樁板式路基結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長分析

丁 楠， 許 健， 李劍鸞

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

樁板式路基結(jié)構(gòu)是由預(yù)制橋面板、管樁組成的框架結(jié)構(gòu)體系，相對于傳統(tǒng)的路基方案，樁板式路基結(jié)構(gòu)剛度大，工后沉降小，可用于代替3～8 m填土路基[1-4]。

當(dāng)前，國家推行綠色公路建設(shè)，要求提高公路的耐久性、使用性、環(huán)保性和景觀性。采用結(jié)構(gòu)化的觀點、工業(yè)化的模式，在規(guī)模化、系列化的水平上，實施公路的少土、無土、高效、低價建設(shè)，是應(yīng)對現(xiàn)實挑戰(zhàn)，響應(yīng)綠色發(fā)展，踐行綠色公路理念的必然選擇[1,2]。

目前，樁板式路基結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)有了較大規(guī)模的應(yīng)用，但其合理的聯(lián)長范圍問題尚待解決。

1 樁板式路基結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文以某新建高速公路項目為背景，進行樁板式路基結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長分析。本項目樁板式路基懸臂板寬1.87 m，管樁橫向間距4.5 m，總預(yù)制板寬12.74 m。標準跨徑為6 m，橋面板采用縱向分塊預(yù)制，相鄰預(yù)制板之間由0.3 m寬度濕接縫進行連接。橫向跨中板厚26 cm，懸臂端厚26 cm，加腋根部厚50 cm，沿順橋向等厚度布置。聯(lián)端板為提高剛度和強度，橫向跨中板厚增厚至50 cm；縱向加厚范圍為聯(lián)端1 m范圍。下部采用PRC-Ⅰ500AB型管樁+PHC500AB型管樁的配樁形式。管樁和橋面板連接采用固結(jié)方式。

圖1 標準橫斷面圖

2 樁板式路基有限元分析

2.1 樁板式路基有限元模型

采用MIDAS Civil進行數(shù)值分析。其中橋面板采用板單元模擬，劃分約為500 mm×500 mm一個單元；樁采用梁單元模擬。有限元模型如圖2所示。

圖2 樁板式路基有限元模型

考慮到混凝土開裂因素，計算時認為樁板連接處接頭約40 cm中心柱起受力作用，如圖2所示，周圍5 cm素混凝土退出工作。

圖3 數(shù)值分析中的樁板連接

為模擬土質(zhì)對樁的作用，分析中利用節(jié)點彈性支撐建立橫向和縱向的土彈簧。彈簧的剛度依據(jù)“M”法計算得到土的水平作用效應(yīng)[5]。其中土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)取用10 MN/m4[6]。

邊界條件：在樁與護欄底部施加豎向彈簧支撐，聯(lián)端支座位置僅施加豎向支撐。

2.2 荷載工況

計算中主要考慮自重、二期荷載、均勻溫度作用、梯度溫度作用以及汽車荷載、汽車制動力、基礎(chǔ)沉降等作用。沉降考慮5 mm，其余作用均依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定取值。汽車荷載最多考慮3個車道，考慮正載和偏載工況。

2.3 結(jié)構(gòu)合理聯(lián)長范圍計算

樁板式路基結(jié)構(gòu)的可靠性由樁板連接接頭控制，聯(lián)長比選與優(yōu)化時綜合考慮以下四個因素：①標準組合下墩頂縱橋向位移不超過2 cm(不超過60型伸縮縫伸縮量)；②標準組合下，樁基在地面處的位移不超過6 mm(滿足m法的計算要求[6])；③考慮工業(yè)化建造要求，樁板連接接頭縱向受力鋼筋按照8根φ25配筋(配筋率為3.13%)，不同填土高度統(tǒng)一配筋形式；樁板連接接頭按偏心受壓構(gòu)件計算時承載力安全系數(shù)大于1.1。

分別對4 m、6 m、8 m名義填土高度的樁板式路基按不同聯(lián)長進行有限元分析。

2.3.1 4 m名義填土高度下聯(lián)長分析

分析結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 標準組合下聯(lián)長-位移關(guān)系曲線

圖5 基本組合下偏心受壓承載力聯(lián)長-彎矩關(guān)系曲線

圖6 基本組合下偏心受壓承載力聯(lián)長-軸力關(guān)系曲線

由計算結(jié)果分析知，聯(lián)長為36～66 m(跨數(shù)為6～11跨)時，標準組合下, 板的最大位移為13.5 mm，樁基在地面處的最大位移為5.8 mm，樁板連接接頭最不利偏壓承載力安全系數(shù)為1.10～1.16。

2.3.2 6 m名義填土高度下聯(lián)長分析

分析結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 標準組合下聯(lián)長-位移關(guān)系曲線

圖8 基本組合下偏心受壓承載力聯(lián)長-彎矩關(guān)系曲線

圖9 基本組合下偏心受壓承載力聯(lián)長-軸力關(guān)系曲線

由計算結(jié)果分析知，聯(lián)長為42～102 m(跨數(shù)為7～17跨)時，標準組合下板最大位移為18.0 mm，樁基在地面處的最大位移為5.9 mm，樁板連接接頭最不利偏壓承載力安全系數(shù)為1.11～1.21。

2.3.3 8 m名義填土高度下聯(lián)長分析

分析結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 標準組合下聯(lián)長-位移關(guān)系曲線

圖11 基本組合下偏心受壓承載力聯(lián)長-彎矩關(guān)系曲線

圖12 基本組合下偏心受壓承載力聯(lián)長-軸力關(guān)系曲線

由計算結(jié)果分析知，聯(lián)長為102～132 m(跨數(shù)為16～22跨)時，標準組合下板最大位移為20.0 mm，樁基在地面處的最大位移為4.4 mm，樁板連接接頭最不利偏壓承載力安全系數(shù)為1.20～1.29。

2.3.4 結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長范圍

基于以上計算，不同名義填土高度對應(yīng)的樁板式路基結(jié)構(gòu)合理聯(lián)長范圍見表1。

表1 不同名義填土高度下的合理聯(lián)長范圍

3 結(jié) 論

樁板式路基結(jié)構(gòu)的聯(lián)長如何取值影響著結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。目前，國內(nèi)尚未對該結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長進行研究。本文針對不同名義填土高度，從結(jié)構(gòu)縱向位移和樁板連接接頭受力可靠性的角度對結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長范圍進行分析。計算結(jié)果表明：當(dāng)樁板式路基名義填土高度為4 m時，結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長為42～66 m；當(dāng)名義填土高度為6 m時，結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長為72～102 m；當(dāng)名義填土高度為8 m時，結(jié)構(gòu)的合理聯(lián)長為102～132 m。