装配化桩板式路基的设计研究及管桩计算分析

易天星

(宁波大通开发有限公司,浙江 宁波 315000)

近年来,土地资源与生态红线对交通基础设施建设的刚性制约愈发凸显,土、砂、石等筑路材料资源也日益紧缺。占地难、取土难、购买砂石材料难,不但增加了公路建设的成本,而且制约了公路建设的工期。国家推行绿色公路建设,如何通过技术创新实现交通基础设施的绿色可持续发展,减少对土地、土、砂、石等自然资源的占用,成为摆在行业面前的突出问题。

装配化桩板式路基通过套筒式桩板连接构造,将预制板梁支撑在预制管桩上。可应用于新建和改扩建公路,在改扩建公路中,装配化桩板式路基外侧设置预制管桩,内侧在帮宽侧路基边缘设置现浇枕梁,其上安装预制板梁,形成侧边连续铰限位。在新建公路中,装配化桩板式路基1孔6～12 m,可根据具体情况确定联长,横向设置多排预制管桩,结构为柔性体系,结构类似桥梁。

在改扩建项目中装配化桩板式结构可直接利用旧路涵洞,避免接长,排水系统也可继续利用,在加快施工进度的同时,充分利用旧路排水结构,节约了工程造价;预制板梁、管桩可在工厂完成,现场组装,施工效率高、速度快;桩板式结构相对于传统路基,节省了路基边坡、护坡道等位置的占地,减少了土地资源征占,缓解了公路建设取土困难问题,是一种绿色环保的新建造模式[1]。

1 主要构造

1.1 上部结构

(1)上部结构采用预制钢筋混凝土板,单孔跨径6 m,可设置15孔一联,联长90 m,联端设80型异型钢单缝式伸缩装置,缝宽5 cm。桩板式路基横向宽度13 m,内外侧需设置墙式护栏。

根据位置不同,梁板可分为A、B、C和湿接缝,其中湿接缝宽度为30 cm,其余板为工厂预制板。横路基方向A板、B板跨中板厚30 cm,悬臂端厚30 cm,加腋根部厚55 cm;沿顺路基方向等厚度布置。位于联端(伸缩缝端)的C板为提高刚度和强度,横向跨中板厚与加腋根部厚均为55 cm;悬臂端板厚30 cm;纵向加厚范围为联端1 m范围。

(2)装配化桩板式路基通过调整横向湿接缝两侧预制板高度和角度拟合路线平面曲线,通过调整纵向预制板间的夹角及湿接缝尺寸形成竖曲线。预制厂家在预制板时应根据平曲线超高设计要求采用直线拟合,严格控制预制板两个端面控制点高程,直线拟合引起的桥面错台通过铺装调整。

预制桥面板顶底面均为水平预制(桥面无纵横坡度),管桩顶面也为水平结构(无纵横坡),桥面横坡以预制桥面中线为基准线,旋转2%形成横坡,管桩顶面与预制板间的坡度依靠调平钢板(过渡桩)、圆形钢管(钢管内现浇C50无收缩混凝土)(一般桩)调整形成。

(3)预制板所有全部节段工厂预制,运输至现场吊装,完成湿接缝钢筋连接后现浇湿接缝形成桩板路基,最后完成防撞护栏等附属设施[2]。

1.2 下部结构

下部结构全部采用预应力管桩,桩板式路基的柱身部分采用PRC-I B600型管桩,桩基部分采用PHC B600型管桩,桩长15 m,结合现场施工条件,宜采用打入法施工[3]。

PRC-I B600型管桩(预应力钢筋及普通钢筋)需满足《混合配筋预应力混凝土管桩》中相应型号管桩配筋。PHC B600型管桩(预应力钢筋)需满足《预应力混凝土管桩》10G409中相应型号管桩配筋。

1.3 桩顶连接构造

桩顶外套一外径为630 mm壁厚10 mm的圆形钢管,钢管焊接在管桩端板上,钢管上部采用橡胶条密封。同时放置填芯钢筋笼,最后在板顶预留孔中灌注C50无收缩混凝土与预制板实现固结,形成整体连接接头[4]。

联端桩浇筑形成桩帽,同时浇筑C50无收缩混凝土进行填芯,桩帽上设滑板支座,梁板放置在桩帽上。

2 荷载参数

2.1 汽车荷载

为了准确计算汽车偏载效应,计算模型中汽车荷载分别按照最少1个车道,最多3个车道布载,横向车道布载系数分别为1.2(1车道)、1.0(2车道)、0.78(3车道)。车道荷载包括对称布置与偏载两种工况[5]。

汽车荷载分别考虑车辆荷载和车道荷载的组合,分别对下述升温和降温两种状况进行验算。

2.2 车辆荷载

车辆荷载应分别考虑车辆荷载的对称布置与偏载两种工况[5]。考虑三列55 t车辆荷载作用。

3 计算模型

本次计算模型采用midas Civil 进行数值分析。其中桥面板采用板单元模拟,划分约为500 mm×500 mm一个单元,有限元模型中以不同板厚来模拟桩顶加腋部分(50 cm厚)和等厚部分(30 cm厚);桩采用梁单元模拟。模型见图1。

图1 桩板路基模型总图

板梁采用板单元模型;计算时认为桩板连接处接头约40 cm中心柱起受力作用,周围10 cm素混凝土退出工作。

为了模拟土质对桩的作用,分析中利用节点弹性支撑建立横向和纵向的土弹簧。弹簧的刚度依据“M”法计算得到土的水平作用效应。地基土水平抗力系数的比例系数=10 MN/m4。

4 下部结构计算分析

4.1 支反力及桩长计算

(1)支反力。

标准组合下,最大支反力在联端,为1 041 kN。

(2)桩长计算(适用于地质条件一般,适合采用打入桩的路段)。

单桩竖向抗压承载力特征值,宜按公式(1)估算[6]。

(1)

式中:Ra为单桩竖向抗压承载力特征值,kN;up为桩身外周边长度,m;qsia为管桩桩侧第i层土极限侧阻力特征值,kPa,宜按场地岩土工程勘察报告取值,如无当地经验值时,可按规程中相应表格选取;li为管桩穿越第i层土(岩)的厚度,m;qpa为管桩的极限端阻力特征值,kPa,宜按场地岩土工程勘察报告取值,如无当地经验值时,可按规程中相应表格选取;Af为空心桩桩端净面积,m2,对于管桩,Af=π(D2-d2)/4;λp为桩端土塞效应修正系数,对于闭口管桩λp=1;对于敞口管桩:当hb/D<5时,λp=0.16hb/D,当hb=D≥5时,λp=0.8;其中hb为管桩桩端进入持力层深度;Ap1为管桩空心部分敞口面积,m2,Ap1=πd2/4。

粉细砂层,近似取qsia=28 kN/m2,中砂层,近似取qsia=35 kN/m2,qpin=3 000 kN/m2。计算得Ra=1 573 kN>1 041 kN。

(3)抗冻拔稳定性计算。

桩(柱)基础抗冻拔稳定性可按下列公式验算[7]。

Fk+Gk+Qfk≥kTk

(2)

Qfk=0.4u∑qikli

(3)

式中:Fk为作用在桩(柱)顶上的坚向结构自重,kN;Gk为桩(柱)自重,kN,对水位以下且桩(柱)底为透水士时取浮重度;Qfk为桩(柱)在冻结线以下各层的摩阻力标准值之和;u为桩的周长,m;qik为冻结线以下各层土的摩阻力标准值,kPa;li为冻结线以下各层土的厚度,m;Tk为每根桩(柱)的切向冻胀力标准值,kN。

Tk=Zdτsku

(4)

式中:Fk为作用在基础上的结构自重,kN;Gk为基础自重及襟边上的土自重,kN;Qsk为基础周边融化层的摩阻力标准值,kN;k为冻胀力修正系数,砌筑或架设上部结构之前,k取1.1;砌筑或架设上部结构之后,对外静定结构k取1.2;对外超静定结构k取1.3;Tk为对基础的切向冻胀力标准值,kN;Zd为设计冻深,m,参见本规范第5.1.2条,当基础埋置深度h小于Zd时,Zd采用h;τsk为季节性冻土切向冻胀力标准值,kPa,按表H.0.1选用;u为在季节性冻土层中基础和墩身的平均周长,m。

Zd=ψzsψzwψzeψzgψzfZ0

Zd=1.2×0.9×1×1×1.1×2.1=2.5 m

Tk=2.5×120×0.8×3.14×0.6=452.2 kN

Qfk=0.4×3.14×0.6×(28×2×8+35×2×2)=443 kN

Fk+Gk+Qfk=750+3.14×(0.32-0.192)×12+443=1 195 kN>1.3×452.2=588 kN

管桩的抗冻拔稳定性满足规范要求。

4.2 管桩受力计算

(1)管桩承载能力计算。

基本组合下,桩基顺桥向桩顶所受最大弯矩为164 kN·m,横桥向桩顶所受最大弯矩为41.6 kN·m,桩顶最大轴力为1 124 kN,桩顶最大剪力为34 kN。

由《预应力混凝土管桩技术标准》(JGJ/T 406—2017)附表知,PRC-I B600型管桩桩身开裂弯矩Ma=246 kN·m,标准组合计算的抗裂剪力≤290 kN,桩身施工允许最大压应力5 775 kN;PHC B600型管桩桩身开裂弯矩Mcr=265 kN·m,桩身施工允许最大压应力5 775 kN。

PRC-I B600和PHC B600型管桩桩身力学性能满足规范要求。

(2)抗裂计算。

由计算知,桩身最大拉应力为4.87 MPa,由《预应力混凝土管桩技术标准》(JGJ/T 406—2017)附表可知,PRC-I B600型管桩混凝土有效压应力7.11 MPa;PHC B600型管桩混凝土有效压应力8.34 MPa,桩身不会开裂。

5 结 论

通过以上论述,装配化桩板式路基设计方案可行,且相对于传统路基解决了征地困难,减少对土地、土、砂、石等自然资源的占用。能够大力推动绿色公路工业化建造技术的发展,装配化桩板式路基已在我国的多条高速公路改扩建和新建工程中得到应用,目前设计中的哈尔滨都市圈环线西南环段,对填土高度7 m的公路路基和装配化桩板式路基进行了经济技术比较,装配化桩板式路基具有一定经济优势,如应用于不良地质段落,装配化桩板式路基的经济优势明显,装配化桩板式路基结构替代传统的路基路面筑路技术,作为绿色环保的公路建造方式,在降低资源利用和土地占用方面优势明显,具有广阔的发展前景。