鋼管樁在拼寬橋梁基礎(chǔ)加固中的應(yīng)用

王 琪,吳 勇,盧繼指,王 超

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,我國高速公路路網(wǎng)建設(shè)如火如荼。隨之出現(xiàn)很多高速公路樞紐建設(shè)、高速公路改擴(kuò)建等不同類型的涉及橋梁拼寬的工程。在橋梁拼寬設(shè)計中,控制拼寬橋梁與既有橋梁的不均勻沉降對于橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全尤為重要。其中控制橋梁不均勻沉降關(guān)鍵為控制其基礎(chǔ)的沉降。近年來,國內(nèi)公路建設(shè)中廣泛采用了微型鋼管樁用于基礎(chǔ)加固[1-2],取得了較好的效果,但其對拼寬橋梁的適用性,值得進(jìn)一步進(jìn)行研究。

本文以吳隆路定舊分離式立交拼接工程為例,采用理論分析和經(jīng)濟(jì)比選,論證鋼管樁在橋梁拼寬基礎(chǔ)加固施工中的可行性。

1 工程概況

1.1 橋梁拼寬基本情況

定舊分離式立交橋為南百高速公路上跨鄉(xiāng)村道路而設(shè)置的分離式立交橋[3]。根據(jù)南寧南過境線(吳圩機(jī)場至隆安段)壇洛樞紐互通建設(shè)需要,需對其左幅加寬3.552 m,右幅維持原狀。原橋面寬度為2×14.0 m,橋下凈空滿足路線凈空要求。加寬后,左幅橋面寬17.552 m,右幅14.0 m。原設(shè)計荷載:公路-Ⅰ級;新預(yù)制梁:公路-Ⅰ級。原橋上構(gòu)為1～16 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心梁,橋臺為重力式橋臺,明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸為6 m×32 m。新拼寬基礎(chǔ)設(shè)計尺寸為4 m×6 m,新預(yù)制梁為1～16 m后張預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁,與原橋的邊梁采用濕接縫連接。加寬橋臺擬采用重力式橋臺,采用樁基礎(chǔ)。但受場地條件限制,大型旋挖成孔機(jī)械難以進(jìn)場,擬采用鋼管樁代替原有樁基礎(chǔ),以減少施工期間機(jī)械設(shè)備對原有路基產(chǎn)生的擾動。

1.2 橋梁區(qū)地質(zhì)條件

橋梁所在區(qū)域地貌為巖溶平原微丘地貌,橋址區(qū)覆蓋第四系殘積土層,未見基巖出露。橋位區(qū)基本地震動峰值加速度值為0.10 g,對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度,基本地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性較好。地面以下巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 橋址區(qū)地層參數(shù)一覽表

根據(jù)橋梁的設(shè)計圖紙,在基本組合下,拼寬橋梁擴(kuò)大基礎(chǔ)基底壓力為250 kPa。

1.3 鋼管樁加固方案

為控制差異沉降,定舊分離式立交橋拼寬部分采用擴(kuò)大基礎(chǔ)+鋼管樁基礎(chǔ)方案。鋼管樁為直徑15 cm鋼管注漿混凝土樁,采用鉆機(jī)成孔,鋼管為直徑10.8 cm、壁厚8 mm的熱軋無縫鋼管,管身按間距50 cm十字交錯打孔。樁體注漿采用M30水泥砂漿。鋼管樁按矩形布置,間距按75 cm×80 cm,共計75根。鋼管樁深入擴(kuò)大基礎(chǔ)內(nèi)部長度為30 cm。如圖1所示。

圖1 橋梁鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計圖(m)

2 拼寬后沉降計算分析

2.1 擴(kuò)大基礎(chǔ)方案沉降計算

當(dāng)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方案時,基礎(chǔ)埋深為2.0 m。基底中心位置變形即為墩臺基礎(chǔ)的最終沉降量,可按《公路橋涵地質(zhì)與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的沉降公式計算:

(1)

式中:ψs——沉降計算經(jīng)驗系數(shù);

p0——基礎(chǔ)底面處附加壓應(yīng)力;

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量;

zi、zi-1——基礎(chǔ)底面至第i、i-1層土的底面的距離;

該橋梁基礎(chǔ)底面的附加應(yīng)力p0=250 kPa,結(jié)合表1的地層參數(shù),沉降計算經(jīng)驗系數(shù)取1.0。按簡化為一層計算,取z1=18 m,查表得α=0.266 5。經(jīng)計算可得拼寬基礎(chǔ)中心的最終沉降量s=128.95 mm。

對于拼寬橋梁基礎(chǔ)引起的既有基礎(chǔ)沉降,可以通過應(yīng)力疊加原理,同樣利用式(1)沉降公式計算得出。根據(jù)查表計算可知,拼寬橋梁后,引起的既有橋梁基礎(chǔ)的中心位置、基礎(chǔ)1/4處位置和邊緣位置的沉降分別為:0.73 mm、7.26 mm、86.13 mm。

對于擴(kuò)大基礎(chǔ),一般在無法滿足沉降要求時,可采用加寬基礎(chǔ)尺寸的方式,通過降低基底附加應(yīng)力以減少沉降。對于該橋梁,如采用6 m×8 m尺寸,即原有基礎(chǔ)寬度和長度尺寸各增加2 m,則基礎(chǔ)面積增加一倍。通過查表得加寬后α1=0.345,經(jīng)計算加寬基礎(chǔ)后拼寬基礎(chǔ)的中心最終沉降量s=86.13 mm。

2.2 鋼管樁沉降計算

對于樁中心距不大于6倍的樁徑,也即樁中心間距≤90 cm,根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求,應(yīng)作為墩臺基礎(chǔ)計算群樁的沉降量,同時也應(yīng)計算樁身壓縮量。

群樁的沉降量可作為整體基礎(chǔ)按式(1)進(jìn)行計算,在計算時,計算沉降的土層厚度為基礎(chǔ)底部土層厚度減去樁長后的土層厚度。

對于樁體部分的變形,可假設(shè)基礎(chǔ)底部應(yīng)力全部由鋼管樁承受,此時僅計算單根鋼管樁的變更即可。即:

(2)

鋼管外側(cè)保護(hù)層厚度為2.1 cm,對于細(xì)長樁體,在受壓變形時,容易出現(xiàn)彎曲變形,從而導(dǎo)致外部保護(hù)層剝落開裂,受壓性能大大降低。因此,對于鋼管樁計算面積取管樁包裹范圍內(nèi)面積,即樁體截面積為鋼管圍成的面積,對于10.9 cm鋼管,Aps=91.6 cm2。按方形布置鋼管樁、樁間距為75 cm時,鋼管樁單樁作用面積為A=5 626 cm2,此時Qj=p×A。Ec為樁體彈性模量,按水泥彈性計算,為3.00×104MPa。根據(jù)以上各參數(shù),即可計算出鋼管樁樁身壓縮值。由群樁基礎(chǔ)底部地基沉降疊加鋼管樁樁身壓縮值,據(jù)此可求得不同鋼管樁長度對應(yīng)的拼寬基礎(chǔ)中心的沉降值(如表2所示)。

表2 不同鋼管樁長度下新建基礎(chǔ)沉降值計算結(jié)果表

3 沉降對比分析

根據(jù)以上計算結(jié)果,由下頁圖2可知,如果采用與原有基礎(chǔ)一樣的擴(kuò)大基礎(chǔ),新增加的基礎(chǔ)與原有基礎(chǔ)相對沉降比較大,不均勻沉降導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)橫坡,最大橫坡達(dá)2%。對于橋梁結(jié)構(gòu),橫向的不均勻沉降會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力,在運營時容易在濕接縫位置出現(xiàn)縱向裂縫等結(jié)構(gòu)問題,同時如果產(chǎn)生較大的橫向不均勻沉降,對于車輛通行也存在較大的風(fēng)險。如果采用加寬基礎(chǔ)方案來降低沉降,在基礎(chǔ)面積增加一倍的情況下,新建橋梁基礎(chǔ)中心最終沉降值僅降低了約33%,降低效果不明顯。

圖2 不同條件下橋梁不同位置沉降對比曲線圖

對設(shè)置不同長度鋼管樁條件下的沉降計算分析表明,鋼管樁長度在15 m時,新建橋梁基礎(chǔ)中心位置的沉降大幅降低。鋼管樁設(shè)置在基巖中時,主要沉降為鋼管樁自身的壓縮變形,此時新建基礎(chǔ)的沉降僅為未設(shè)置鋼管樁時的8%。

圖2為設(shè)置不同長度鋼管樁和未設(shè)置鋼管樁條件下,新建橋梁基礎(chǔ)中心和既有橋梁基礎(chǔ)不同位置的沉降量計算值對比情況。通過對比分析可知,未設(shè)置鋼管樁和設(shè)置5 m、10 m、15 m、20 m鋼管樁條件下沉降引起的橫坡變化分別為2.1%、2.0%、1.6%、0.1%、0。在設(shè)置15 m長錨筋樁時,橋梁的整體沉降即比較均勻,設(shè)置20 m長鋼管樁時,橋梁的整體沉降不明顯。由此可見,設(shè)置15 m以上鋼管樁即可滿足沉降要求,如果設(shè)置為20m長鋼管樁,此時為嵌巖樁,橋梁整體沉降會大大降低。

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)以上計算分析結(jié)果,在定舊分離式立交橋拼寬基礎(chǔ)中采用φ15 cm鋼管樁,鋼管樁設(shè)置為嵌巖樁。與同長度混凝土樁相比,造價降低了25%。根據(jù)通車運營后一年多以來的監(jiān)測數(shù)據(jù),拼寬橋梁中心在建成7個月后沉降趨于穩(wěn)定,最大沉降量為3.5 mm,未見橋梁有明顯變形(見圖3),可見在拼寬橋梁中基礎(chǔ)采用鋼管樁加固可以有效地控制沉降。

圖3 建成后差異沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)語

(1)拼寬橋梁直接采用擴(kuò)大基礎(chǔ)雖然滿足承載力要求,但會導(dǎo)致新舊橋梁出現(xiàn)差異沉降,采用增加基礎(chǔ)面積來減少沉降的效果并不明顯。

(2)采用鋼管樁基礎(chǔ)可有效降低拼寬橋梁的沉降,其中鋼管樁直接穿過土層效果最好。

(3)與普通混凝土樁基礎(chǔ)相比,鋼管樁具有良好的經(jīng)濟(jì)性,在一定條件下可以直接作為拼寬橋梁基礎(chǔ)。