公路橋頭下隔板-樁基礎(chǔ)復(fù)合處治研究及應(yīng)用

摘 要 橋梁橋頭設(shè)置鋼筋混凝土下隔板-樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，假設(shè)為溫克勒（Winkler）上的單層薄板彎曲模型;路基與橋梁相接段設(shè)置上搭板，作為溫克勒（Winkler）地基上的雙層板模型，樁基作為地基反力處理，采用ABAQUS有限元分析軟件進行分析，分析軟土地區(qū)橋頭過渡段的下隔板-樁基礎(chǔ)綜合處理的沉降規(guī)律和力學特征。通過實際工程的實踐檢驗，公路橋頭下隔板-樁基礎(chǔ)復(fù)合處治減小施工期和工后沉降量，最大限度避免車輛行駛橋頭跳車。

關(guān)鍵詞 公路橋頭;下隔板-樁基礎(chǔ);復(fù)合處治;研究;應(yīng)用

前言

公路與橋梁搭接處的差異沉降所產(chǎn)生橋頭“跳車”問題一直影響道路行車舒適及安全，嚴重時甚至成為路堤失穩(wěn)、橋臺橋墩側(cè)傾、墩身開裂、擋土墻開裂側(cè)傾等重大問題的直接誘因。橋頭路基的不均勻沉降從根本上加大了公路橋梁的養(yǎng)護維修難度，同時增加經(jīng)濟投入，是現(xiàn)階段影響公路建設(shè)資金投入、設(shè)計施工等方面的重要制約因素。國內(nèi)外的許多專家在處理這類問題時的方法也各異，從而在實際工程中可以發(fā)現(xiàn)橋頭跳車問題的處理一直與巖土領(lǐng)域的軟土地基的處理一起進行。主要方法為：提高臺后路堤的密實度，減少臺后路堤的壓縮變形：如塑料板排水法、土工加筋、加載預(yù)壓法、強夯法等。增加地基整體剛度及承載力：如各種樁基復(fù)合地基處理的方法路橋間剛度沉降均勻過渡：如橋頭上搭板、柔性橋臺等;減輕對地基的附加應(yīng)力，降低地基沉降：用輕質(zhì)材料進行臺后建筑物換填，如EPS塊體換填、泡沫混凝土換填、粉煤灰換填等;其他深軟基試驗：橋頭路基注漿處理、下隔板處治方案等，這些方法仍在探索之中。

本單位與科研單位等合作采用“下隔板-樁基礎(chǔ)”綜合處治方案，在104西過境永嘉張堡及桐嶺甌海段溫瞿互通工程、104國道甌海段竹溪1橋整治工程中進行研究并應(yīng)用，取得了良好效果。

1 數(shù)學模型及計算參數(shù)

1.1 數(shù)學模型

如圖1所示，在軟土地基上靜壓進一定間距、管徑和長度的梅花形預(yù)應(yīng)力管樁，其上澆筑鋼筋混凝土下隔板，再依次填筑宕渣和級配碎石路基、水泥穩(wěn)定基層和瀝青混凝土面層，與橋梁搭接處設(shè)置上搭板;由于下隔板-樁基礎(chǔ)可以更好地承托上部路基及行車荷載，在下部軟基發(fā)生一定沉降變形時，對上部路基的整體性和強度有一定保證作用，施工期沉降較小，同時工后沉降大為減少，較大程度緩解了橋頭跳車危害。

橋頭過渡段不設(shè)置上搭板，假設(shè)為溫克勒（Winkler）上的單層薄板彎曲模型;路基與橋梁相接段設(shè)置上搭板，作為溫克勒（Winkler）地基上的雙層板模型，樁基作為地基反力處理，采用ABAQUS有限元分析軟件進行分析，分析軟土地區(qū)橋頭過渡段的下隔板-樁基礎(chǔ)綜合處理的沉降規(guī)律和力學特征。

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)以上數(shù)學模型，劃分18307網(wǎng)格。

1.3 材料屬性

根據(jù)應(yīng)用實例試驗檢測數(shù)據(jù)確定軟土地基和所用材料的技術(shù)參數(shù)。

混凝土泊松比=0.1667，混凝土彈性模量E=30Gpa;中部的地基土層1為砂土回填層地基反力系數(shù)k1取50MPa/m，底部的地基土層2為黏土層地基反力系數(shù)ks取5MPa/m;車輛荷載取100kPa。

各土層地基參數(shù)為：

（1）第一層為黏土層，厚度1.5m，重度18.8kN/m3，黏聚力23kPa，內(nèi)摩擦角14°，楊氏模量10000kPa;

（2）第二層為淤泥層，厚度20m，重度16.2kN/m3，黏聚力10.7kPa，內(nèi)摩擦角4.6°，楊氏模量1680kPa，滲透系數(shù)7.645E-4m/d;

（3）第三層為淤泥質(zhì)黏土層，厚度5m，重度13.8kN/m3，黏聚力16kPa，內(nèi)摩擦角5.6°，楊氏模量2230kPa;

（4）第四層為粉質(zhì)黏土層，厚度13.5m，重度17.1kN/m3，黏聚力19.5kPa，內(nèi)摩擦角7.1°，楊氏模量8000kPa。（e）下隔板厚度0.5m，EA=1.4 107KN/m，EI=2.91 105KN m;

（5）回填層材料重度18.3kN/m3，黏聚力5kPa，內(nèi)摩擦角35°，楊氏模量25000kPa。

1.4 接觸面

樁側(cè)土體與樁體的接觸均使用摩擦硬接觸模型，由Coulumb摩擦法則確定μ=tan（φ/2）=0.4。

1.5 初始地應(yīng)力施加

采用abaqus初始地應(yīng)力平和geostatic模塊進行計算初始應(yīng)力場，地應(yīng)力平衡后地基土的豎向位移均為10-13量級，對樁基后續(xù)數(shù)值模擬計算沒有影響。

1.6 各級荷載的模擬

模擬過程按照施工流程分為三階段：第一階段施工管樁及下隔板、第二階段宕渣路基填筑和第三階段鋪裝路面[1]。

1.7 收斂判據(jù)

使用Newton-Raphson算法求解非線性問題，將每個分析步（step）劃分為一系列的增量布，每個增量布內(nèi)進行若干迭代。用Newton方法迭代求解，最大迭代次數(shù)為9次。收斂準則使用力平衡收斂法，最小容差為0.5%。

1.8 施工期數(shù)值模擬的分析與預(yù)測

2 應(yīng)用實例

2.1 104西過境永嘉張堡及桐嶺甌海段溫瞿互通工程

甌海段溫瞿互通平改立工程設(shè)計速度80km/h，K13+900～K16+555（溫瞿公路～甌海大道）段兼顧城市道路功能，路基寬度為50.0m。本項目所在K14+169～K14+219段主線橋頭路基寬度約26m。該段為海積平原地貌，表層海積黏土層厚度1.0～1.5m，上部為海積淤泥，流塑，厚度22～25m。下部為沖湖積黏土、粉質(zhì)黏土。推薦地基承載力基本容許值45kPa，樁側(cè)土摩阻力標準值10kPa。兩側(cè)輔道不納入下隔板處治方案設(shè)計范圍。經(jīng)分析計算后預(yù)期采用下隔板+預(yù)應(yīng)力管樁綜合處理的研究方案，處理長度50m。

橋頭段及過渡段長度結(jié)合板塊布置進行設(shè)計，橋頭段設(shè)置3排下隔板，單塊板長6m，總長18m;橋頭過渡段原設(shè)計3排下隔板，板長8m，處理長度24m，為加強過渡段與一般路段水泥攪拌樁的銜接，增加一排下隔板，進行管樁與水泥攪拌樁的過渡。下隔板采用C30鋼筋混凝現(xiàn)澆，設(shè)計下隔板板體大小為6.5m×6m、6.5m×8m兩種。其中，6.5m×6m用于橋頭段（18m，3排），一般樁間距3～3.3m;6.5m×8m用于軟基過渡段（32m，4排），一般樁間距3.3～4.0m，單塊板底保證打設(shè)四根預(yù)應(yīng)力管樁。D40預(yù)應(yīng)力管樁頂部同樁帽施工要求，設(shè)計預(yù)埋鋼筋，并于下隔板澆筑為整體。

2.2 104國道甌海段竹溪1橋工程

竹溪1號橋位于溫州市甌海區(qū)G104國道京福線K1934+813處。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，橋面存在鋪裝露骨、坑槽等問題，橋面病害明顯，橋頭段路基伸縮縫錯臺、上搭板脫空等問題，橋頭“跳車”問題突出。根據(jù)現(xiàn)場探勘，橋臺因沉降過大，存在較大裂隙滲水問題，橋頭漿砌錐坡也出現(xiàn)較為明顯的裂縫。該橋橋臺右幅北側(cè)橋頭結(jié)合采用下隔板+樁基協(xié)同過渡方案，進行橋頭路基處理。竹溪（一）橋橋頭路段目前已建成通車約一年來觀測基本無沉降[2]。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

下隔板+預(yù)應(yīng)力管樁橋頭軟土地基處治估算比單一水泥攪拌樁在增加造價約20%左右，但從溫州市的情況看，水泥攪拌樁處理的橋頭工后沉降一直延續(xù)10～20年及更長時間，每年或兩年均要銑刨瀝青混凝土面層病加鋪長度10～20m，其費用遠大于下隔板+預(yù)應(yīng)力管樁橋頭軟土地基處治增加部分的造價。

3.2 社會效益

（1）車輛損耗降低、行車舒適性提高

橋頭“跳車”是對橋頭軟基處治不當時，造成路基突變沉降，行車至橋頭時往往發(fā)生車輛輕度跳起的現(xiàn)象。該問題受制于橋梁與路基兩種結(jié)構(gòu)過渡區(qū)之間的不良銜接，同時也是軟基處治不良的直接表現(xiàn)。采用下隔板-樁基礎(chǔ)綜合處理，可保證橋頭路基與橋梁段的銜接平順，另外以板樁結(jié)合進行橋頭段路基至一般段路基的平穩(wěn)沉降，避免突變性沉降或不均勻沉降的發(fā)生。平穩(wěn)的行車狀態(tài)不僅避免車輛跳動所帶來的機械損耗，更能提升駕駛者及乘客的行車舒適性。

（2）提升公路通行效率，減少道路擁堵

近年來東南沿線地區(qū)經(jīng)濟保持高速增長，以浙南地區(qū)為例公路客運量、貨運量增速較快，重載車輛所占比例逐年提升。在這一形式下，對于公路基礎(chǔ)設(shè)施的高標準、高要求也更為突出，深厚軟土地區(qū)公路多年處治不良，橋頭路基過早出現(xiàn)大幅沉降，駕駛?cè)藛T往往在橋頭處進行一定車輛制動減速，降低行車沖擊所帶來的不適感。河網(wǎng)分布較密的地區(qū)橋梁多，頻繁的橋頭路基導致車輛行車速度偏低，實際通行速度遠低于設(shè)計時速，在信號控制交叉口處更易發(fā)生道路擁堵。這一問題在城郊或鄰近村鎮(zhèn)段尤為明顯。因此，橋頭路基的沉降過渡處理不僅成為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)建設(shè)的一個重要影響因素，也是地區(qū)宜居性、舒適性的重要內(nèi)容。

（3）避免反復(fù)整修，降低管理部門養(yǎng)護壓力

公路營運期內(nèi)因橋頭路基處治方式不當造成的橋頭路基持續(xù)沉降，橋頭路基整修、加鋪，不僅產(chǎn)生大量的資金、人員投入，并且需進行交通管制，造成局部路網(wǎng)不暢。反復(fù)之下橋頭路基陷入長期治理的狀態(tài)，養(yǎng)護管理部門養(yǎng)護壓力較大。因此，采用下隔板-樁基處理處理前期適量增大資金投入，但如果能長期保障橋頭路基的沉降穩(wěn)定，不僅能大幅降低養(yǎng)護管理部門壓力，而且從道路“全壽命”周期來看，帶來的經(jīng)濟效益，例如降低地區(qū)養(yǎng)護資金投入、提升群眾滿意度等影響也將更明顯，在國民經(jīng)濟價值中的意義將得以廣泛的體現(xiàn)[3]。

4 結(jié)束語

（1）橋梁橋頭設(shè)置鋼筋混凝土下隔板-樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，承托上部路基及行車荷載，減小施工期和工后沉降量，最大限度避免車輛行駛橋頭跳車。

（2）預(yù)應(yīng)力管樁采用靜壓法施工，壓樁設(shè)備設(shè)有加載反力讀數(shù)系統(tǒng)，樁頂鋪設(shè)隔離層并預(yù)埋入一根豎向鋼筋及套管有利于下隔板與樁基協(xié)調(diào)變形;橋臺前緣一排預(yù)應(yīng)力管樁先施打，其余預(yù)應(yīng)力管樁靠近橋臺處向下臺后方向逐排后施打，優(yōu)化施工工序，確保管樁承載力和橋梁安全。

（3）現(xiàn)澆鋼筋混凝土下隔板分散軟土地基應(yīng)力，板間采用傳力鋼筋銜接，板間接縫設(shè)置在樁頂部;應(yīng)力應(yīng)變片設(shè)置于下隔板底面用于同步施工監(jiān)測，下隔板伸縮縫上覆蓋土工格柵避免上部路基填料反射裂縫，確保工程質(zhì)量。

參考文獻

[1] 曾開華，俞建霖，龔曉南.高速公路通道軟基低強度混凝土樁處理試驗研究[J].巖土工程學報，2003，25（6）：715-719.

[2] 金小榮，俞建霖，龔曉南，等.緩解深厚軟基橋頭跳車兩種方法的現(xiàn)場試驗[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2006，34（3）：58-61.

[3] 孟杰，趙明華，邵旭東.砂樁復(fù)合地基防止橋頭跳車的研究[J].西安公路交通大學學報，2001，21（2）：41-43.

作者簡介

鄭希涌（1979-），男，浙江溫州人;專業(yè)：公路橋梁與渡河工程，學歷：本科，職稱：高級工程師，現(xiàn)就職單位：溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院，研究方向：公路橋梁工程設(shè)計研究。