钢管桩在拼宽桥梁基础加固中的应用

王 琪,吴 勇,卢继指,王 超

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

近年来,随着经济社会的发展,我国高速公路路网建设如火如荼。随之出现很多高速公路枢纽建设、高速公路改扩建等不同类型的涉及桥梁拼宽的工程。在桥梁拼宽设计中,控制拼宽桥梁与既有桥梁的不均匀沉降对于桥梁整体结构的安全尤为重要。其中控制桥梁不均匀沉降关键为控制其基础的沉降。近年来,国内公路建设中广泛采用了微型钢管桩用于基础加固[1-2],取得了较好的效果,但其对拼宽桥梁的适用性,值得进一步进行研究。

本文以吴隆路定旧分离式立交拼接工程为例,采用理论分析和经济比选,论证钢管桩在桥梁拼宽基础加固施工中的可行性。

1 工程概况

1.1 桥梁拼宽基本情况

定旧分离式立交桥为南百高速公路上跨乡村道路而设置的分离式立交桥[3]。根据南宁南过境线(吴圩机场至隆安段)坛洛枢纽互通建设需要,需对其左幅加宽3.552 m,右幅维持原状。原桥面宽度为2×14.0 m,桥下净空满足路线净空要求。加宽后,左幅桥面宽17.552 m,右幅14.0 m。原设计荷载:公路-Ⅰ级;新预制梁:公路-Ⅰ级。原桥上构为1～16 m预应力混凝土简支空心梁,桥台为重力式桥台,明挖扩大基础,基础尺寸为6 m×32 m。新拼宽基础设计尺寸为4 m×6 m,新预制梁为1～16 m后张预应力混凝土简支小箱梁,与原桥的边梁采用湿接缝连接。加宽桥台拟采用重力式桥台,采用桩基础。但受场地条件限制,大型旋挖成孔机械难以进场,拟采用钢管桩代替原有桩基础,以减少施工期间机械设备对原有路基产生的扰动。

1.2 桥梁区地质条件

桥梁所在区域地貌为岩溶平原微丘地貌,桥址区覆盖第四系残积土层,未见基岩出露。桥位区基本地震动峰值加速度值为0.10 g,对应的地震烈度为Ⅶ度,基本地震动反应谱特征周期为0.35 s,区域地质稳定性较好。地面以下岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 桥址区地层参数一览表

根据桥梁的设计图纸,在基本组合下,拼宽桥梁扩大基础基底压力为250 kPa。

1.3 钢管桩加固方案

为控制差异沉降,定旧分离式立交桥拼宽部分采用扩大基础+钢管桩基础方案。钢管桩为直径15 cm钢管注浆混凝土桩,采用钻机成孔,钢管为直径10.8 cm、壁厚8 mm的热轧无缝钢管,管身按间距50 cm十字交错打孔。桩体注浆采用M30水泥砂浆。钢管桩按矩形布置,间距按75 cm×80 cm,共计75根。钢管桩深入扩大基础内部长度为30 cm。如图1所示。

图1 桥梁钢管桩基础设计图(m)

2 拼宽后沉降计算分析

2.1 扩大基础方案沉降计算

当采用扩大基础方案时,基础埋深为2.0 m。基底中心位置变形即为墩台基础的最终沉降量,可按《公路桥涵地质与基础设计规范》的沉降公式计算:

(1)

式中:ψs——沉降计算经验系数;

p0——基础底面处附加压应力;

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量;

zi、zi-1——基础底面至第i、i-1层土的底面的距离;

该桥梁基础底面的附加应力p0=250 kPa,结合表1的地层参数,沉降计算经验系数取1.0。按简化为一层计算,取z1=18 m,查表得α=0.266 5。经计算可得拼宽基础中心的最终沉降量s=128.95 mm。

对于拼宽桥梁基础引起的既有基础沉降,可以通过应力叠加原理,同样利用式(1)沉降公式计算得出。根据查表计算可知,拼宽桥梁后,引起的既有桥梁基础的中心位置、基础1/4处位置和边缘位置的沉降分别为:0.73 mm、7.26 mm、86.13 mm。

对于扩大基础,一般在无法满足沉降要求时,可采用加宽基础尺寸的方式,通过降低基底附加应力以减少沉降。对于该桥梁,如采用6 m×8 m尺寸,即原有基础宽度和长度尺寸各增加2 m,则基础面积增加一倍。通过查表得加宽后α1=0.345,经计算加宽基础后拼宽基础的中心最终沉降量s=86.13 mm。

2.2 钢管桩沉降计算

对于桩中心距不大于6倍的桩径,也即桩中心间距≤90 cm,根据《公路桥涵地基与基础设计规范》要求,应作为墩台基础计算群桩的沉降量,同时也应计算桩身压缩量。

群桩的沉降量可作为整体基础按式(1)进行计算,在计算时,计算沉降的土层厚度为基础底部土层厚度减去桩长后的土层厚度。

对于桩体部分的变形,可假设基础底部应力全部由钢管桩承受,此时仅计算单根钢管桩的变更即可。即:

(2)

钢管外侧保护层厚度为2.1 cm,对于细长桩体,在受压变形时,容易出现弯曲变形,从而导致外部保护层剥落开裂,受压性能大大降低。因此,对于钢管桩计算面积取管桩包裹范围内面积,即桩体截面积为钢管围成的面积,对于10.9 cm钢管,Aps=91.6 cm2。按方形布置钢管桩、桩间距为75 cm时,钢管桩单桩作用面积为A=5 626 cm2,此时Qj=p×A。Ec为桩体弹性模量,按水泥弹性计算,为3.00×104MPa。根据以上各参数,即可计算出钢管桩桩身压缩值。由群桩基础底部地基沉降叠加钢管桩桩身压缩值,据此可求得不同钢管桩长度对应的拼宽基础中心的沉降值(如表2所示)。

表2 不同钢管桩长度下新建基础沉降值计算结果表

3 沉降对比分析

根据以上计算结果,由下页图2可知,如果采用与原有基础一样的扩大基础,新增加的基础与原有基础相对沉降比较大,不均匀沉降导致桥梁出现横坡,最大横坡达2%。对于桥梁结构,横向的不均匀沉降会导致桥梁结构产生较大的内力,在运营时容易在湿接缝位置出现纵向裂缝等结构问题,同时如果产生较大的横向不均匀沉降,对于车辆通行也存在较大的风险。如果采用加宽基础方案来降低沉降,在基础面积增加一倍的情况下,新建桥梁基础中心最终沉降值仅降低了约33%,降低效果不明显。

图2 不同条件下桥梁不同位置沉降对比曲线图

对设置不同长度钢管桩条件下的沉降计算分析表明,钢管桩长度在15 m时,新建桥梁基础中心位置的沉降大幅降低。钢管桩设置在基岩中时,主要沉降为钢管桩自身的压缩变形,此时新建基础的沉降仅为未设置钢管桩时的8%。

图2为设置不同长度钢管桩和未设置钢管桩条件下,新建桥梁基础中心和既有桥梁基础不同位置的沉降量计算值对比情况。通过对比分析可知,未设置钢管桩和设置5 m、10 m、15 m、20 m钢管桩条件下沉降引起的横坡变化分别为2.1%、2.0%、1.6%、0.1%、0。在设置15 m长锚筋桩时,桥梁的整体沉降即比较均匀,设置20 m长钢管桩时,桥梁的整体沉降不明显。由此可见,设置15 m以上钢管桩即可满足沉降要求,如果设置为20m长钢管桩,此时为嵌岩桩,桥梁整体沉降会大大降低。

4 应用效果分析

根据以上计算分析结果,在定旧分离式立交桥拼宽基础中采用φ15 cm钢管桩,钢管桩设置为嵌岩桩。与同长度混凝土桩相比,造价降低了25%。根据通车运营后一年多以来的监测数据,拼宽桥梁中心在建成7个月后沉降趋于稳定,最大沉降量为3.5 mm,未见桥梁有明显变形(见图3),可见在拼宽桥梁中基础采用钢管桩加固可以有效地控制沉降。

图3 建成后差异沉降监测数据曲线图

5 结语

(1)拼宽桥梁直接采用扩大基础虽然满足承载力要求,但会导致新旧桥梁出现差异沉降,采用增加基础面积来减少沉降的效果并不明显。

(2)采用钢管桩基础可有效降低拼宽桥梁的沉降,其中钢管桩直接穿过土层效果最好。

(3)与普通混凝土桩基础相比,钢管桩具有良好的经济性,在一定条件下可以直接作为拼宽桥梁基础。