開蘭特大橋臨時(shí)支架復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)

李青，葉朝良，趙任龍

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043)

開蘭特大橋臨時(shí)支架復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)

李青，葉朝良，趙任龍

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043)

鄭徐客專開蘭特大橋采用臨時(shí)支架進(jìn)行混凝土箱梁現(xiàn)澆梁體施工。箱梁具有高度大、截面面積大、自重大的特點(diǎn)，且天然地基承載力低，無法滿足承載力及變形控制要求。為確保橋梁線形控制和施工安全，擬采用高壓旋噴樁對(duì)臨時(shí)支架地基進(jìn)行加固處理。在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上按沉降控制設(shè)計(jì)理論，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地基沉降量的影響規(guī)律，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終選取高壓旋噴樁樁徑為600 mm，樁長(zhǎng)14 m，樁間距為1.8 m。

臨時(shí)支架 地基處理 高壓旋噴樁 優(yōu)化設(shè)計(jì)

臨時(shí)支架法現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在橋梁工程中是一種較為常見的施工方法，最近幾年，隨著公路、鐵路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，采用臨時(shí)支架法進(jìn)行橋梁施工也越來越普遍［1］。臨時(shí)支架地基處理對(duì)橋梁施工及線形控制極其重要，嚴(yán)格控制地基沉降的同時(shí)還應(yīng)保證地基處理方案的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。高壓旋噴樁是利用高壓脈沖泵將水泥漿從水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流噴向土體，以此切割土體使其與水泥漿拌合形成水泥土加固體。其以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的性能，簡(jiǎn)單靈活的設(shè)計(jì)方法，以及施工中基本不產(chǎn)生環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用［2］。其設(shè)計(jì)力求在滿足復(fù)合地基承載力及沉降控制要求的前提下做到工程造價(jià)最低。因此，初步設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步優(yōu)化極其重要。復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種在滿足強(qiáng)度及變形要求的前提下，把樁工程量作為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過分析計(jì)算，找出最小工程量的樁分布方法。目前，對(duì)于復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究多針對(duì)水泥土攪拌樁［3-5］或CFG樁［6-8］。

沉降控制設(shè)計(jì)方法的基本思想是:將復(fù)合地基的沉降控制在設(shè)定的容許沉降之內(nèi)，同時(shí)滿足承載力要求，從而達(dá)到使經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)、各種參數(shù)組合合理的目的［5］?；诔两悼刂频脑O(shè)計(jì)理論，各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基沉降的影響規(guī)律分析具有十分重要的意義。本文結(jié)合具體工程，計(jì)算了不同樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距下的地基沉降量，按照變形控制理念進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，取得了良好的處理效果。

1 工程概況

鄭徐客專開蘭特大橋位于開封至蘭考段內(nèi)，橋址范圍內(nèi)地勢(shì)較為平坦。為了縮短工期，采用臨時(shí)支架進(jìn)行梁體的現(xiàn)澆施工。臨時(shí)支架剖面如圖1。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬13.4 m，底寬7.0 m，高5.20～9.20 m，重度26.0 kN/m3。梁體具有高度大、截面面積大，自重大的特點(diǎn)。

圖1 開蘭特大橋臨時(shí)支架剖面(單位:cm)

臨時(shí)支架采用鋼筋混凝土矩形基礎(chǔ)，寬度為18.8 m，長(zhǎng)度根據(jù)不同梁高和分段梁體重量分別采用6，8，10 m三種?；A(chǔ)埋深0.3 m，基底均布?jí)毫?60 kPa。地基土層多由粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂組成，地下水位高，在地表下0.6～2 m左右，導(dǎo)致地基承載力低，沉降變形大，無法滿足承載力及變形控制要求。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的初步確定

高壓旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù):樁長(zhǎng)L、樁徑D、樁間距s。根據(jù)地基土層情況初步選定樁徑D= 600 mm，樁長(zhǎng)L=20 m。采用三角形的布樁形式，按復(fù)合地基承載力要求確定樁間距s。

復(fù)合地基承載力計(jì)算公式［9］

式中:fspk為復(fù)合地基承載力特征值;λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.7～0.9;m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值;Ap為單樁截面面積;β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取1.0～1.1;fsk為樁間土承載力特征值。

根據(jù)地基承載力要求，確定置換率m＞0.055，即樁間距s＜2.4 m，初步取s=2.1 m。

2.2 地基沉降量計(jì)算

將加固區(qū)按天然地基土層分層，分別計(jì)算各層復(fù)合土體的壓縮量，按式(2)求得加固土層沉降量S1。下臥土層沉降量S2按天然地基用應(yīng)力面積法進(jìn)行計(jì)算。

式中:Pzi為第i層復(fù)合土層頂面的附加應(yīng)力值;Espi為第i層復(fù)合土層的壓縮模量。

地基總沉降量S

初步設(shè)計(jì)參數(shù)下地基沉降量計(jì)算:S1為26.08 mm，S2為12.54 mm，地基總沉降量S為38.62 mm。臨時(shí)支架可調(diào)節(jié)高度為50 mm。初步設(shè)計(jì)方案滿足沉降控制要求。

3 初步設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.1 參數(shù)的調(diào)整

為降低工程造價(jià)，在滿足地基承載力要求的前提下，調(diào)整方案的初步設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算各參數(shù)下地基沉降量，分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地基沉降量的影響規(guī)律，力求得到滿足工程要求前提下的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。復(fù)合地基的樁長(zhǎng)和樁間距對(duì)控制復(fù)合地基的變形起著重要作用［1］。樁徑為600 mm時(shí)，各參數(shù)(樁長(zhǎng)、樁間距)下地基沉降量及單位工程量如表1。

表1 不同參數(shù)下地基沉降量及單位工程量

圖2 地基沉降量隨樁長(zhǎng)變化曲線

3.2 參數(shù)對(duì)沉降的影響分析

1)樁長(zhǎng)對(duì)沉降的影響

圖2為樁徑600 mm時(shí)，不同樁間距情況下，地基沉降量隨樁長(zhǎng)變化曲線。由圖2可看出:①不同樁間距情況下，地基沉降量隨樁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)相同。隨著樁長(zhǎng)的不斷增加，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。②樁長(zhǎng)越大，復(fù)合地基沉降量減小得幅度越小;③當(dāng)樁長(zhǎng)超過14 m時(shí)，增加樁長(zhǎng)對(duì)沉降量的影響較小，一味地增加樁長(zhǎng)來減小地基沉降量是不可取的。

2)樁間距對(duì)沉降的影響

圖3為樁徑600 mm時(shí)，不同樁長(zhǎng)情況下，地基沉降量隨樁間距變化曲線。

由圖3可知:樁長(zhǎng)相同時(shí)，隨著樁間距的減小，地基沉降量逐漸減小。這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)相同，樁間距減小時(shí)，置換率增大，復(fù)合土層壓縮模量增大，加固區(qū)土體的壓縮量減小，地基沉降量減小。從圖中曲線上各點(diǎn)斜率可看出，當(dāng)樁間距＜1.8 m時(shí)，樁間距的減小對(duì)地基沉降量的影響降低。

通過參數(shù)對(duì)地基沉降量的影響分析和計(jì)算的各參數(shù)下復(fù)合地基的沉降量和單位工程量，選出滿足沉降控制要求且工程量較低的兩種組合:①樁長(zhǎng)14 m、樁間距1.8 m，地基沉降量40.14 mm，單位工程量1.40 m3;②樁長(zhǎng)16 m、樁間距2.1 m，地基沉降量41.44 mm，單位工程量1.18 m3。從工程量考慮，組合②較優(yōu)，但綜合考慮樁長(zhǎng)對(duì)施工難易程度及工程造價(jià)的影響，最終選取樁長(zhǎng)14 m、樁間距1.8 m為最優(yōu)組合。既滿足沉降控制50 mm的要求，并且樁工程量相對(duì)較低。

3)樁徑對(duì)沉降的影響

樁長(zhǎng)14 m、樁間距1.8 m時(shí)，復(fù)合地基沉降量隨樁徑的變化曲線如圖4。

圖3 地基沉降量隨樁間距變化曲線

圖4 地基沉降量隨樁徑變化曲線

從圖4可看出:①增大樁徑，復(fù)合地基沉降量明顯減小。這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)、樁間距一定時(shí)，增大樁徑，置換率增大，復(fù)合土層壓縮模量增大，加固區(qū)土體的壓縮量減小，地基沉降量減小;②樁徑＞600 mm后，增大樁徑對(duì)地基沉降量減小的幅度較小;③樁長(zhǎng)為14 m、樁間距1.8 m時(shí)，600 mm為復(fù)合地基沉降量滿足沉降控制要求的最小樁徑。因此，高壓旋噴樁樁徑取600 mm。

3.3 最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)

通過樁長(zhǎng)、樁間距、樁徑對(duì)復(fù)合地基沉降的影響規(guī)律分析，并結(jié)合沉降控制要求和各參數(shù)下工程量的計(jì)算值，最終選取高壓旋噴樁復(fù)合地基的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表2 最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié)語

本文結(jié)合開蘭特大橋臨時(shí)支架地基處理工程實(shí)際，對(duì)高壓旋噴樁復(fù)合地基進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足地基承載力要求的前提下，按沉降控制設(shè)計(jì)理論，通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，試算地基沉降量，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地基沉降量的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論:

1)不同樁間距情況下，地基沉降量隨樁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)相同。隨著樁長(zhǎng)的增加，復(fù)合地基沉降量逐漸減小。但樁長(zhǎng)越大，復(fù)合地基沉降量減小的幅度越小。

2)樁長(zhǎng)相同時(shí)，隨著樁間距的減小，地基沉降量逐漸減小。但當(dāng)樁間距超過某一值時(shí)，樁間距的減小對(duì)地基沉降量的影響降低。

3)樁長(zhǎng)和樁間距一定，樁徑較小時(shí)，樁徑的增大將使復(fù)合地基沉降量明顯減小。但樁徑超過某一值時(shí)，樁徑的增大對(duì)地基沉降量的影響較小。

通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。最終選取高壓旋噴樁樁徑為600 mm，樁長(zhǎng)14 m，樁間距為1.8 m。既滿足承載力及沉降控制要求，又達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

［1］劉東海，楊健，方軍.復(fù)雜地形條件下滿堂支架法現(xiàn)澆箱梁的應(yīng)用［J］.橋隧工程，2013(11):362-365.

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［6］曾巧.CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算與工程應(yīng)用［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2013.

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［9］中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

(責(zé)任審編趙其文)

TU472.3+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.12

1003-1995(2015)05-0047-03

2014-05-15;

2015-03-05

李青(1988—)，女，河北石家莊人，碩士研究生。