于一凡，張宏博，黃大偉，宋修廣

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061;2.山東省路基安全工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250061)

橋頭跳車是由于線橋過(guò)渡段的差異沉降使路面縱坡出現(xiàn)臺(tái)階引起車輛的跳躍現(xiàn)象。如何降低橋頭跳車的危害一直是工程界關(guān)注的問(wèn)題。工程中常用的一些方法，諸如設(shè)置橋頭搭板［1］、強(qiáng)夯［2-3］、堆載預(yù)壓［4-5］，以及碎石樁、攪拌樁、CFG樁等［6-8］均有一定成效;但由于上述方法各有各的適用條件，施工工期、施工成本也不盡相同，工程設(shè)計(jì)中仍期待線橋過(guò)渡段地基處理的新方法。本文結(jié)合濟(jì)(南)東(營(yíng))高速公路的建設(shè)，對(duì)透水性混凝土樁在橋頭跳車處理中的適用性進(jìn)行了研究。

1 工程地質(zhì)條件

濟(jì)(南)東(營(yíng))高速沿線主要為黃河沖積平原區(qū)，該地區(qū)地勢(shì)平坦，土層深厚，河灘高地與河間洼地縱橫交錯(cuò)，河網(wǎng)密布，地表排水不暢。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與資料分析發(fā)現(xiàn):該地區(qū)地基土質(zhì)以粉土、粉質(zhì)黏土和粉砂等為主，地下水位一般為1.5～3.5 m，已修筑的高速公路工后沉降量較大，臺(tái)背路基的工后基準(zhǔn)期沉降量大都會(huì)超過(guò)15 cm，高填土路段甚至高達(dá)40 cm，引起較為嚴(yán)重的不均勻沉降?！豆奋浲恋鼗返淘O(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 017—96)中規(guī)定，橋頭的不均勻沉降應(yīng)控制在10 cm以內(nèi)［9］。正在修建的濟(jì)東高速基本為填方路基，路基填筑高度一般在5 m以上，少數(shù)路段高達(dá)10 m;設(shè)計(jì)使用透水性混凝土樁處治橋頭地基，因此有必要對(duì)透水性混凝土樁的承載力、布置方式及處置效果進(jìn)行研究。

典型路段工程地質(zhì)條件如表1所示［10］。

表1 濟(jì)東路樁號(hào)K88+208位置處地質(zhì)條件

2 透水性混凝土樁性能分析

2.1 透水性混凝土樁

透水性混凝土是由特定級(jí)配的集料、水泥、外加劑、增強(qiáng)劑和水等按特定比例和工藝制成的多孔混凝土。在實(shí)際工程中，透水性混凝土樁的成樁可使用振動(dòng)沉管法。樁體抗壓強(qiáng)度10～20 MPa，滲透系數(shù)一般介于0.1～1.5 cm/s之間。透水性混凝土樁樁體強(qiáng)度高，透水性強(qiáng)，兼具散體樁和剛性樁的優(yōu)點(diǎn)，一方面利用其自身強(qiáng)度提高淺層地基的承載力，減小軟土地基的總沉降量;另一方面，形成豎向排水通道，縮短排水路徑，有利于壓縮層在施工期的排水固結(jié)，盡可能多地消除工后沉降。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，在綜合考慮樁體強(qiáng)度、透水性和水下抗分散性的前提下，設(shè)計(jì)出透水性混凝土樁的最佳配合比如表2所示。按此配合比拌合的透水性混凝土孔隙率可達(dá)到22%以上，透水效果較好，28 d抗壓強(qiáng)度在10 MPa以上。透水性混凝土成樁及透水性試驗(yàn)示意如圖1。

表2 透水性混凝土樁推薦配合比 kg/m3

圖1 透水性混凝土樁室內(nèi)成樁及透水性測(cè)試

2.2 透水性混凝土樁單樁承載特性試驗(yàn)［11］

在濟(jì)東高速公路現(xiàn)場(chǎng)選取40 m×20 m區(qū)域，采用振動(dòng)沉管法成透水性混凝土樁9根，樁徑50 cm，樁長(zhǎng)10 m，樁距5 m。成樁3月后，選取2根質(zhì)量較好的樁做單樁承載力試驗(yàn)，以確定其單樁承載力極限值。

單樁承載力試驗(yàn)采用錨樁法，分別在選取的2根試驗(yàn)樁周圍對(duì)稱打4根錨樁，錨樁為鉆孔灌注樁，樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)10 m。

試驗(yàn)流程:試驗(yàn)進(jìn)行分級(jí)加載，每一級(jí)荷載為40 kN，其中第一級(jí)取80 kN;每級(jí)荷載施加后按第5，15，30，45，60 min測(cè)讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測(cè)讀一次;每小時(shí)內(nèi)的樁頂沉降量不超過(guò)0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)2次，可加下一級(jí)荷載。

當(dāng)出現(xiàn)下列現(xiàn)象之一時(shí)，可終止加載:①沉降急劇增大，土被擠出或承壓板周圍的土明顯地出現(xiàn)隆起。②沉降急劇增大，壓力—沉降(Q－S)曲線出現(xiàn)陡降段，或壓板的累計(jì)沉降量已大于其寬度或直徑的6%，或不小于100 mm。③當(dāng)不出現(xiàn)極限荷載，而最大加載量已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的2倍。

試驗(yàn)中當(dāng)加載至第7級(jí)荷載時(shí)，2根試樁的豎向位移均陡然增大，因此終止加載，其壓力—沉降(Q－S)平均值曲線如圖2所示。

圖2 單樁承載力Q－S曲線

由圖2可知，透水性混凝土樁單樁Q－S曲線在荷載為240 kN之前，樁體豎向位移緩慢增大，240 kN時(shí)豎向位移約為2 cm。當(dāng)荷載增大至280 kN時(shí)，豎向位移突增至4.3 cm，Q－S曲線發(fā)生陡降，曲線明顯向下彎曲，240 kN位置為Q－S曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，故可判斷透水性混凝土樁(樁長(zhǎng)10 m、樁徑0.5 m)的單樁豎向抗壓極限承載力為240 kN。

3 處治效果計(jì)算分析

3.1 建立模型

以濟(jì)東高速樁號(hào)K88+208位置處的地質(zhì)條件為例，使用理正巖土軟件建立透水性混凝土樁地基處治模型，對(duì)該新樁型的布置方式及處置效果進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，分析其在小橋涵及大中橋橋頭處治中的適用性。K88+208位置處路基設(shè)計(jì)高度為6 m，設(shè)計(jì)頂寬28 m，設(shè)計(jì)坡度1∶1.5。

圖3 透水性混凝土樁平面布置(單位:m)

設(shè)計(jì)透水性混凝土樁的布置形式為等邊三角形，樁徑0.5 m，布置寬度為路基兩側(cè)坡腳各向外延伸1 m，布置范圍為橋涵底部及兩側(cè)地基各30 m范圍內(nèi)，地基的30 m范圍劃分為A，B，C 3個(gè)過(guò)渡區(qū)，每個(gè)區(qū)的長(zhǎng)度為10 m，如圖3所示。加固區(qū)主固結(jié)沉降計(jì)算方法采用復(fù)合模量法，基底壓力計(jì)算方法按多層土實(shí)際重度計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮彌補(bǔ)地基沉降引起的路堤增高量，透水性混凝土樁排水體當(dāng)量直徑折減系數(shù)為0.3，單樁承載力取240 kN，控制工后沉降在20 cm以內(nèi)，差異沉降在10 cm以內(nèi)。按此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)與樁間距，用理正軟件建立的模型如圖4所示。

圖4 用理正軟件建立的模型(單位:m)

3.2 小橋涵處治結(jié)果(表3)

從表3的處治結(jié)果中可以看出，透水性混凝土樁處治小橋涵的結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定，即最大工后沉降15.8 cm(＜20 cm)，最大差異沉降4.8 cm(＜10 cm)，可以較好地控制橋頭跳車問(wèn)題。最大樁長(zhǎng)12 m，振動(dòng)沉管施工并不困難。由于小橋涵區(qū)域的換算密度較路基區(qū)域偏小，所以在樁距相同的情況下，過(guò)渡區(qū)A使用的樁長(zhǎng)偏大。

表3 小橋涵處治結(jié)果(6 m高路基)

3.3 大中橋處治結(jié)果(表4)

從表4的處治結(jié)果來(lái)看，工后沉降及差異沉降同樣滿足規(guī)范規(guī)定。

表4 大中橋處治結(jié)果(6 m高路基)

3.4 不同路基填高小橋涵區(qū)處治結(jié)果(表5)

表5 不同路基填高小橋涵區(qū)處治結(jié)果

根據(jù)樁號(hào)K88+208位置處的地質(zhì)條件，分析路基填高不同時(shí)，透水性混凝土樁處治橋頭跳車的結(jié)果。

從表5可知，對(duì)于不同路基填高，透水性混凝土樁處治橋頭跳車的結(jié)果滿足規(guī)范規(guī)定，最大差異沉降僅為4.8 cm。但當(dāng)路基填高為8 m時(shí)，最大樁長(zhǎng)已增至15 m，此時(shí)振動(dòng)沉管施工已比較困難，且易造成斷樁，若考慮增大樁徑又不經(jīng)濟(jì);所以，透水性混凝土樁適宜處治8 m以下路基填高的橋頭跳車問(wèn)題。

4 結(jié)論

1)透水性混凝土樁兼具散體樁和剛性樁的優(yōu)點(diǎn)，可提高地基的承載力，加速壓縮層在施工期的排水固結(jié)，減小工后沉降。

2)透水性混凝土樁可有效控制8 m以下路基填高的小橋涵與橋頭路基的差異沉降，但對(duì)于大中橋下部地基處治并不適用，可用于處治大中橋橋頭地基。

3)透水性混凝土樁相比同等直徑與樁長(zhǎng)的漿噴樁、碎石樁，其單樁承載力明顯偏大，對(duì)于軟土地基及地下水位較高的濕陷性黃土地基處的小橋涵修建十分適用。

［1］周玉民，談至明，胡躍軍，等.橋頭搭板結(jié)構(gòu)分析［J］.公路，2004(1):82-86.

［2］胡長(zhǎng)明，梅源，王雪艷.離石地區(qū)濕陷性黃土地基強(qiáng)夯參數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33(10):2903-2909.

［3］周健，史旦達(dá)，賈敏才，等.低能量強(qiáng)夯法加固粉質(zhì)黏土地基試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(11):2359-2364.

［4］涂平暉，杜文山，張彌.深厚層軟土路堤涵基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2000，13(4):29-32.

［5］欒茂田，武亞軍，楊慶，等.大連港大窯灣吹填區(qū)軟基的堆載預(yù)壓處理研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006，36(4):10-12，26.

［6］曹文貴，楊澤華.柔性基礎(chǔ)下碎石樁加筋復(fù)合地基沉降分析方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(11):1997-2004.

［7］徐新躍.水泥土攪拌樁極限承載力的灰色預(yù)測(cè)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001(3):52-54.

［8］張定邦，朱金鳳.新型CFG樁板結(jié)構(gòu)加固軟土地基模擬研究［J］.鐵道建筑，2012(12):75-78.

［9］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 017—96 公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1996.

［10］張娜，崔新壯，張炯，等.路堤荷載作用下透水性混凝土樁減壓降沉效應(yīng)研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013，43(4):80-88.

［11］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 106—2014 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.