对减少公路路桥沉降差的设计及措施探讨

高泽雨

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019)

对减少公路路桥沉降差的设计及措施探讨

高泽雨

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019)

结合某公路路桥改扩建工程实例，以预应力管桩方案为研究对象，引入有限元计算方法对减少沉降差的优化设计问题进行研究，提出优化沉降差控制设计方案的相关因素。

桥梁；沉降差；设计

1 工程概况

本公路桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级，路面路基宽度26.0 m，两幅中间间隔距离为2.0 m。全线共分布有7座大桥，结构形式均为预应力空心板桥，桩基基础为钻孔灌注桩基础。为提高公路路桥荷载等级以及使用性能，拟采用双侧加宽方式对路面进行加宽改造，并针对不均匀沉降问题进行综合处治。

2 设计方案

既往大量工程经验表明：在公路路桥改扩建工程中，应用预应力管桩基础具有成桩速度快、桩基质量可靠、结构承载力高、沉降差控制效果好等优势。目前，在工业、民用建筑中，预应力管桩应用非常广泛，对提高建筑结构承载力水平，合理控制沉降差异均有重要意义。本研究中公路路堤荷载水平小，因此从承载力上考虑可满足要求，设置预应力管桩的主要目的是对沉降差异的控制。同时，考虑到预应力管桩较常规水泥土桩工程造价更高，且桩身强度大、承载力高，因此在本工程复合地基基础设计过程中充分发挥桩—土共同作用，通过疏化桩距的措施使预应力管桩相关作用充分发挥出来。

同时，为避免预应力管桩向上对土体造成刺入破坏影响，在管桩顶部需设置桩帽防护，桩帽顶部加铺设碎石垫层。由于桩基—土体刚度差异大，因此在碎石垫层中还可增设一层土工格栅，以提高碎石垫层整体刚度，形成桩—网垫层复合地基，以发挥土体作用。

3 设计优化

在本工程应用预应力管桩基础对沉降差异进行控制的过程中，影响地基沉降情况的因素包括桩体自身、桩体—桩间土相互作用、桩体长度、桩帽半径、垫层高度、桩体模量等。在预应力管桩沉降计算中必须综合考虑上述因素，故以下通过MARC程序系统分析相关主要因素对公路路桥改扩建工程中加宽路堤荷载下复合地基沉降的影响，进而针对基于沉降差异控制的管桩复合地基优化设计提供意见与建议。

3.1 基本参数

如图1所示为本工程典型有限元计算模型。模型中桩基中心距为2.4 m，选择路堤长度方向两端作为典型路段，中心对称面、侧面各节点均无水平位移，底边为有限元分析固定边界，表面则为有限元分析自由边界。地基土土体厚度为30.0 m(下卧层土土体厚度为20.0 m，加固区软土层厚度为10.0 m)。为简化计算流程，以典型路段1/2宽度作为计算区域，有限元计算基础参数如表1所示。

图1 本工程典型有限元计算模型示意图

表1 本工程计算区域有限元计算基础参数示意表

3.2 主要工况

A工况：本工况主要针对桩帽等效半径与桩基等效半径比对复合地基沉降性能的影响进行分析。对桩体半径取值1.36 m恒定不变，桩帽等效半径在0.45 m、0.56 m、0.67 m下的复合地基沉降性能进行观察。

B工况：本工况主要针对桩体模量对复合地基沉降性能的影响进行分析。预应力管桩桩径取值60.0 cm，桩长取值12.0 m，桩间距取值2.4 m，路基拓宽取值8.0 m，填方高度取值4.0 m，对桩基模量在40.0 GPa、50.0 GPa、60.0 GPa、70.0 GPa、80.0 GPa条件下的复合地基沉降性能进行观察。

C工况：本工况主要针对桩体长度对复合地基沉降性能的影响进行分析。预应力管桩桩径取值60.0 cm，桩体模量取值60.0 GPa，桩间距取值2.4 m，路基拓宽取值8.0 m。对桩基长度在6.0 m、8.0 m、10.0 m、12.0 m条件下的复合地基沉降性能进行观察。

3.3 计算结果

A工况分析结果如下图所示(见图2)。图2中显示：当桩体半径取值1.36 m恒定不变，桩帽等效半径在0.45 m、0.56 m、0.67 m下(即桩体半径与桩帽等效半径比值在0.33、0.41、以及0.49条件下)，复合地基沉降量呈现出减小取值(自55.4 m下降至53.1 m)。分析认为主要因素是：增大桩帽尺寸实质上降低了桩帽间土体所承受荷载作用力水平。同时，随着预应力管桩桩体模量以及桩体半径与桩帽等效半径比值的增加，复合地基沉降量显著下降。根据图2数据可知：在本案例中，若桩体模量越大，则可通过设计较大桩帽的方式提高预应力管桩沉降差异控制效用的发挥。

图2 桩帽等效半径与桩基等效半径比对复合地基沉降性能的影响示意图

B工况分析结果如图3所示。图3中显示：随着预应力管桩桩体模量的增加，复合地基沉降量有一定的下降趋势。且对于加固区而言，顶面沉降量显著高于底面。该特征提示预应力管桩能够显著提高加固区复合模量水平，同时降低加固区压缩量。但对于下卧层而言，预应力管桩桩体模量增加对其沉降的影响相对较少。根据图3数据可知：在本案例中，桩体模量同样是沉降量优化设计中不容忽视的因素之一。

图3 桩体模量对复合地基沉降性能的影响示意图

C工况分析结果如图4所示，图4中显示：随着预应力管桩桩体长度的增加，复合地基顶面沉降峰值有一定的下降趋势。桩计算长度对地基顶面沉降的影响曲线的斜率越大，长越小，对复合地基最大沉降量的影响越为明显。在本案例中：在桩体模量较小情况下，管桩长度应当能够穿越软弱土层，以提高沉降差处置效果。

图4 桩体长度对复合地基沉降性能的影响示意图

4 结束语

综合本研究有限元计算结果得出以下结论：(1)若桩体模量越大，则可通过设计较大桩帽的方式提高预应力管桩沉降差异控制效用的发挥；(2)桩体模量同样是沉降量优化设计中不容忽视的因素之一；(3)在桩体模量较小情况下，管桩长度应当能够穿越软弱土层，以提高沉降差处置效果。

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2016-05-11

U412

C

1008-3383(2017)02-0024-02