了大量的研究,为这2项技术走向成熟奠定了重要的基础[11].但学者们在研究处治效果时,一般只采用其中一种技术,很少将2种或多种技术结合在一起进行研究.因此,应尝试多种技术相结合的处治方法,如竖向旋喷桩与侧向辐射注浆相结合的复合地基处治技术.

此外,由于桥头与路基的沉降差无法避免,只有通过减缓沉降坡度(沿道路路线方向沉降变化的幅度)解决或缓解跳车问题[12].因此,变刚度处治方法(即沿道路路线方向逐渐调整复合地基处治的设计参数)成为一种有效的途径.但是,目前关于复合地基变刚度处治方法的研究和应用却相对较少.

本文针对某高速公路桥头跳车问题,提出一种旋喷桩复合地基变刚度处治技术.首先,采用二维数值模拟方法研究桩长、桩径、桩间距、桩排数、注浆深度等因素对处治效果的影响规律和敏感度排序,并基于此提出变刚度处治方案和设计参数；最后,通过三维数值模拟对提出的方案和设计参数进行分析和验证.

1 工程概况及数值模型的建立

1.1 工程概况

由于存在深厚欠固结软土地基,G15沈海高速某路段多处路桥衔接段存在严重的桥头跳车问题.考虑到该路段的交通量巨大,传统开挖后进行处治的方式并不适用.为此,以该路段的某典型桥头工程为依托,进行非开挖处治技术分析.该工程的地层自路面向下依次为：黏土层厚1.3 m,淤泥层Ⅰ厚13.2 m,淤泥层Ⅱ厚14.5 m,淤泥质黏土层Ⅰ厚11.6 m,淤泥质黏土层Ⅱ厚7.8 m.

针对依托工程工况,提出了旋喷桩复合地基变刚度处治方法(见图1).首先,在路堤两侧坡脚施加一定深度的竖向旋喷桩；然后,在路堤两侧朝中间一定厚度路基范围内倾斜打设注浆管进行侧向注浆,从而与土体胶结形成模量较大的结石体,可等效为硬壳层.竖向旋喷桩、硬壳层和路基土体共同形成一种复合路基,控制路基沉降.根据依托工程情况和已有研究结果[4-9],该处治方法宜选用的变刚度参数为桩间距s、桩排数n、注浆深度h、桩长l和桩径d等,各参数的敏感度有待进一步分析.

图1 旋喷桩复合地基变刚度处治示意图

1.2 原始路基模型

根据地质勘查资料,采用FLAC 3D软件建立原始路基断面半对称部分的数值模型(见图2).边界条件设置如下：底部边界为刚性不透水层,固定水平、竖直方向位移；左侧边界为不透水层；右侧和上部边界为透水层；左右两侧边界均约束水平方向位移.在路面中心、路肩及路堤坡脚布置3个位移监测点.

图2 原始路基二维数值模型

修正剑桥模型为等向硬化的弹塑性模型,采用帽子屈服面,以塑性体应变为硬化参数,能较好地描述软土在破坏之前的非线性和依赖于应力水平或应力路径的变形行为,是应用最为广泛的软土本构模型之一,故采用该模型模拟软土地层[13].路堤填土采用摩尔库伦模型,主固结沉降采用比奥模型的流固耦合分析.对于深厚软土桩基,桩侧土体与桩底土体均存在较为明显的次固结特性,可采用Burgers模型模拟软土的次固结[14].路堤填土的厚度W=3.5 m,密度ρ=2 100 kg/m3,弹性模量E=40 MPa,泊松比ν=0.25,黏聚力c=25.6 kPa,内摩擦角φ=29.8°,黏土、淤泥Ⅰ、淤泥Ⅱ、淤泥质黏土Ⅰ、淤泥质黏土Ⅱ的渗透系数分别为5.3×10-8、 1.2×10-7、 1.1×10-7、5.3×10-7、 5.3×10-7cm/s,流体体积模量为2.0 GPa,流体密度为1 000 kg/m3,比奥模量为4.0 GPa,其他材料的参数取值见表1和表2.表中,M为临界应力比;λ为常态固结线斜率; К为弹性膨胀线斜率; Г为比体积;Pc为预固结压力；Gm为开尔文切变模量;Gk为麦斯威尔切变模量;ηm为开尔文黏度;ηk为麦斯威尔黏度.

表1 修正剑桥模型的地层参数

表2 流固耦合参数

1.3 数值模型验证

为验证数值模型和计算参数的合理性,对模型进行19 a(2000—2019年)数值计算分析,将计算结果与现场监测结果进行对比(见图3).由图可知,路面中心与路肩沉降量的数值模拟结果与现场实际监测结果较为接近,且变化趋势基本一致,说明该数值模型和计算参数是合理的,在此基础上得到的模拟结果具备一定的参考价值.

图3 模拟沉降与现场监测沉降曲线对比

1.4 沉降预测

不改变各项参数,对模型继续进行运算直至2039年,得到沉降时程曲线(见图3).在2000—2006年期间,曲线下降速率极快,各处治区域沉降量较大；2006年(第6年)后曲线较为平缓,沉降速率趋于稳定.通过现场监测发现,桥墩基础沉降为毫米级,相比路基沉降可以忽略不计.因此,若不进行处治,20 a后路面中心、路肩处与桥头的差异沉降将分别达到0.539、0.440 m,会产生严重的桥头跳车问题.

2 参数影响规律及敏感度分析

2.1 参数影响规律

为了对桩长l、桩径d、桩间距s、桩排数n、侧向注浆深度h等5个因素的影响规律和敏感度进行研究,采用单因素分析法设计了5组数值模拟方案,其中各因素水平为：l分别取8、10、20、30 m；d分别取0.4、0.6、0.8 m；s分别取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 m；n分别取1、2、3；h分别取2、5、8、10 m.各因素的基准水平分别为l=30 m,d=0.8 m,s=2.8 m,n=3,h=5 m.采用FLAC 3D建立了上述各模拟方案数值模型,其中桩长8 m的工况见图4.竖向旋喷桩采用线弹性本构模型,硬壳层采用摩尔库伦模型.根据现场检测结果,竖向旋喷桩参数E=4 422 MPa,ν=0.2；硬壳层参数c=30 kPa,φ=25.5°,E=123 MPa,ν=0.28.通过模拟得到各因素对路基2019—2039年沉降量的影响规律,见图5.

图4 旋喷桩复合地基处治的数值模型(桩长8 m)

(a) 桩长

(d) 桩排数

2.1.1 桩长

图5(a)为桩长对路基2019—2039年沉降量的影响规律.由图可知,桩长对处治效果的影响非常大,旋喷桩越长,各监测点沉降量越小,即处治的效果越好.这是因为桩长越长,复合地基的置换率越大,桩的荷载分担比越大,土的荷载分担比越小,从而土体的压缩变形越小,沉降控制效果越好.

2.1.2 桩径

图5(b)为桩径对路基2019—2039年沉降量的影响规律.由图可知,旋喷桩桩径对处治效果的影响较大.桩径越大,沉降量越小,即处治效果越好.这是因为桩径增加,旋喷桩复合地基的置换率提高,更多比率的桩体参与承担上部荷载,从而造成桩身应力降低,旋喷桩复合地基的承载能力也随之提高.因此,建议本文依托工程的最优桩径为0.8 m.

2.1.3 桩间距

图5(c)为桩间距对路基2019—2039年沉降量的影响规律.由图可知,桩间距对沉降控制效果影响较大,随着桩间距的增大,各监测点沉降量逐渐变小.这是因为桩间距过小,桩与桩之间的应力叠加会变大；且桩间距越小,桩间土荷载承担比越小,桩间土的承载作用不能充分发挥,从而使复合地基整体承载力减小而沉降变大.因此,在1.2～2.8 m数值范围内,建议采用大桩间距,但考虑到依托工程路基外2.0 m为不得侵占的农田,建议最优桩间距为2.0 m.

2.1.4 桩排数

图5(d)为桩排数对路基2019—2039年沉降量的影响规律.由图可知,桩排数越多,沉降量越小,即处治效果越好.但是桩排数从2增加至3后,沉降控制提升效果有所降低.由于旋喷桩的刚度较大,其单桩影响范围较大.桩排数增加后,旋喷桩的荷载承担比随之增加,复合地基的承载能力亦增大.在该工程中竖向旋喷桩较好地起到隔离内、外侧路基沉降的作用,2排桩时隔离作用显著,再继续增加桩排数则提升效果有所降低,且会导致造价提升,故桩排数为2时最优.

2.1.5 注浆深度

图5(e)为注浆深度对路基2019—2039年沉降量的影响规律.由图可知,随着注浆深度(硬壳层厚度)的增大,处治后路面中心的沉降降低,但路肩和路堤坡脚沉降却增加.事实上,根据温克尔弹性地基梁理论[15],硬壳层可简化为弹性地基梁.当梁上部荷载不变时,随着梁高度(硬壳层厚度)的增大,梁的挠曲变形变平缓,相应的跨中位置(对应路面中心)的沉降将减小,而梁端位置(对应路肩和路堤坡脚)的沉降将增大(见图6),图中O为路面中心点,X轴为距离路面中心的水平距离,Y轴为沉降.

表3为不同注浆深度各监测点的沉降对比值,其中沉降减少量是当前注浆深度与上一水平注浆深度对应监测点沉降的差值,正值代表沉降量减少,负值代表沉降量增大.由表可知,当注浆深度由2 m增加至5 m后,路面中心沉降减少量为0.039 m,远大于路肩和路堤坡脚同条件下的沉降增加量0.004和0.003 m,路面平均沉降减少量为0.018 m,沉降控制效果明显提高；当注浆深度由5 m增加至8 m后,路面平均沉降减少量为0.011 m,沉降控制效果仍有提高,但相比其前一阶段(2～5 m)的提高程度略有降低；当注浆深度由8 m增加至10 m后,路面平均沉降减少量为-0.001 m,沉降控制效果与其前一阶段(5～8 m)相比基本不变.因此,若考虑到工程造价因素,进行旋喷桩复合地基处治时可在适当范围内增加注浆深度,建议该依托工程最优注浆深度取5～8 m,且不宜超过8 m.

图6 硬壳层的温克尔弹性地基梁理论模型

表3 不同注浆深度下各监测点2019—2039年的沉降对比值 m

2.2 敏感度分析

为了有效地处治软土路基桥头跳车问题,必须确定对处治效果影响较大的因素,敏感度分析则是解决这一问题的一种有效方法.单因素敏感度分析法[16]是一种经典的敏感度计算方法,可以计算出各个因素的变动对方案效果的影响.各参数敏感度Ti等于指标的相对变化率|(Yi-I)/I|与因素水平的相对变化率|(Xi-J)/J|之比,即

(1)

式中,Yi为参数各水平对应的指标；I为参数基准值对应的指标；Xi为参数的各个水平；J为参数的基准值.

根据式(1),本文各因素的敏感度等于处治后各监测点沉降减少量(未处治的沉降与处治20 a后的沉降之差)的相对变化率与各因素的相对变化率的比值,通过计算得到各因素的敏感度(见表4).

表4 各因素敏感度及敏感度排序表

由表4可知,5个因素对处治效果均有一定影响,大小排序依次为桩长、桩径、桩排数、桩间距、注浆深度,其中桩长的敏感度最大,达到1.02.因此,建议优先采用从桥头向道路延伸方向逐渐减小旋喷桩桩长的变刚度处治方案,桩径、桩间距、桩排数、注浆深度则取建议最优值,从而使沉降从桥头向道路延伸方向呈渐变趋势,以有效处治依托工程的桥头跳车问题.

3 旋喷桩复合地基变刚度处治效果

3.1 参数设计

根据依托工程实际工况(见1.1节)和二维数值模拟结果,提出该工程的旋喷桩复合地基变刚度处治设计方案,各分区的设计参数如图7和表5所示.

图7 旋喷桩复合地基变刚度分区图(单位：m)

表5 旋喷桩复合地基变刚度处治参数设计表 m

3.2 三维数值模型

为分析所提出方案的处治效果,采用FLAC 3D建立了三维数值模型(见图8和图9).模型长148 m、宽60 m、高48.4 m,路堤高3.2 m,路面总宽28 m,路堤坡率为1∶1.5,路桥斜交角为20°.路堤与桥台连接处设置左、右2块搭板,搭板厚0.6 m、长8 m.在A～E五个断面分别布置3个监测点(A1～A3等)，监测路面中心、路肩、路堤坡脚的位移.

图8 三维数值模型(单位：m)

图9 处治结构三维分区图(单位：m)

3.3 处治效果分析

3.3.1 沉降控制效果

图10(a)和(b)分别为全时段不处治和2019—2039年期间进行处治后得到的2000—2039年路基沉降云图.由图10(a)可知,若不进行处治,至2039年,路面中心、路肩、路堤坡脚处与桥头的差异沉降将分别达到0.555、0.389、0.269 m,将会出现桥头跳车的危害.由图10(b)可知,内侧路基的沉降显著高于外侧路基的沉降,说明旋喷桩起到了一定的隔离作用,将固结沉降控制在内侧路基范围.此外,对比图10(a)与(b)可以发现,处治后沉降控制效果非常显著,一方面是因为旋喷桩、硬壳层、路基土三者组成的复合地基整体刚度得到显著的提升；另一方面,桩-土之间的相互作用能将路基内附加应力的集中情况弱化,将附加应力扩散至旋喷桩之间及桩端以下路基,使应力分布均匀.

(a) 不处治

(b) 处治后

表6为处治20 a后不同区域最终沉降对比.由表可知：相比不处治情况,处治20 a后,路面中心、路肩沉降均减小,路面中心、路肩20 a内的绝对沉降量都是从区域A到区域D逐渐递增,处治效果逐渐降低,使沉降从桥头向道路方向呈渐变趋势,且各相邻区域的绝对沉降量相差不大,能较好地缓解桥头跳车现象.

图11为处治后各分区的沉降位移云图.由图可知,注浆形成的硬壳层沉降由中间向两侧逐渐递减,这主要是由于硬壳层下方为强度低、变形大的淤泥层,在路堤自重及交通荷载的作用下产生的压缩较小,而仅发生了一定程度的弯曲变形,符合温克尔弹性地基梁模型理论.同一排桩的沉降从区域A向区域D逐渐增大,这是因为桩长从区域A向区域D逐渐减小,复合地基的置换率逐渐降低.

表6 处治20 a后不同区域最终沉降对比

图11 处治20 a后各分区沉降位移云图(2019—2039年)

3.3.2 变形协调特征

图12为处治后的路面沉降变化曲线,由图可知,通过对路堤进行分区处治,使沉降要求严格的桥头搭板区域(0～8 m)沉降较小,沿道路延伸方向沉降逐渐增大,沉降控制呈现较好的渐变效果.此外,随处治时间增加,路堤各段沉降均缓慢增长,说明变刚度处治方案可以较好地缓解桥头跳车现象.

图12 处治不同时间后路面中心沉降曲线(2019—2039年)

4 结论

1) 旋喷桩桩长越长、桩径越大、桩间距越大、桩排数越多沉降控制效果越好,但本依托工程的桩径、桩间距、桩排数存在建议最优取值,分别是0.8 m、2.0 m、2；侧向注浆深度越大,路面中心沉降越小,但路肩沉降却越大,注浆深度的建议最优取值为5～8 m；5个参数的敏感度大小排序依次为桩长、桩径、桩排数、桩间距、侧向注浆深度,故渐变桩长实现变刚度的方案最优.

2) 旋喷桩对内、外侧路基起到了明显的隔离作用,将固结沉降控制在内侧路基范围；旋喷桩、硬壳层、路基土三者组成的复合地基整体刚度得到显著的提升,能够有效控制路基沉降；硬壳层刚度明显高于下卧软土路基,在路堤自重及交通荷载的作用下压缩较小,主要发生弯曲变形,符合温克尔弹性地基梁模型理论.

3) 对路基进行分区变刚度处治,即渐变桩长、其余参数取建议最优值,使桥头搭板区沉降较小,沿道路延伸方向沉降逐渐增大,沉降控制呈现较好的渐变效果；随处治时间增加,各区段沉降均缓慢增长,变刚度处治方案较好地缓解了桥头跳车现象.

4) 通过相对简单的二维数值模拟方法得到设计参数的建议最优值和敏感度排序,基于此再得出相对较优的处治方案.该研究方法亦可为其他处治技术的最优方案研究提供参考；类似的其他处治技术也可以借鉴文中复合地基变刚度处治技术.