羅海松
廣東冠粵路橋有限公司
摘 要： 首先介紹了橋頭跳車成因，隨後結合廣東省某高速公路工程，開展CFG樁網不同樁間距的復合地基有限元力學特性分析，最終結果表明，處治後的不均勻沈降滿足規範允許範圍，研究能夠為橋頭跳車預防控制提供理論參考。
關鍵詞： 橋頭跳車;CFG樁網;有限元分析;
作者簡介： 羅海松（1986—），男，廣東梅縣區人，工程師，從事路橋工地試驗室試驗檢測工作。;
1 橋頭跳車成因分析
1.1 路基沈陷
橋頭跳車病害主要歸因於不良地質處理效果欠佳。公路橋涵建設位置往往具有溝壑深、路堤填築高度較高、水文環境復雜的特點，施工階段不加強台背填土沈降的控制，就會產生橋頭跳車。廣東省內土基多分布軟土，土層壓縮性較高、強度低、孔隙率大，在外界擾動及行車荷載作用下，其內部結構就會嚴重破壞，地基沈降情況十分嚴重[1]。
1.2 壓縮沈降
橋涵台背填料多采用透水性材料施工，具有較大的空隙率且受限於施工空間，壓實器材不能充分接近台背位置，導致台背填料孔隙不能夠得到消除。在填料自重及行車荷載作用下，台背填料就會產生急劇沈降，產生橋頭跳車病害。施工階段需要確保台背填築施工工序的合理化，即使填料壓實度得到控制，台背填料在長周期下產生的固結收縮也會產生沈降，對土基產生的附加應力促使橋台往後傾斜，造成行車危害。
1.3 結構突變
台背、橋台路面是兩個差異性較大的結構體系，橋台路面是鋪設在墻背頂部的剛性橋台、柔性面層相互結合的雙層體系；台背路面則表現為半剛性或柔性多層路面結構，行車荷載會造成基層、墊層的壓實度快速增大，路面結構壓縮明顯。橋台路面則受益於大型基礎構築物，具有良好的基底承載強度，固結沈降較為穩定，執行過程中的後續沈降偏小。橋涵兩側結構體系的變形抵抗水平具有較大差異性，不均勻沈降就會促使局部路面的損毀，引發跳車病害。
1.4 施工不當
台背填築施工中沒有嚴格依照相關規程進行，台背填料的填築速度偏大，造成土基破壞和變形，土基難以產生充分固結。台背擋墻的施工擠壓力偏大，現場沒有進行分層、分段填築碾壓及後續檢測，現場排水措施沒有進行最佳化，填料壓實度達不到控制要求，台背填土強度不穩定，工後沈降偏大，都會造成橋頭跳車[2]。
2 工程概況
惠州至清遠高速公路位於廣東省中部地區，是廣東高速公路網規劃主骨架「汕頭至湛江高速公路」的重要組成部份，專案途經惠州市的博羅、龍門，廣州市的從化，清遠市的佛崗、清新、清城等市縣區。本專案是珠三角地區與粵北山區過渡地帶的東西向重要高速公路通道，與廣東高速公路網中的仁深、大廣、京珠、廣樂、清連等高速公路連線並連線國道G106等重要道路，共同構成廣東省中部地區連線東西、貫穿南北的公路骨架網絡。
專案路線所經地區的地貌單元主要包括丘陵、剝蝕殘丘、河流谷地、山間窪地等地貌，區內河流網密布，水量充沛，夏秋季降雨量大，潖江等水量驟增，形成汛期，常有洪水發生。其中，上跨G106國道跨線橋上部結構采取30m預制箱梁跨越，架橋機架設，橋梁下部結構沒有侵入國道內，跨越國道的墩柱距離國道邊緣3m。樁長設計為20m，跨路墩號分別為3、4號墩，樁徑設計為0.5m，橋面雙幅構造，單幅橋寬度為17m，橋涵設計荷載為公路-I級，樁基均屬於岸上樁基，無水中樁基，根據現場情況，可采取鉆孔灌註樁施工成孔。經過地質勘查檢測，橋梁建設位置台背代表性土樣由上至下主要分為以下幾種：粉質黏土，深紅色，飽和度大、強度低，粉土含量高；淤泥質土，黑褐色，含水率高，強度低、塑性；細礫，黃褐色，磨圓度較高，內部充填有中粗砂，稍密，強度偏大，土層物理力學指標如表1所示。橋台路段地基存在軟土結構，台背填料采取軟土，填築平均高度為7m，極容易造成後續沈降變化的不均勻，為此，現場有必要開展橋頭跳車的病害處治[3]。
表1 台背土層物理力學特性 下載原圖
3 處治方案設計
3.1 CFG樁網結構
專案針對該橋梁台背填築地基處理主要采取CFG樁網技術，CFG樁是以碎石樁為基礎進行改良最佳化，碎石樁內部需要摻入一定比例的水泥、粉煤灰、石屑、外加劑、砂，以便最佳化樁體的承載強度。CFG樁網包括樁間土、樁體、褥墊層、土工隔柵等關鍵結構，如圖1所示。樁網結構能夠透過樁和樁側土的摩擦作用，促使復合地基具有較大的承載強度。CFG樁網具備施工成本低、套用方便的優勢，在多類別高速公路軟土路基處理中得到了大規模套用。CFG樁網總體可以分為以下幾個部份：填土路堤、網結構、樁土的褥墊層、樁間土及CFG樁體、軟土及持力層。上部網結構和CFG樁是整個地基處理體系的核心[4]。
圖1 CFG樁網示意圖 下載原圖
3.2 作用
CFG樁網具有排水固結作用，施工階段外界環境的擾動極容易造成復雜的超孔隙水壓力，繼而造成沈管、拔管過程中土體的振蕩，為後續施工工藝的進行造成阻礙。考慮到CFG樁較高的滲透系數，其具備高透水效能夠作為排水通道，消散土層內部的孔隙水壓力；CFG樁網具有復合地基的置換擠密作用，CFG樁具有較高變形模量，實際中采取振動沈管法或者長螺旋鉆孔灌註法都能夠提升地基的密實度，弱化內部孔隙率，改善地基的抗液化水平及承載強度。CFG樁網能夠透過褥墊層來調整樁土分布荷載，如圖2所示，路基上作用有荷載時，褥墊層促使樁體、樁間土共同承擔上覆荷載，且褥墊層厚度的改變也會造成樁土的應力承擔比發生變化[4]。
圖2 樁土應力對比 下載原圖
(a）褥墊層結構；（b）無褥墊層結構
3.3 施工工藝
CFG樁施工主要采取長螺旋鉆孔灌註樁法、振動沈灌註法。前者實用性較廣，施工中需要使用鉆機豎直標桿進行導桿位置的檢查糾正，確保導桿的垂直度；鉆進過程中需要確保速率先慢後快，嚴格把控鉆孔方位，當現場鉆桿出現擺動時，則要及時降低鉆進速度，避免鉆孔產生位置偏差；拔管需要在鉆桿被混凝土充滿後進行，拔管速度要保持均勻，拔管在成樁階段持續進行；成樁後則需要用土工布進行樁頭保護處理。振動沈灌註法則主要適合公路橋梁松散土、雜填土路段的地基加固，施工成本較低，工藝簡便，施工階段需要選取合適規格的鋼管，在鋼管底部設定樁尖，進行土層打設，鋼管澆築混凝土，透過振動鋼管實作混凝土的密實化。橋梁台背填土路基加固施工中，考慮到施工環境的復雜性，可以采取兩種方式相互結合，充分最佳化成樁施工質素。本專案對施工成本、施工空間、施工環境等多因素綜合比選，擬采用長螺旋鉆孔灌註法進行CFG成樁施工[5]。
4 有限元靜力位移分析
4.1 模型構建
為研究CFG樁網復合地基加固效果，本文采用Mi⁃das GTSNX軟件開展地基沈降位移的有限元分析。CFG樁網整體結構表現為二維模型，其中，土工隔柵、CFG樁、橋台樁建模則采取一維模型，橋台樁、CFG樁則采取梁單元進行模擬。水平邊界約束設定在整體模型兩側，但是不設定上下約束，確保結構不能在水平向產生移動且只能產生豎向變形。模型底部需要設定豎向、水平約束來加強固定。CFG樁網結構參數包括重度、彈性模量、黏聚力、內摩擦角、帕松比，具體如表2所示。本文透過對行車向橋台過渡段進行豎向截面的切割，截面處具備一致的受力情況，為此開展二維平面化模型分析，邊界效應的消除則需要適當擴大模型分析區域，本文設計路面計算寬度為30m，模型豎向長度設定為40m，橫向長度為50m，樁間距為2m，樁長20m，樁徑0.5m，褥墊層設定在樁頂部，厚度為0.5m，彈性模量40MPa；土工隔柵則需要設定在褥墊層中間，CFG樁彈性模量設定為2 000MPa。二維結構模型具有單元總數13 950個，節點個數為12 552個，模型示意圖如圖3所示。
圖3 有限元模型示意圖 下載原圖
表2 CFG樁網復合地基參數設計 下載原圖
4.2 計算工序
CFG樁網地基施工計算工序按照如下開展：初始應力場的模擬，模擬過程可以分為以下兩種方式：K0固結、重力載入，可以依據實際施工特點，對其余位置進行鈍化處理，實作現場環境的初始模擬。地表水平糊地層分界線可以采取K0固結模擬，重力載入則受到地基土自重作用，促使應力重分配，繼而形成地基初始化應力場。本文模型構建采取重力載入，重力系數ΣMweight=1;CFG樁體制作，對CFG樁施工工序進行模擬；土工隔柵、碎石墊層鋪設模擬，其中控制碎石墊層厚度50cm；填築路堤，依據實際施工特點，采取分層分階段的填築，單層填料的回填高度控制在1.2m，施工周期為1個月，後續需要進行填料固結模擬；車輛荷載施加，行車荷載需要采取均布荷載進行等效施加，之後開展路堤固結分析；開展半年周期的路堤固結沈降分析，主要是在考慮行車荷載基礎上進行路堤的靜置沈降分析。專案最終獲取的豎向位移雲圖如圖4所示，其固結半年後產生的最大豎向位移為5.4cm[5,6]。
圖4 CFG樁網復合地基施工豎向位移雲圖 下載原圖
4.3 計算分析
由圖4可知，首先是路堤填築處具備最大沈降值，其次是粉質黏土層、淤泥質土，最後是持力層結構，這主要歸因於上部填築層豎向沈降，不僅包括自身的固結收縮，還包括下方土層的沈降變形。圖5(a）為CFG樁體在路基中心位置的有效應力分布圖，結果表明，初始階段樁體有效應力隨著樁體深度的增大而不斷減小，在樁深2.6m處具有最小有效應力值；之後隨著深度的不斷增大，有效應力值也呈增加的發展趨勢，在樁頂位置處，有效應力值達到323kPa。圖5(b）結果表明，樁頂至樁端沈降值隨著樁深度的增大而不斷減小；圖6為樁與樁間土的豎向位移變化情況，結果表明，樁端沈降下刺劇變，且樁土位移要小於樁頂位移。
圖5 CFG樁體有效應力及沈降變化 下載原圖
圖6 樁與樁間土的豎向位移變化 下載原圖
4.4 不同間距對復合地基相關效能影響
4.4.1 最大沈降
專案對不同間距布置CFG樁開展地基相關技術效能的分析，表3為不同CFG樁布置間距下的最大沈降值統計，結果表明，CFG樁間距1.5m時，路基最大沈降達到了4.7cm，樁間土最大沈降為4cm，下臥層最大沈降為2.8cm；樁間距增加到2m時，其最大沈降值分別為5.4cm、4.9cm、3.3cm；樁間距增大到3m時，最大沈降分別為6.9cm、6.5cm、4.5cm。隨著樁間距的增加，復合地基的沈降量增加振幅較為明顯，如圖7 (a）所示；圖7 (b）結果表明，樁體、樁間土沈降差在不同樁間距下具有較大差異性，樁土沈降差隨著樁間距的增大而增大。樁間距對於復合地基的沈降影響較大，合理的樁間距能夠有效控制橋頭跳車[5]。
表3 不同位置樁間距統計 下載原圖
圖7 沈降、沈降差隨樁間距變化 下載原圖
4.4.2 力學特性
CFG樁不同深度下軸力變化情況如圖8(a）所示，結果表明，CFG樁軸力隨著樁間距的增大而顯著增加，且樁身中部深度的軸力增加振幅要大於樁兩端增加量；樁間距分別為1.5m、2m時，整體軸力變化趨勢較為緩和；樁間距在2m以上時，軸力變化呈現彎曲狀態，樁身兩端的軸力要比樁身軸力偏小；圖8(b）為樁土應力隨填土高度變化情況，結果表明，樁土應力比隨著填土高度的增加而增大；填土高度保持一定，樁土應力比隨著樁間距的增大而增加；樁土應力隨填土高度變化曲線的初始斜率要大於後段斜率，這主要歸因於土體狀態在回填階段密實度較低，填土不斷進行會造成下方土層的密實度偏大，承載強度增加，樁土共同承擔復合加固作用，後續的樁土應力增長振幅偏小。
圖8 CFG樁應力變化情況 下載原圖
5 跳車病害預防措施
5.1 台後橫向泄水管
橋梁台背軟土填料回填前，需要對地基進行排水設計，現場需要構建泄水管、盲溝，以便將地表徑流快速排放。地基上需要修築黏土土拱，橫向坡度控制為3%，後續夯實處理，在土拱上修築地溝（截面尺寸50cm×40cm），台背大範圍鋪設隔水材料（薄膜、油氈），地溝周圍構建透水塑膠管道（直徑大於10cm，透水孔徑5mm，布置間距10cm）。泄水管出口設定在路基或錐坡之外，管道周圍采取透水材料覆蓋。
5.2 橋頭路堤填築長度
橋頭路堤設計長度需要合理確定，對於非軟土路基段則控制在20m以上，軟土路基段的設計長度需要控制在台高的6倍左右。橋頭過渡段長度一般設定為50m，確保一般路堤和橋頭路堤的工後沈降差控制在4‰。
5.3 橋頭搭板、變厚式埋板
橋頭搭板的設定主要是將路堤、橋台銜接處高差進行均勻分散，最佳化行車工況。橋頭搭板長度的確定需要依據工後沈降和路堤高度進行。橋頭搭板尾端可以增加長度3～5m左右的淺埋變厚度埋板。埋板和搭板下方，則可以采取回彈模量、強度高於其他路面結構的材料進行設定，確保橋台連線處的水平、垂直方向的剛柔漸次變化，提升橋台位置處的抗沖擊能力、不均勻沈降[6]。
6 結語
高速公路橋頭跳車病害在長周期執行下極容易出現，且對行車安全性造成了威脅，施工單位需要嚴格化施工工藝，加強現場台背填築的施工質素控制，開展必要的工後沈降監測。本文針對廣東省某公路橋台跳車病害采取CFG樁網施工處治，對軟土地基沈降及應力分布進行了有效分析，其豎向沈降控制滿足規範要求，供同類工程參考。
參考文獻
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