罗海松
广东冠粤路桥有限公司
摘 要： 首先介绍了桥头跳车成因，随后结合广东省某高速公路工程，开展CFG桩网不同桩间距的复合地基有限元力学特性分析，最终结果表明，处治后的不均匀沉降满足规范允许范围，研究能够为桥头跳车预防控制提供理论参考。
关键词： 桥头跳车;CFG桩网;有限元分析;
作者简介： 罗海松（1986—），男，广东梅县区人，工程师，从事路桥工地试验室试验检测工作。;
1 桥头跳车成因分析
1.1 路基沉陷
桥头跳车病害主要归因于不良地质处理效果欠佳。公路桥涵建设位置往往具有沟壑深、路堤填筑高度较高、水文环境复杂的特点，施工阶段不加强台背填土沉降的控制，就会产生桥头跳车。广东省内土基多分布软土，土层压缩性较高、强度低、孔隙率大，在外界扰动及行车荷载作用下，其内部结构就会严重破坏，地基沉降情况十分严重[1]。
1.2 压缩沉降
桥涵台背填料多采用透水性材料施工，具有较大的空隙率且受限于施工空间，压实设备不能充分接近台背位置，导致台背填料孔隙不能够得到消除。在填料自重及行车荷载作用下，台背填料就会产生急剧沉降，产生桥头跳车病害。施工阶段需要确保台背填筑施工工序的合理化，即使填料压实度得到控制，台背填料在长周期下产生的固结收缩也会产生沉降，对土基产生的附加应力促使桥台往后倾斜，造成行车危害。
1.3 结构突变
台背、桥台路面是两个差异性较大的结构体系，桥台路面是铺设在墙背顶部的刚性桥台、柔性面层相互结合的双层体系；台背路面则表现为半刚性或柔性多层路面结构，行车荷载会造成基层、垫层的压实度快速增大，路面结构压缩明显。桥台路面则受益于大型基础构筑物，具有良好的基底承载强度，固结沉降较为稳定，运行过程中的后续沉降偏小。桥涵两侧结构体系的变形抵抗水平具有较大差异性，不均匀沉降就会促使局部路面的损毁，引发跳车病害。
1.4 施工不当
台背填筑施工中没有严格依照相关规程进行，台背填料的填筑速度偏大，造成土基破坏和变形，土基难以产生充分固结。台背挡墙的施工挤压力偏大，现场没有进行分层、分段填筑碾压及后续检测，现场排水措施没有进行优化，填料压实度达不到控制要求，台背填土强度不稳定，工后沉降偏大，都会造成桥头跳车[2]。
2 工程概况
惠州至清远高速公路位于广东省中部地区，是广东高速公路网规划主骨架「汕头至湛江高速公路」的重要组成部分，项目途经惠州市的博罗、龙门，广州市的从化，清远市的佛岗、清新、清城等市县区。本项目是珠三角地区与粤北山区过渡地带的东西向重要高速公路通道，与广东高速公路网中的仁深、大广、京珠、广乐、清连等高速公路连接并连接国道G106等重要道路，共同构成广东省中部地区连接东西、贯穿南北的公路骨架网络。
项目路线所经地区的地貌单元主要包括丘陵、剥蚀残丘、河流谷地、山间洼地等地貌，区内河流网密布，水量充沛，夏秋季降雨量大，潖江等水量骤增，形成汛期，常有洪水发生。其中，上跨G106国道跨线桥上部结构采取30m预制箱梁跨越，架桥机架设，桥梁下部结构没有侵入国道内，跨越国道的墩柱距离国道边缘3m。桩长设计为20m，跨路墩号分别为3、4号墩，桩径设计为0.5m，桥面双幅构造，单幅桥宽度为17m，桥涵设计荷载为公路-I级，桩基均属于岸上桩基，无水中桩基，根据现场情况，可采取钻孔灌注桩施工成孔。经过地质勘查检测，桥梁建设位置台背代表性土样由上至下主要分为以下几种：粉质黏土，深红色，饱和度大、强度低，粉土含量高；淤泥质土，黑褐色，含水率高，强度低、塑性；细砾，黄褐色，磨圆度较高，内部充填有中粗砂，稍密，强度偏大，土层物理力学指标如表1所示。桥台路段地基存在软土结构，台背填料采取软土，填筑平均高度为7m，极容易造成后续沉降变化的不均匀，为此，现场有必要开展桥头跳车的病害处治[3]。
表1 台背土层物理力学特性 下载原图
3 处治方案设计
3.1 CFG桩网结构
项目针对该桥梁台背填筑地基处理主要采取CFG桩网技术，CFG桩是以碎石桩为基础进行改良优化，碎石桩内部需要掺入一定比例的水泥、粉煤灰、石屑、外加剂、砂，以便优化桩体的承载强度。CFG桩网包括桩间土、桩体、褥垫层、土工隔栅等关键结构，如图1所示。桩网结构能够通过桩和桩侧土的摩擦作用，促使复合地基具有较大的承载强度。CFG桩网具备施工成本低、应用方便的优势，在多类型高速公路软土路基处理中得到了大规模应用。CFG桩网总体可以分为以下几个部分：填土路堤、网结构、桩土的褥垫层、桩间土及CFG桩体、软土及持力层。上部网结构和CFG桩是整个地基处理体系的核心[4]。
图1 CFG桩网示意图 下载原图
3.2 作用
CFG桩网具有排水固结作用，施工阶段外界环境的扰动极容易造成复杂的超孔隙水压力，继而造成沉管、拔管过程中土体的振荡，为后续施工工艺的进行造成阻碍。考虑到CFG桩较高的渗透系数，其具备高透水性能够作为排水通道，消散土层内部的孔隙水压力；CFG桩网具有复合地基的置换挤密作用，CFG桩具有较高变形模量，实际中采取振动沉管法或者长螺旋钻孔灌注法都能够提升地基的密实度，弱化内部孔隙率，改善地基的抗液化水平及承载强度。CFG桩网能够通过褥垫层来调整桩土分布荷载，如图2所示，路基上作用有荷载时，褥垫层促使桩体、桩间土共同承担上覆荷载，且褥垫层厚度的改变也会造成桩土的应力承担比发生变化[4]。
图2 桩土应力对比 下载原图
(a）褥垫层结构；（b）无褥垫层结构
3.3 施工工艺
CFG桩施工主要采取长螺旋钻孔灌注桩法、振动沉灌注法。前者实用性较广，施工中需要使用钻机竖直标杆进行导杆位置的检查纠正，确保导杆的垂直度；钻进过程中需要确保速率先慢后快，严格把控钻孔方位，当现场钻杆出现摆动时，则要及时降低钻进速度，避免钻孔产生位置偏差；拔管需要在钻杆被混凝土充满后进行，拔管速度要保持均匀，拔管在成桩阶段持续进行；成桩后则需要用土工布进行桩头保护处理。振动沉灌注法则主要适合公路桥梁松散土、杂填土路段的地基加固，施工成本较低，工艺简便，施工阶段需要选取合适规格的钢管，在钢管底部设置桩尖，进行土层打设，钢管浇筑混凝土，通过振动钢管实现混凝土的密实化。桥梁台背填土路基加固施工中，考虑到施工环境的复杂性，可以采取两种方式相互结合，充分优化成桩施工质量。本项目对施工成本、施工空间、施工环境等多因素综合比选，拟采用长螺旋钻孔灌注法进行CFG成桩施工[5]。
4 有限元静力位移分析
4.1 模型构建
为研究CFG桩网复合地基加固效果，本文采用Mi⁃das GTSNX软件开展地基沉降位移的有限元分析。CFG桩网整体结构表现为二维模型，其中，土工隔栅、CFG桩、桥台桩建模则采取一维模型，桥台桩、CFG桩则采取梁单元进行模拟。水平边界约束设置在整体模型两侧，但是不设置上下约束，确保结构不能在水平向产生移动且只能产生竖向变形。模型底部需要设置竖向、水平约束来加强固定。CFG桩网结构参数包括重度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比，具体如表2所示。本文通过对行车向桥台过渡段进行竖向截面的切割，截面处具备一致的受力情况，为此开展二维平面化模型分析，边界效应的消除则需要适当扩大模型分析区域，本文设计路面计算宽度为30m，模型竖向长度设定为40m，横向长度为50m，桩间距为2m，桩长20m，桩径0.5m，褥垫层设置在桩顶部，厚度为0.5m，弹性模量40MPa；土工隔栅则需要设置在褥垫层中间，CFG桩弹性模量设定为2 000MPa。二维结构模型具有单元总数13 950个，节点个数为12 552个，模型示意图如图3所示。
图3 有限元模型示意图 下载原图
表2 CFG桩网复合地基参数设计 下载原图
4.2 计算工序
CFG桩网地基施工计算工序按照如下开展：初始应力场的模拟，模拟过程可以分为以下两种方式：K0固结、重力加载，可以依据实际施工特点，对其余位置进行钝化处理，实现现场环境的初始模拟。地表水平和地层分界线可以采取K0固结模拟，重力加载则受到地基土自重作用，促使应力重分配，继而形成地基初始化应力场。本文模型构建采取重力加载，重力系数ΣMweight=1;CFG桩体制作，对CFG桩施工工序进行模拟；土工隔栅、碎石垫层铺设模拟，其中控制碎石垫层厚度50cm；填筑路堤，依据实际施工特点，采取分层分阶段的填筑，单层填料的回填高度控制在1.2m，施工周期为1个月，后续需要进行填料固结模拟；车辆荷载施加，行车荷载需要采取均布荷载进行等效施加，之后开展路堤固结分析；开展半年周期的路堤固结沉降分析，主要是在考虑行车荷载基础上进行路堤的静置沉降分析。项目最终获取的竖向位移云图如图4所示，其固结半年后产生的最大竖向位移为5.4cm[5,6]。
图4 CFG桩网复合地基施工竖向位移云图 下载原图
4.3 计算分析
由图4可知，首先是路堤填筑处具备最大沉降值，其次是粉质黏土层、淤泥质土，最后是持力层结构，这主要归因于上部填筑层竖向沉降，不仅包括自身的固结收缩，还包括下方土层的沉降变形。图5(a）为CFG桩体在路基中心位置的有效应力分布图，结果表明，初始阶段桩体有效应力随着桩体深度的增大而不断减小，在桩深2.6m处具有最小有效应力值；之后随着深度的不断增大，有效应力值也呈增加的发展趋势，在桩顶位置处，有效应力值达到323kPa。图5(b）结果表明，桩顶至桩端沉降值随着桩深度的增大而不断减小；图6为桩与桩间土的竖向位移变化情况，结果表明，桩端沉降下刺剧变，且桩土位移要小于桩顶位移。
图5 CFG桩体有效应力及沉降变化 下载原图
图6 桩与桩间土的竖向位移变化 下载原图
4.4 不同间距对复合地基相关性能影响
4.4.1 最大沉降
项目对不同间距布置CFG桩开展地基相关技术性能的分析，表3为不同CFG桩布置间距下的最大沉降值统计，结果表明，CFG桩间距1.5m时，路基最大沉降达到了4.7cm，桩间土最大沉降为4cm，下卧层最大沉降为2.8cm；桩间距增加到2m时，其最大沉降值分别为5.4cm、4.9cm、3.3cm；桩间距增大到3m时，最大沉降分别为6.9cm、6.5cm、4.5cm。随着桩间距的增加，复合地基的沉降量增加幅度较为明显，如图7 (a）所示；图7 (b）结果表明，桩体、桩间土沉降差在不同桩间距下具有较大差异性，桩土沉降差随着桩间距的增大而增大。桩间距对于复合地基的沉降影响较大，合理的桩间距能够有效控制桥头跳车[5]。
表3 不同位置桩间距统计 下载原图
图7 沉降、沉降差随桩间距变化 下载原图
4.4.2 力学特性
CFG桩不同深度下轴力变化情况如图8(a）所示，结果表明，CFG桩轴力随着桩间距的增大而显著增加，且桩身中部深度的轴力增加幅度要大于桩两端增加量；桩间距分别为1.5m、2m时，整体轴力变化趋势较为缓和；桩间距在2m以上时，轴力变化呈现弯曲状态，桩身两端的轴力要比桩身轴力偏小；图8(b）为桩土应力随填土高度变化情况，结果表明，桩土应力比随着填土高度的增加而增大；填土高度保持一定，桩土应力比随着桩间距的增大而增加；桩土应力随填土高度变化曲线的初始斜率要大于后段斜率，这主要归因于土体状态在回填阶段密实度较低，填土不断进行会造成下方土层的密实度偏大，承载强度增加，桩土共同承担复合加固作用，后续的桩土应力增长幅度偏小。
图8 CFG桩应力变化情况 下载原图
5 跳车病害预防措施
5.1 台后横向泄水管
桥梁台背软土填料回填前，需要对地基进行排水设计，现场需要构建泄水管、盲沟，以便将地表径流快速排放。地基上需要修筑黏土土拱，横向坡度控制为3%，后续夯实处理，在土拱上修筑地沟（截面尺寸50cm×40cm），台背大范围铺设隔水材料（薄膜、油毡），地沟周围构建透水塑料管道（直径大于10cm，透水孔径5mm，布置间距10cm）。泄水管出口设置在路基或锥坡之外，管道周围采取透水材料覆盖。
5.2 桥头路堤填筑长度
桥头路堤设计长度需要合理确定，对于非软土路基段则控制在20m以上，软土路基段的设计长度需要控制在台高的6倍左右。桥头过渡段长度一般设定为50m，确保一般路堤和桥头路堤的工后沉降差控制在4‰。
5.3 桥头搭板、变厚式埋板
桥头搭板的设置主要是将路堤、桥台衔接处高差进行均匀分散，优化行车工况。桥头搭板长度的确定需要依据工后沉降和路堤高度进行。桥头搭板尾端可以增加长度3～5m左右的浅埋变厚度埋板。埋板和搭板下方，则可以采取回弹模量、强度高于其他路面结构的材料进行设置，确保桥台连接处的水平、垂直方向的刚柔渐次变化，提升桥台位置处的抗冲击能力、不均匀沉降[6]。
6 结语
高速公路桥头跳车病害在长周期运行下极容易出现，且对行车安全性造成了威胁，施工单位需要严格化施工工艺，加强现场台背填筑的施工质量控制，开展必要的工后沉降监测。本文针对广东省某公路桥台跳车病害采取CFG桩网施工处治，对软土地基沉降及应力分布进行了有效分析，其竖向沉降控制满足规范要求，供同类工程参考。
参考文献
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[6] 章苏亚，赵腾飞，周洁.长短桩加筋路基在处治桥头差异沉降中的研究[J].中外公路，2020, 40(1):55-60.
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