阜溧高速路桥过渡段软基沉降控制技术

汪 明,谷亚陆,吴鸿胜,梁 斌,李文杰

(1.中铁十五局集团第五工程有限公司,天津 300133; 2.河南科技大学 土木工程学院,河南 洛阳 471023)

随着公路建设的快速发展,人们对路面的平顺性和行车时的安全舒适性有了更高要求。当公路路桥过渡段位于软土地基区域时,由于软土承载性能较差,在路基与桥梁之间易形成沉降差,可能会导致桥头出现跳车问题,严重时还会威胁行车安全[1-2]。软土主要包括淤泥和淤泥质黏土,其作为地基时通常具有低抗剪强度、高含水率、易压缩[3-5]等特点,在路基施工时需要对其进行加固处理。

目前,已有许多学者对软基加固问题进行了研究。邵韦弦[6]采用PLAXIS二维有限元程序,研究了软土地基上碎石桩和土工合成材料对路堤变形和稳定性的影响。吕国仁等[7]结合实际工程,通过水泥搅拌桩室内配合比试验和现场成桩试验,分析了水泥土强度及水泥土搅拌桩成桩质量的影响因素。章定文等[8]依托某软基加固工程进行现场试验,研究了旋喷搅拌桩加固含易液化粉土夹层软基的适用性和加固效果。在软基加固研究的基础上,许多学者对路桥过渡段软基处理也开展了研究。苏谦等[9]以中江高速公路某路桥过渡段为背景,对比分析了填筑泡沫轻质混凝土和埋设预应力管桩两种软基处理方法,认为采用泡沫轻质混凝土处理过渡段深厚软基在经济性和安全性方面有更大优势。谷世平等[10]依托浙江省81省道温岭段改建工程,采取设置水泥搅拌桩和填筑泡沫混凝土的技术处理路桥过渡段软基,通过沉降观测得出该技术可有效控制路桥过渡段沉降。卢兰萍等[11]依托福州某公路工程,采用Midas GTS NX有限元软件分别建立天然地基模型与CFG桩复合地基模型,对比分析了同一桩点处的沉降结果,结果表明CFG桩加固路桥过渡段软基有良好的效果。何玉琼等[12]以某高速公路软土地基路桥过渡段为例,运用FLAC3D模拟计算抗滑桩和CFG桩加固路基后的地表沉降,发现CFG桩的加固效果优于抗滑桩。赵涵秀等[13]结合具体工程案例,对比分析了一般悬浮桩与桩板结构对路桥过渡段的处理效果,并对桩板结构的部分参数进行了分析,结果表明桩板结构中混凝土板厚度是控制差异沉降的关键参数。肖东等[14]结合试验和数值模拟,研究了CFG桩加固软土路基对桥台桩基工作性状的影响,认为CFG桩在一定程度上限制了路基荷载下的土体蠕变特性。以上研究主要着重于路桥过渡段软基的加固,但对河湖发育区路桥过渡段软基处理方法及处理效果的研究相对较少。

本文依托阜溧高速公路某路桥过渡段软基处理工程,采用Midas GTS NX有限元软件对预应力管桩处理和水泥搅拌桩处理两种软基处理方案进行模拟分析,研究路桥过渡段深厚软基沉降特性,比较两种方案处理深厚软基后的地表沉降。

1 工程概况

阜溧高速公路在设计时采用一级公路标准,其中建湖至兴化段地处江苏省中部里下河浅洼平原区,区域内水网发达,河道交错纵横,存在深厚软基。深厚软基处理和控制工后沉降是本工程的重难点。本文选取的代表路段起点桩号为K29+150,终点桩号为K29+188,全长38 m。根据工程地质勘探报告,在项目区内主要分布有全新统松散层、上更新统黏土层、粉质黏土层、粉土层等软土地层。根据工程实际情况,采用水泥搅拌桩和管桩两种软基处理方案。

2 数值模拟分析

2.1 水泥搅拌桩处理方案模型建立

水泥搅拌桩处理方案为:桩径50 cm,桩长13.5 m,桩间距3 m,桥台背部共设置7排水泥搅拌桩。水泥搅拌桩材料力学参数如表1所示。

表1 水泥搅拌桩力学参数

采用Midas GTS NX有限元软件建立桥台台背区域的地质模型,土层力学参数如表2所示。

表2 土层材料力学参数

为减少计算量,参考文献[12]的建模方法,以道路中间桥台台背区域的地层为代表建立地质模型,模型纵向35 m、横向30 m,地层深度25 m。对路基和桥台也进行简化处理,路基长23 m、宽20 m、高4.5 m,桥台长2 m、宽20 m、高4.5 m。桥台和水泥搅拌桩采用线弹性模型,地层及路基填土采用摩尔-库伦本构模型。水泥搅拌桩采用软件的1D梁属性,地层及填土采用软件的3D实体属性。网格划分通过“自动-区域”功能实现,网格类型为混合网格。模型共7 811个单元、5 578个节点。模型顶部无约束,各个侧面设置水平方向位移约束,底部设置固定约束,数值分析模型如图1所示。

(a) 地质模型及约束

依次取距桥台2 m、8 m、16 m、22 m的横断面为监测断面,每个断面取3个监测点,3个监测点分别记作A、B、C,监测点位置如图2所示。模型完成计算后,记录监测点的沉降值。

图2 监测点布置图

2.2 预应力管桩处理方案模型建立

预应力管桩处理方案为:桩径400 mm,壁厚95 mm,桩长21 m,桩间距3.2 m,桥台背部路基共设置7排预应力管桩,呈正方形布置。管桩部分力学参数如表3所示。预应力管桩方案的地质模型与水泥搅拌桩方案一致(见图1),横断面和测点位置选取与水泥搅拌桩相同(见图2)。

表3 管桩力学参数

表4 水泥搅拌桩处理后各位置沉降值

3 结果分析与讨论

3.1 水泥搅拌桩处理方案结果分析

水泥搅拌桩处理模型的地基沉降云图如图3所示。由图3可以看出,水泥搅拌桩布置区域地表沉降在17.04～21.30 cm范围内,沉降从水泥搅拌桩加固区域到未加固区域出现了较为明显的过渡。

图3 水泥搅拌桩处理方案沉降云图

对沉降值进行提取,各点最终沉降量以及不同位置断面的沉降量如图4所示。

图4 水泥搅拌桩处理方案各位置沉降值

由图4可以看出:距离桥台越远的位置,地基表面沉降越大;沉降增长速率越快,水泥搅拌桩的加固效果越弱;在同一横断面,两侧沉降值基本相同,中点与两侧沉降差值较小,距桥台2 m时,差值只有1.5 cm,中点沉降值稍大于两侧沉降值。

3.2 预应力管桩处理方案结果分析

预应力管桩处理模型的沉降云图如图5所示。管桩布置区域的地表沉降量大部分在5 cm内,未布置管桩区域的地表沉降量最大达到了20 cm左右。由沉降分布情况可以看出,加固区域与和未加固区域界限较为明显,没有过渡区域,即地表沉降在超出加固区域时显著增大。

图5 预应力管桩处理方案沉降云图

在预应力管桩加固模型中,同样提取路基填筑完成后地表沉降结果,如表5所示。选用与水泥搅拌桩加固方案中相同的横断面,以便对两种方案进行比较。不同横断面的沉降趋势图如图6所示。

图6 预应力管桩处理方案各位置沉降值

表5 预应力管桩处理后各位置沉降值

由图6可以看出:在管桩处理范围内,距桥台越远,地表沉降值越大,最大沉降值为5.08 cm;在管桩处理范围外,在距桥台22 m处,沉降值最大为15.15 cm。对比水泥搅拌桩处理方案,预应力管桩处理效果较好,能有效提高软土地基竖向变形和承载能力,控制地基沉降变形。各断面A、B、C3个位置的沉降值变化趋势相同且差值较小。

3.3 两方案地表沉降对比

对上述两种方案的计算结果进行处理,得到距离桥台2 m、8 m、16 m、22 m处断面的地表平均沉降,两种方案沉降数据对比如表6所示。水泥搅拌桩处理方案中,离桥台越远,地表沉降越大,即加固效果越差。相比水泥搅拌桩处理方案,预应力管桩则对软土地基的处理效果更为显著,预应力管桩方案平均沉降减少了3～7倍。通过对比两种处理方案的数值模拟结果,最终确定该路桥过渡段软基采用预应力管桩处理。软基经过预应力管桩处理,可以更高效地减小地表沉降,避免由差异沉降引起的桥头跳车、路面开裂等质量问题。

表6 两种方案横断面平均沉降对比

4 预应力管桩处理方案中软基沉降监测值与模拟值对比

现场使用的预应力管桩桩长20～25 m,桩距3 m。管桩施工完成后,在桩顶设置掺灰处治土垫层,并铺设钢塑土工格栅,进一步提高路桥过渡段软基的加固效果。

4.1 预应力管桩施工

预应力管桩施工工艺流程如图7所示。管桩压桩采用静力压桩机进行施工,静力压桩机有低噪声、无污染、可连续施工的特点。在静力压桩机施工过程中,管桩桩身应力较小且不会出现拉应力,桩头一般完好,减小了复压的难度。

图7 施工工艺流程图

预应力管桩采取A型张拉法,通过千斤顶施加预应力。在管桩压桩施工完成后,进行桩帽施工。首先在对应桩头位置开挖地面,之后按设计要求绑扎钢筋,浇筑混凝土。

4.2 现场沉降监测

为检验路桥过渡段软土地基的加固效果,验证数值模拟结果的可靠性,选取间距为5 m的5个横断面作为监测面。对路基底部中点进行沉降监测,沉降值与数值模拟结果对比如图8所示。

图8 现场监测与数值模拟结果对比

由图8可知,距桥台越远的位置沉降越大,这与数值模拟结果一致。实测值与有限元模拟值相差较小,说明数值模拟结果较为准确,可为实际施工提供指导。

5 结论

(1) 采用水泥搅拌桩处理路桥过渡段软基,有一定效果,但加固后地表沉降较大,不能满足使用要求;采用预应力管桩处理路桥过渡段软基后,沉降减小十分明显,可有效避免出现过大沉降。

(2) 对比水泥搅拌桩和预应力管桩处理方案,阜溧高速路桥过渡段软基采用预应力管桩处理后,沉降得到有效控制,可避免由台后不均匀沉降引起的桥头跳车、路面开裂等问题。

(3) 采用预应力管桩处理路桥过渡段软基,地表沉降模拟值与实测值相差较小,数值模拟结果较为准确,可为类似工程提供借鉴。