吹填土區橋臺路基不均勻沉降控制技術研究

陳驍浙，劉翰辰，丁明穩

1.騰達建設集團股份有限公司，上海 200120；2.浙江工業大學巖土工程研究所，浙江 杭州 310000

0 引言

橋頭跳車現象是公路運營中常見的病害，發生的在橋梁和路基交界處。橋頭與路堤發生高低不一的錯位，當汽車經過此處時遇到障礙，導致顛簸、跳躍現象發生。不均勻沉降、填料壓實度、剛度突變、車速等都是引起橋頭跳車的重要原因［1］。當前高速公路基本以瀝青混凝土路面為主，但橋梁與道路的基礎結構卻存在一定差異［2］。橋梁的基礎結構整體為剛性結構，而高速公路的結構基本以柔性結構與剛性結構混合為主，因此導致橋梁基礎與道路基礎的承載力存在明顯差異，同時橋臺與臺背路面在結構上也存在一定差異，最終形成橋頭跳車問題。橋頭跳車會影響行車舒適度［3］，限制行車速度，并且降低行車的安全性。若因橋頭跳車引發較為嚴重的安全事故，會造成經濟損失和社會影響［4］。

本文采用有限元軟件Midas GTS 進行建模，分析樁加固地基對道路沉降的影響，對橋臺路基不均勻沉降控制技術進行研究。

1 工程概況

本工程依托于臺州市東部新區的月湖南路跨長浦河橋。該區塊地質條件表層為吹填土層，含水量高，壓縮性高，孔隙比高，強度低；其下存在深厚淤泥質土，性質也是三高一低。軟弱土層的存在使得橋頭基礎變剛度處極易發生不均勻沉降，進而誘發橋頭跳車。

2 計算模型建立

2.1 地基模型的建立

因為不同地層之間具有很大的差異性，土體變形受眾多因素影響，導致地基土體具有復雜的變形特性。學者們為了對土體進行深入了解，提出許多土體的本構模型方便開展研究。本文為了更好地得到合理計算結果，將土層分為吹填土、淤泥質黏土和粉質黏土三層，使用修正摩爾庫倫模型進行模擬。

2.2 模型計算參數的確定

2002 年，許宏發根據樁土接觸的接觸模型和庫侖摩擦變形原理，得到了與結構之間的剪切力學參數。發現樁土接觸參數不僅與樁體本身幾何性質材料性質有關［5］，更與接觸土層性質及土層分布密切相關。土體的物理參數根據地勘報告中給出的土性確定。

土層計算參數確定原則：

（1）對地質報告中的有土工參數的，取土工試驗參數推薦值；

（2）對于沒有具體給出的計算參數，根據《工程地質手冊》取經驗值。

表1 土層物理試驗指標成果表

2.3 模型的網格劃分及邊界設置

幾何模型X 軸沿橋走向，Y 軸垂直地面向上。土層與路面使用2D 面單元網格劃分，橋樁及加固樁使用1D 梁單元網格模擬。在路面上施加線荷載模擬車輛荷載。

模型邊界設置：頂部為自由面，不設置任何約束，對底面施加XY 兩個方向的約束，對周圍兩側施加法向約束，對橋樁基頂部及加固樁頂施加三個方向的旋轉約束。橋樁與橋面位置設為剛性連接。模型的土層選用修正摩爾—庫倫本構。模型中的加固樁為高壓旋噴樁，采用梁單元進行模擬，通過材料、幾何參數對其進行定義。模型如圖1 所示。

圖1 網格劃分

2.4 試驗方案

第一步，研究不同加固樁長對路面沉降的影響。在距離橋端60m 范圍內，分別將加固樁長設置為0m、9m、12m、15m、20m、25m，施加相同的路面荷載進行計算分析。

第二步，研究不同階梯式加固樁長分布對路面沉降的影響。通常在接近橋端的地方沉降最大，然后路面沉降會隨著與橋端的距離增加而減小。離橋較近的地方使用更長的加固樁，遠離橋的地方使用較短的加固樁，使加固樁形成階梯狀變化。將距離橋端以15m 為單位，分成4 個區域：距離橋端0～15m 為區域1，15～30m 為區域2，30～45m 為區域3，45～60m 為區域4。漸漸減短遠處區域的加固樁長，對比不同情況時的加固效果。分別設置以下情況：20|20|15|15、20|15|15|15、20|15|12|12、20|15|12|9。

第三步，研究加固樁體積基本相同情況下的沉降對比，設置以下情況：15|15|15|15和20|15|12|12。假設加固樁長1m為一個單位體積，兩種情況下，加固樁體積量分別為60 個單位和59各位單位，都在60 個左右單位量。前者代表樁長均勻分布，后者則是樁長按照階梯式分布，進行計算分析。

3 計算結果分析

3.1 不同樁長對路面沉降的影響

表2 不同加固樁長時的沉降值

可以看出，當樁長從0m 增加至25m，路端沉降值減小，起到地基加固的效果。樁長從15m 增至20m，路端沉降降幅為9.3%，樁長從20m 增至25m，路端沉降降幅為7.4%。樁長超過20m 后，再增加樁長時加固效果增幅減弱。

當樁長從0m 增加至25m，橋端沉降基本不變，說明使用樁對路端地基加固時，對橋端影響不大。對路端進行樁加固后，路-橋沉降差明顯減小，說明加固措施取得了良好的效果。

3.2 階梯式加固樁分布對路面沉降的影響

表3 階梯式加固樁分布時的沉降值

隨著樁長的減小，路端沉降值逐漸增大。當距離橋端較遠處的加固樁適當減小，加固樁對地基的加固效果影響不大。

樁長由20|20|20|20變為20|20|15|15時，路端沉降由6.89mm增加到7.23mm，路橋沉降差由4.09mm增加到4.42mm。而樁長由20|20|15|15變為20|15|12|9時，路端沉降由7.23mm增加到7.59mm，路橋沉降差由4.42mm增加到4.77mm。以樁長1m為1 個體積單位，前者減少10 個體積單位，路端沉降值增幅4.9%，路橋沉降差值增幅8.1%。后者減少13 個體積單位，路端沉降值增幅4.9%，路橋沉降差值增幅7.7%。說明在遠離橋端的區域減少相同體積量的加固樁時，路面沉降的增加值更小。

在距離橋端近處選較大的樁長，遠離橋端時逐漸減小樁長，形成階梯式布置，可以在一定范圍內減少加固樁用量時使沉降增幅較小，保證地基加固的有效性。

3.3 加固樁體積基本相同情況下的路面沉降對比

表4 加固樁體積量基本相同時的沉降值

樁長15|15|15|15和20|15|12|12情況下進行對比，后者的加固樁體積用量比前者少1 個單位，而路端沉降減少0.9%，路橋沉降差減少1.9%。由此可見，在一定范圍內樁的體積量相同時，隨著離橋端的距離增加，樁由長至短呈階梯式分布，加固效果更好。

4 結語

本文針對使用高壓旋噴樁對地基的處理進行研究，得到以下結果：

（1）隨著加固樁長度增加，路端沉降以及路-橋沉降差值逐漸減小，橋端沉降幾乎不變。當樁長大于20m 后再增加，路端沉降降幅減緩。

（2）距離橋端較遠處的樁長適當減小，對加固效果影響不大。

（3）距離橋端近處選擇較大樁長，遠離橋端時逐漸減小樁長，形成階梯式布置，可以在一定范圍內減少加固樁用量時使路面沉降增幅較小，保證地基加固有效。

（4）一定加固范圍內樁的體積量相同時，隨著離橋端的距離增加，樁由長至短呈階梯式分布，加固效果更好。