高速公路預(yù)制板橋梁拓寬施工基礎(chǔ)沉降及收縮徐變控制

摘要：以某高速公路預(yù)制板橋梁的拓寬施工為研究背景，從新舊橋梁的沉降差異和收縮徐變差異的角度，提出增大樁徑、堆載預(yù)壓、濕接縫材料選擇和新舊橋拼接施工的合理時(shí)間等控制措施，為后續(xù)類(lèi)似施工提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制板式橋梁；拓寬施工；基礎(chǔ)沉降；收縮徐變

0" "引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已建高速公路的交通量不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)有道路已經(jīng)難以滿(mǎn)足交通需求，急需進(jìn)行道路拓寬改建[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多關(guān)于高速公路橋梁拼接方案的研究，但所得結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)均是針對(duì)某項(xiàng)目而言，在具體實(shí)施時(shí)存在較大差別，無(wú)法直接用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工工作[2]。從安全角度上考慮時(shí)，拓寬橋梁的基礎(chǔ)沉降與混凝土的收縮徐變的影響較大，鑒于此，本文針對(duì)高速公路預(yù)制板橋梁拓寬施工基礎(chǔ)沉降與收縮徐變控制進(jìn)行研究，以期為后續(xù)類(lèi)似項(xiàng)目的橋梁拓寬提供參考。

1" "基礎(chǔ)沉降規(guī)律

一般情況下，按照時(shí)間先后的順序進(jìn)行劃分時(shí)，基礎(chǔ)沉降共有3個(gè)階段，分別是瞬時(shí)沉降Sj、固結(jié)沉降Sc、次壓縮沉降Ss。在各荷載作用下，基礎(chǔ)沉降過(guò)程曲線如圖1所示。

在橋梁加寬施工時(shí)，舊橋已經(jīng)基本完成基礎(chǔ)沉降，要對(duì)新橋和舊橋基礎(chǔ)沉降差進(jìn)行控制，需從降低新橋樁基工后沉降變形角度入手。新橋樁基礎(chǔ)荷載-沉降曲線如圖2所示。從圖2可以看出，若控制荷載為設(shè)計(jì)荷載，則橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)的新舊橋的最大沉降差，可通過(guò)設(shè)計(jì)荷載下新橋樁基沉降量減去恒載作用下樁基沉降得到。要使新舊橋樁基沉降差得到控制，就需要將最大沉降差控制在容許范圍內(nèi)[3]。

2" "基礎(chǔ)沉降技術(shù)

為對(duì)新舊橋樁基的最大沉降差進(jìn)行控制，需對(duì)新橋樁基施工時(shí)的鉆孔[4]和沉渣進(jìn)行控制，以確保新橋樁基工后沉降滿(mǎn)足要求。除此之外，還可以通過(guò)加固地基、增補(bǔ)樁基等方式控制樁基沉降。對(duì)比各項(xiàng)控制方法，結(jié)合本工程實(shí)際，決定通過(guò)增大樁長(zhǎng)和提前堆載預(yù)壓的方式，控制橋梁拼寬的基礎(chǔ)沉降。

2.1" " 增大樁長(zhǎng)沉降控制技術(shù)

當(dāng)前已經(jīng)研究表明，一定條件下，增大樁長(zhǎng)可以有效對(duì)橋梁拼寬的差異沉降進(jìn)行控制，但樁長(zhǎng)參數(shù)還需結(jié)合項(xiàng)目各項(xiàng)條件進(jìn)行考慮。通過(guò)“Pile 7.2”軟件進(jìn)行樁基沉降計(jì)算，所依據(jù)理論為《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[5]。計(jì)算時(shí)僅對(duì)新橋的樁基作用進(jìn)行考慮，而忽略新舊樁基間的相互影響。樁基建模參數(shù)為C30混凝土，以鉆孔灌注樁進(jìn)行施工。基于初步擬定的樁徑，在確保單樁承載力得到滿(mǎn)足的情況下，初步計(jì)算某高速公路橋梁的樁長(zhǎng)如表1所示。

2.1.1nbsp; "沉降隨樁長(zhǎng)變化分析

在確保單樁豎向承載力滿(mǎn)足的情況下，根據(jù)長(zhǎng)期效應(yīng)組合對(duì)樁頂反力進(jìn)行計(jì)算，以此作為控制橋梁樁基的沉降荷載，隨著不斷增長(zhǎng)的橋梁樁長(zhǎng)，其沉降的變化如圖3所示。限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

從圖3可以看出：在設(shè)計(jì)樁頂力作用下，隨著不斷增加的樁長(zhǎng)，除了B橋之外，樁基沉降量不斷降低。但隨著不斷增加的樁長(zhǎng)，沉降降低幅度不斷減小。由此表明，通過(guò)增大樁長(zhǎng)的方式降低新舊橋差異沉降有明顯效果，但兩者不存在線性聯(lián)系，降低沉降的效果也有限。B橋樁基再25～30m時(shí)，其沉降量有所增大，原因在于B橋25～30m的地層有軟弱下臥層存在。當(dāng)軟弱下臥層中有樁端作用時(shí)，樁端下土層為主要壓縮層，因此有較大沉降。30m以上的地下有相同土層，樁基沉降隨著不斷增加的樁長(zhǎng)而不斷減小。A、C、D橋在確保單樁豎向承載力符合要求時(shí)有1.4～3.0mm的沉降量，比沉降容許值要小。因此針對(duì)該類(lèi)有著較好地質(zhì)條件的橋梁而言，在確保樁基承載力得到滿(mǎn)足的條件下，可不再增加樁長(zhǎng)。

2.1.2" "沉降隨荷載的變化分析

B橋在樁長(zhǎng)為25m和35m時(shí)，樁基在不同荷載組合下與僅有恒載作用下的變化如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)一定時(shí)，樁基沉降量隨著不斷增加的荷載而不斷變大。在相同的作用荷載下，相比于25m樁長(zhǎng)的工況，35m樁長(zhǎng)的工況有更大的樁基沉降量。因此若有軟弱下臥層出現(xiàn)在樁端下方時(shí)，應(yīng)確定該層厚度和相關(guān)狀況，并進(jìn)行沉降分析以確定是否需要將樁長(zhǎng)進(jìn)一步伸長(zhǎng)。

B橋在25m和35m的樁長(zhǎng)下，在不同荷載條件下的沉降差如下圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)一定時(shí)，橋梁在運(yùn)營(yíng)期間隨著不斷增加的活載，樁基沉降量表現(xiàn)出線性關(guān)系。當(dāng)樁長(zhǎng)為25m時(shí)，相比于恒載的工況，恒載加活載工況下的沉降量上升約2.3mm。同樣，當(dāng)樁長(zhǎng)為35m時(shí)沉降量約有4.3mm的增長(zhǎng)。B橋所處地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土，為此有較長(zhǎng)時(shí)間的恒載沉降。

考慮到成橋后的90d再進(jìn)行拼接施工，當(dāng)樁長(zhǎng)為25m時(shí)，拼接后有4.5mm的剩余沉降，相比于6mm的容許沉降值要小；當(dāng)樁長(zhǎng)為35m時(shí)，拼接后有9mm的剩余沉降，相比于6mm的沉降容許值要小。因此在具體施工時(shí)，對(duì)于較差地質(zhì)環(huán)境的情況，不僅需要使樁長(zhǎng)增加以降低沉降，還需開(kāi)展進(jìn)一步的堆載預(yù)壓，使橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)的活載沉降有所減小。此外，針對(duì)勘察階段鉆孔深度不滿(mǎn)足要求的路段，需進(jìn)行鉆孔資料的補(bǔ)充，以確定軟弱下臥層的具體深度，并將樁端嵌入有較大壓縮模量的土層，以使樁端沉降有所減小。

2.1.3" "典型地質(zhì)條件下摩擦樁沉降控制分析

鑒于全線地質(zhì)資料有較大的離散性，為對(duì)樁長(zhǎng)與摩擦樁沉降間的聯(lián)系作出進(jìn)一步研究，決定以10m跨徑板橋橋臺(tái)樁基、13m和16m跨徑空心板橋橋墩與橋臺(tái)樁基作為研究對(duì)象。不同荷載下樁基沉降計(jì)算結(jié)果如表2所示。其中設(shè)計(jì)值代表符合豎向承載力時(shí)的樁長(zhǎng)。

從表2可以看出：在粉質(zhì)黏土中，在設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)下，13m和16m的空心板橋墩臺(tái)樁基無(wú)法滿(mǎn)足沉降要求，需在此基礎(chǔ)上提升樁長(zhǎng)或進(jìn)行堆載預(yù)壓，以對(duì)沉降進(jìn)行控制。在增大樁長(zhǎng)后可以將堆載預(yù)壓質(zhì)量減少。在設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)下，10m空心板橋臺(tái)樁基可以滿(mǎn)足沉降要求，根據(jù)理論計(jì)算成果可以不增大樁長(zhǎng)或堆載預(yù)壓。在中砂地質(zhì)環(huán)境中，在設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)下，3種樁長(zhǎng)的空心板橋墩臺(tái)樁基沉降均可滿(mǎn)足要求，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果可以不增大樁長(zhǎng)或堆載預(yù)壓。

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)土層參數(shù)確定控制沉降的措施，并進(jìn)行樁長(zhǎng)的擬定。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，建議基于豎向承載力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)資料將樁長(zhǎng)適當(dāng)增加。針對(duì)粉質(zhì)黏土中的摩擦樁，需將加長(zhǎng)保持在10m以下，中砂中的摩擦樁則應(yīng)將加長(zhǎng)保持在6m以下。

2.2" " 堆載預(yù)壓沉降控制

為滿(mǎn)足工期和交通要求，拼寬處的新橋梁和舊橋進(jìn)行拼接前僅有較短的沉降時(shí)間，若地基質(zhì)量較差，則只通過(guò)結(jié)構(gòu)自重的短期沉降，難以符合要求。一般需要采取一定的處置措施，通過(guò)加載預(yù)壓場(chǎng)地或上部結(jié)構(gòu)等方式排除土體孔隙水，使其固結(jié)，以確保新橋在和舊橋拼接前就已經(jīng)基本完成地基沉降。當(dāng)預(yù)壓時(shí)沉降滿(mǎn)足要求后進(jìn)行卸載，再拼接新舊橋。

在地基加固中，堆載預(yù)壓是最為常見(jiàn)的方式。綜合上述分析及現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，對(duì)于端承樁而言，因其沉降較小，為此在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鉆孔工藝和沉渣厚度的控制，并延長(zhǎng)拼接接縫時(shí)間，盡早實(shí)施新橋的二期恒載，以控制沉降。

對(duì)于摩擦樁而言，因其沉降相對(duì)較大，為此在施工時(shí)要加強(qiáng)對(duì)鉆孔工藝和沉渣厚度的控制，在進(jìn)行拼接之前應(yīng)該盡早實(shí)施橋面鋪裝、護(hù)欄和堆載預(yù)壓等施工，以對(duì)沉降做出有效控制。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)堆載期的觀測(cè)，若上述措施作用下樁基沉降仍然不符合要求，則可通過(guò)在樁側(cè)、樁端注漿的方式進(jìn)行控制。

3" "新舊橋梁混凝土收縮徐變差控制

3.1" " 濕接縫混凝土材料的選擇

在該高速公路橋梁拼寬時(shí)，通過(guò)澆筑UEA補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行濕接縫的連接。結(jié)果顯示，該濕接縫有較好的連接質(zhì)量，搭接位置未出現(xiàn)裂紋，搭接底部無(wú)滲水情況出現(xiàn)。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)[6]，增大UEA膨脹劑摻量到一定值時(shí)，其強(qiáng)度隨著不斷增大的摻量會(huì)有所減小，因此摻量不宜過(guò)大，一般應(yīng)控制在15%以下。在（20±2）℃的水中進(jìn)行UEA混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)，該混凝土體積會(huì)由快到慢的不斷膨脹，并在14d之后穩(wěn)定在最大值（此時(shí)出現(xiàn)最大自應(yīng)力值）。之后，再將其放置到有60%～70%相對(duì)濕度的環(huán)境里進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其體積會(huì)不斷收縮，自應(yīng)力不斷減小，直到保持穩(wěn)定。

通過(guò)微膨脹混凝土早期水養(yǎng)膨脹值，對(duì)后期干燥收縮值進(jìn)行補(bǔ)償，可以對(duì)混凝土變形性能進(jìn)行改善。UEA摻量不同時(shí)檢測(cè)混凝土限制膨脹結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在14d內(nèi)出現(xiàn)了90%以上的限制膨脹，即該范圍為補(bǔ)償收縮的主要作用期，說(shuō)明其具有快硬和早強(qiáng)的特點(diǎn)。鑒于此，推薦將UEA補(bǔ)償收縮混凝土作為連接新舊橋濕接縫。

3.2" " 確定合理拼接時(shí)間

初期混凝土有較快的收縮徐變，6個(gè)月時(shí)間便可以達(dá)到約75%的徐變最終值，后續(xù)的增長(zhǎng)較為平穩(wěn)，在3年后保持穩(wěn)定。因此，在確保工期和交通要求得到滿(mǎn)足的前提下，為使收縮徐變對(duì)橋梁受力造成的影響盡可能減小，應(yīng)盡可能延長(zhǎng)橋梁拼接時(shí)間，推薦在新橋完工6個(gè)月后再連接新舊橋梁。此外，要加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，確保施工養(yǎng)護(hù)條件良好。

4" "結(jié)語(yǔ)

本文以某高速公路預(yù)制板橋梁的拓寬施工為研究背景，從新舊橋梁的沉降差異和收縮徐變差異的角度，提出增大樁徑、堆載預(yù)壓、濕接縫材料選擇和新舊橋拼接施工的合理時(shí)間等控制措施，得出以下結(jié)論：

在控制新舊橋基礎(chǔ)差異沉降時(shí)，嵌巖樁可通過(guò)增加接縫拼接時(shí)間、盡早施加二期恒載的方式控制沉降。而摩擦樁除了需要使用以上措施之外，還需適當(dāng)增加樁長(zhǎng)，在有較大壓縮模量的土層中嵌入樁端，以控制沉降。對(duì)于處于較差土層特性的橋梁，還應(yīng)同時(shí)進(jìn)行堆載預(yù)壓，并跟蹤觀測(cè)堆載期的沉降，以確定拼接的時(shí)間。

針對(duì)初設(shè)時(shí)的摩擦樁樁長(zhǎng)，建議在滿(mǎn)足豎向承載力計(jì)算樁長(zhǎng)的前提下，適當(dāng)增大樁長(zhǎng)。針對(duì)粉質(zhì)黏土中的摩擦樁，應(yīng)將其增加尺寸保持在10m以下。針對(duì)中砂中的摩擦樁，應(yīng)將其增加尺寸保持在6m以下。

通過(guò)UEA補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行濕接縫的施工，可以控制混凝土的收縮徐變。在拼接時(shí)，若工期允許，應(yīng)盡量保持新舊橋梁的連接在新橋完工的6個(gè)月之后。

參考文獻(xiàn)

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