對減少公路路橋沉降差的設計及措施探討

高澤雨

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019)

對減少公路路橋沉降差的設計及措施探討

高澤雨

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019)

結合某公路路橋改擴建工程實例，以預應力管樁方案為研究對象，引入有限元計算方法對減少沉降差的優化設計問題進行研究，提出優化沉降差控制設計方案的相關因素。

橋梁；沉降差；設計

1 工程概況

本公路橋梁設計荷載為公路-Ⅰ級，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，結構形式均為預應力空心板橋，樁基基礎為鉆孔灌注樁基礎。為提高公路路橋荷載等級以及使用性能，擬采用雙側加寬方式對路面進行加寬改造，并針對不均勻沉降問題進行綜合處治。

2 設計方案

既往大量工程經驗表明：在公路路橋改擴建工程中，應用預應力管樁基礎具有成樁速度快、樁基質量可靠、結構承載力高、沉降差控制效果好等優勢。目前，在工業、民用建筑中，預應力管樁應用非常廣泛，對提高建筑結構承載力水平，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，設置預應力管樁的主要目的是對沉降差異的控制。同時，考慮到預應力管樁較常規水泥土樁工程造價更高，且樁身強度大、承載力高，因此在本工程復合地基基礎設計過程中充分發揮樁—土共同作用，通過疏化樁距的措施使預應力管樁相關作用充分發揮出來。

同時，為避免預應力管樁向上對土體造成刺入破壞影響，在管樁頂部需設置樁帽防護，樁帽頂部加鋪設碎石墊層。由于樁基—土體剛度差異大，因此在碎石墊層中還可增設一層土工格柵，以提高碎石墊層整體剛度，形成樁—網墊層復合地基，以發揮土體作用。

3 設計優化

在本工程應用預應力管樁基礎對沉降差異進行控制的過程中，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、樁體長度、樁帽半徑、墊層高度、樁體模量等。在預應力管樁沉降計算中必須綜合考慮上述因素，故以下通過MARC程序系統分析相關主要因素對公路路橋改擴建工程中加寬路堤荷載下復合地基沉降的影響，進而針對基于沉降差異控制的管樁復合地基優化設計提供意見與建議。

3.1 基本參數

如圖1所示為本工程典型有限元計算模型。模型中樁基中心距為2.4 m，選擇路堤長度方向兩端作為典型路段，中心對稱面、側面各節點均無水平位移，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，加固區軟土層厚度為10.0 m)。為簡化計算流程，以典型路段1/2寬度作為計算區域，有限元計算基礎參數如表1所示。

圖1 本工程典型有限元計算模型示意圖

表1 本工程計算區域有限元計算基礎參數示意表

3.2 主要工況

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

B工況：本工況主要針對樁體模量對復合地基沉降性能的影響進行分析。預應力管樁樁徑取值60.0 cm，樁長取值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條件下的復合地基沉降性能進行觀察。

C工況：本工況主要針對樁體長度對復合地基沉降性能的影響進行分析。預應力管樁樁徑取值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。對樁基長度在6.0 m、8.0 m、10.0 m、12.0 m條件下的復合地基沉降性能進行觀察。

3.3 計算結果

A工況分析結果如下圖所示(見圖2)。圖2中顯示：當樁體半徑取值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)，復合地基沉降量呈現出減小取值(自55.4 m下降至53.1 m)。分析認為主要因素是：增大樁帽尺寸實質上降低了樁帽間土體所承受荷載作用力水平。同時，隨著預應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，復合地基沉降量顯著下降。根據圖2數據可知：在本案例中，若樁體模量越大，則可通過設計較大樁帽的方式提高預應力管樁沉降差異控制效用的發揮。

圖2 樁帽等效半徑與樁基等效半徑比對復合地基沉降性能的影響示意圖

B工況分析結果如圖3所示。圖3中顯示：隨著預應力管樁樁體模量的增加，復合地基沉降量有一定的下降趨勢。且對于加固區而言，頂面沉降量顯著高于底面。該特征提示預應力管樁能夠顯著提高加固區復合模量水平，同時降低加固區壓縮量。但對于下臥層而言，預應力管樁樁體模量增加對其沉降的影響相對較少。根據圖3數據可知：在本案例中，樁體模量同樣是沉降量優化設計中不容忽視的因素之一。

圖3 樁體模量對復合地基沉降性能的影響示意圖

C工況分析結果如圖4所示，圖4中顯示：隨著預應力管樁樁體長度的增加，復合地基頂面沉降峰值有一定的下降趨勢。樁計算長度對地基頂面沉降的影響曲線的斜率越大，長越小，對復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，管樁長度應當能夠穿越軟弱土層，以提高沉降差處置效果。

圖4 樁體長度對復合地基沉降性能的影響示意圖

4 結束語

綜合本研究有限元計算結果得出以下結論：(1)若樁體模量越大，則可通過設計較大樁帽的方式提高預應力管樁沉降差異控制效用的發揮；(2)樁體模量同樣是沉降量優化設計中不容忽視的因素之一；(3)在樁體模量較小情況下，管樁長度應當能夠穿越軟弱土層，以提高沉降差處置效果。

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2016-05-11

U412

C

1008-3383(2017)02-0024-02