王風(fēng)波， 計(jì) 鵬

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

公路建設(shè)過(guò)程中，受到客觀因素限制，預(yù)制梁場(chǎng)需要布置在軟基路堤上[1-2]。受到梁體自重和運(yùn)輸車輛動(dòng)載等局部不均勻荷載的影響，使得預(yù)制梁場(chǎng)下的軟土路基更易產(chǎn)生較大的差異沉降[3]。為減小因梁體自重荷載導(dǎo)致的較大的軟基沉降，需要在預(yù)制梁下設(shè)置臺(tái)座[4]。

目前，關(guān)于預(yù)制梁場(chǎng)下軟基路段的沉降問(wèn)題[5-6]和預(yù)制梁臺(tái)座的布設(shè)問(wèn)題[7-8]，許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了研究，并取得了有益的結(jié)論。馬飛等[9]通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，分析了處于預(yù)壓期軟基路堤上的預(yù)制梁的沉降規(guī)律；李聞[10]基于CFG樁處理的存梁臺(tái)座計(jì)算模型，提出箱梁存梁臺(tái)座的設(shè)計(jì)應(yīng)由變形控制，并給出存梁臺(tái)座施工設(shè)計(jì)流程和步驟。Tommelein和Zouein等[11-13]依靠人工智能以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等工具，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件進(jìn)行預(yù)制梁場(chǎng)地的布置和規(guī)劃。Chiu S L等[14]針對(duì)臺(tái)灣高鐵項(xiàng)目中鐵路橋的預(yù)制梁場(chǎng)的底模臺(tái)座的布置方式進(jìn)行了分析，為預(yù)制梁場(chǎng)滑動(dòng)底模臺(tái)座的設(shè)計(jì)和施工提供了借鑒。龔燕軼[15]根據(jù)湖泛區(qū)的軟基特點(diǎn)，給出了受載比較集中的門(mén)吊軌道基礎(chǔ)和制梁臺(tái)座兩側(cè)張拉端以及場(chǎng)坪區(qū)、滑模軌道區(qū)和制梁臺(tái)座張拉區(qū)的地基處理方式，并對(duì)制梁臺(tái)座基礎(chǔ)進(jìn)行了受荷理論驗(yàn)算。

可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的研究工作主要是預(yù)制梁場(chǎng)的整體沉降規(guī)律以及預(yù)制梁場(chǎng)臺(tái)座的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工方面，考慮不同預(yù)制梁臺(tái)座布設(shè)方式，如預(yù)制梁臺(tái)座的基礎(chǔ)類型、臺(tái)座布設(shè)方向等，對(duì)軟基差異沉降將產(chǎn)生不同的影響研究較少。本文擬在分析梁臺(tái)座布設(shè)方向、臺(tái)座基礎(chǔ)形式的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元軟件Midas/GTS建立三維計(jì)算模型，研究預(yù)制場(chǎng)臺(tái)座布設(shè)方向和基礎(chǔ)類型的差異沉降變化規(guī)律，為預(yù)制場(chǎng)的優(yōu)化布設(shè)提供依據(jù)。

1 梁臺(tái)座布設(shè)形式

1.1 梁臺(tái)座布設(shè)方向

在路基上建造預(yù)制梁場(chǎng)，常見(jiàn)的梁臺(tái)座的布設(shè)有橫向和縱向排布兩種方式。類型一：沿路基縱向排布預(yù)制梁臺(tái)座，在路基左側(cè)設(shè)置運(yùn)輸通道，在制梁區(qū)的兩側(cè)分別設(shè)置鋼筋場(chǎng)和存梁區(qū)，龍門(mén)吊軌道布置在路肩內(nèi)側(cè)1 m的位置；類型二：沿路基橫向排布預(yù)制梁臺(tái)座，在路基左側(cè)設(shè)置運(yùn)輸通道，預(yù)制梁臺(tái)座沿路基斷面橫向布置。梁臺(tái)座布設(shè)方向如圖1所示。

圖1 預(yù)制梁臺(tái)座布置方向示意

由上述兩種方案的布置示意圖可知，在梁場(chǎng)布置時(shí)由于運(yùn)輸通道的存在，制梁區(qū)在路基頂部的分布沿橫向呈非對(duì)稱式分布。同時(shí)，制梁臺(tái)座上的荷載屬于局部重載，運(yùn)輸通道上的車輛荷載屬于循環(huán)動(dòng)載。從縱斷面來(lái)看這兩種類型的梁座布置形式橫斷面均呈非對(duì)稱的荷載分布形式。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，預(yù)制梁場(chǎng)上制梁臺(tái)座底模應(yīng)保證撓度≯2 mm，臺(tái)座底模上平整度要控制在2 mm以內(nèi)[16]。因此，在路基上布置預(yù)制梁場(chǎng)時(shí)，預(yù)制場(chǎng)的布置形式以及梁臺(tái)座的局部荷載作用對(duì)差異沉降的影響應(yīng)該予以重視。

1.2 梁臺(tái)座基礎(chǔ)形式

制梁臺(tái)座為預(yù)制梁的澆筑提供了平臺(tái)，作為梁片澆筑過(guò)程中最主要的承載構(gòu)件。梁片在臺(tái)座上完成安裝和拆卸、預(yù)埋件的安裝、混凝土的澆筑以及養(yǎng)生。對(duì)于后張法預(yù)應(yīng)力梁，還要在制梁臺(tái)座上完成張拉及封錨等工序。預(yù)制梁臺(tái)座要承受混凝土、鋼筋骨架及鋼模板及相關(guān)設(shè)備的重力，同時(shí)也要承受振搗設(shè)備振搗時(shí)產(chǎn)生的高頻率振動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)荷載。對(duì)于整個(gè)預(yù)制梁場(chǎng)而言，制梁臺(tái)座是重復(fù)使用頻率最高的混凝土構(gòu)件。預(yù)制梁臺(tái)座常常根據(jù)地質(zhì)條件分別采用：樁基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)和條形淺基礎(chǔ)形式(圖2)。一般情況下樁基礎(chǔ)沉降較小，因此本文主要探討在公路預(yù)制場(chǎng)中常使用的條形淺基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)作用下，臺(tái)座周邊的沉降及差異沉降變化規(guī)律。

圖2 常見(jiàn)的梁臺(tái)座基礎(chǔ)

2 有限元分析簡(jiǎn)化

2.1 工程概況

某公路位于魚(yú)塘分布密集、種植地和居民區(qū)集中地帶，受地質(zhì)因素影響，預(yù)制梁場(chǎng)需設(shè)置在軟土路基上。根據(jù)地質(zhì)勘查資料和軟基處理設(shè)計(jì)資料，填土高度8 m，路堤頂部寬26 m，邊坡按1∶1.5進(jìn)行放坡，地基壓縮土層自上而下為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)粘土，厚度分別為15 m和25 m，下臥中風(fēng)化巖為基巖。軟基處理方式為預(yù)制管樁復(fù)合路基，管樁完全穿過(guò)軟土層。地基處理前，地表填筑1 m厚的砂墊層。

2.2 模型參數(shù)簡(jiǎn)化

本文基于有限元軟件Midas/GTS建立三維計(jì)算模型，對(duì)不同預(yù)制梁臺(tái)座下軟基差異沉降進(jìn)行分析。計(jì)算模型取自地表至地表以下50 m為計(jì)算深度，水平方向取120 m為計(jì)算寬度。根據(jù)地質(zhì)勘查資料和所取土樣室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，確定如表1所示的地基土層及其物理力學(xué)參數(shù)。為便于有限元計(jì)算，除砂墊層選用線彈性模型外，各土層均選用摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算。

表1 地基材料計(jì)算參數(shù)匯總

2.3 預(yù)制管樁的簡(jiǎn)化

利用Midas/GTS軟件提供的樁單元進(jìn)行預(yù)制管樁復(fù)合路基的模擬計(jì)算，管樁采用幾何直線進(jìn)行刻畫(huà)，并采用樁單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)賦予樁圓環(huán)形的管樁截面屬性，如圖3所示。

圖3 樁單元模型

3 不同臺(tái)座布設(shè)方向下的差異沉降

3.1 計(jì)算模型的建立

為了分析軟基路段不同臺(tái)座布置方向的差異沉降變化規(guī)律，針對(duì)臺(tái)座排布方向的不同，建立三維有限元計(jì)算模型進(jìn)行分析，其中預(yù)制梁臺(tái)座長(zhǎng)度均取20 m。預(yù)制場(chǎng)臺(tái)座布置圖和臺(tái)座編號(hào)如圖4所示，計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 臺(tái)座布置示意

圖5 預(yù)制場(chǎng)不同臺(tái)座排布方向

3.2 沿路堤縱向差異沉降規(guī)律

當(dāng)梁臺(tái)座按縱向布置時(shí)，梁臺(tái)座周邊沉降曲線如圖6所示?？紤]對(duì)稱性，僅分析1～8號(hào)梁臺(tái)座沉降情況。

(5) 單邊磁拉力(以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行15 g的加速度下產(chǎn)生的徑向位移所對(duì)應(yīng)的磁拉力與“掃膛”零界位移對(duì)應(yīng)的磁拉力的加權(quán)平均值計(jì)12 289.5 N)。

圖6 縱向布置臺(tái)座沿長(zhǎng)度方向沉降曲線

從圖6可以看出：當(dāng)梁臺(tái)座縱向布置時(shí)，1～4號(hào)梁臺(tái)座沿臺(tái)座方向沉降呈左側(cè)偏小，右側(cè)偏大；5～8號(hào)梁臺(tái)座沿臺(tái)座方向呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)；且處于梁場(chǎng)中部的5～8號(hào)臺(tái)座總體沉降量更大。

因沿臺(tái)座長(zhǎng)度方向沉降曲線成拋物線形式，臺(tái)座兩端沉降變化速率較大，因此通過(guò)分析各臺(tái)座兩端2 m長(zhǎng)度內(nèi)最大沉降差來(lái)研究臺(tái)座差異沉降，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 縱向布置臺(tái)座兩側(cè)2 m長(zhǎng)度內(nèi)最大差異沉降 mm

表2給出了各梁臺(tái)座每2 m長(zhǎng)度上最大不均勻沉降值，可以看出處于外側(cè)的1～4號(hào)臺(tái)座整體的最大差異沉降要比處于內(nèi)側(cè)的5～8號(hào)臺(tái)座要大。對(duì)于每個(gè)斷面而言，可以看出越靠近路面中心的臺(tái)座，臺(tái)座2 m長(zhǎng)度上最大差異沉降值越大。1～4號(hào)斷面上為2號(hào)梁臺(tái)座差異沉降最大，最大差異沉降為0.74 mm，5～8號(hào)斷面上為7號(hào)臺(tái)座差異沉降最大，最大差異沉降為0.49 mm。當(dāng)采用預(yù)制管樁處理時(shí)，預(yù)制梁場(chǎng)的最大差異沉降值均小于1 mm，處于規(guī)范要求的2 mm安全范圍之內(nèi)。

3.3 沿路堤橫向的差異沉降規(guī)律

當(dāng)梁臺(tái)座按橫向布置時(shí)，梁臺(tái)座周邊不均勻沉降規(guī)律如圖7和圖8所示。由于橫向布置模型關(guān)于9號(hào)梁臺(tái)座對(duì)稱，故只取1～9號(hào)梁臺(tái)座進(jìn)行分析。

圖7 橫向布置臺(tái)座沿長(zhǎng)度方向沉降曲線

圖8 橫向布置臺(tái)座每2 m長(zhǎng)度上最大差異沉降

從圖7可以看出：當(dāng)梁臺(tái)座橫向布置時(shí)，梁臺(tái)座沿長(zhǎng)度方向的沉降規(guī)律與縱向排布類似，均為兩側(cè)小中間大。其中，從1號(hào)梁臺(tái)座到9號(hào)梁臺(tái)座，沉降量逐漸增大，最大沉降在9.9～14.6 mm之間變化。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，從5號(hào)梁臺(tái)座到9號(hào)梁臺(tái)座的沉降量增速已經(jīng)明顯減小，各臺(tái)座沉降量基本接近。

圖8給出了各梁臺(tái)座每2 m長(zhǎng)度上最大不均勻沉降值，即圖7中各曲線每2 m橫坐標(biāo)上斜率的最大值?？梢钥闯觯瑱M向布置時(shí)兩側(cè)的不均勻沉降明顯小于中間的不均勻沉降值。最大不均勻沉降1.04～1.28 mm，增加了23%。

綜合預(yù)制梁臺(tái)座分別按縱向和橫向布置時(shí)的差異沉降分析，可以看出預(yù)制管樁處理軟基條件下，當(dāng)梁臺(tái)座按橫向排布時(shí)，在施加梁荷載后，梁場(chǎng)中部的梁臺(tái)座總沉降量和2 m長(zhǎng)度上的最大差異沉降量均要比外側(cè)大。同時(shí)，對(duì)比縱向排布時(shí)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，橫向布置時(shí)每2 m長(zhǎng)度上最大差異沉降量雖然仍滿足規(guī)范要求，但較縱向排布已經(jīng)明顯增大。

4 不同臺(tái)座類型下的差異沉降分析

4.1 計(jì)算模型的建立

為了分析軟基路段臺(tái)座縱向布置時(shí)不同臺(tái)座基礎(chǔ)類型的差異沉降變化規(guī)律，采用有限元軟件建立三維有限元計(jì)算模型。有限元計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 臺(tái)座基礎(chǔ)形式計(jì)算模型

4.2 預(yù)制梁臺(tái)座采用條形淺基礎(chǔ)

當(dāng)制梁臺(tái)座采用條形淺基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，沿預(yù)制梁臺(tái)座沉降曲線如圖10所示。

在路基上縱向布設(shè)的制梁臺(tái)座，在加上梁荷載前后，臺(tái)座上最大沉降量為11.6 mm，沉降曲線與路堤斷面沉降盆曲線類似，呈中間沉降量大，兩側(cè)沉降小。在臺(tái)座兩側(cè)的差異沉降最大，最大差異沉降為0.34和0.41 mm。

4.3 預(yù)制梁臺(tái)座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)

當(dāng)制梁臺(tái)座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，如圖11所示。

圖10 條形淺基礎(chǔ)臺(tái)座沉降曲線

圖11 擴(kuò)大基礎(chǔ)臺(tái)座沉降曲線

在路基上縱向布設(shè)的制梁臺(tái)座，在加上梁荷載前后，臺(tái)座上最大沉降量為8.5 mm，沉降曲線與條形淺基礎(chǔ)的類似，呈中間沉降量大，兩側(cè)沉降小。在臺(tái)座兩側(cè)的差異沉降最大，最大差異沉降為0.12和0.10 mm。

綜上可知，當(dāng)臺(tái)座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，臺(tái)座總體沉降量比淺基礎(chǔ)明顯減小，最大沉降量由11.6 mm降低到8.5 mm；同時(shí)，臺(tái)座的2 m長(zhǎng)度上的不均勻沉降量由0.41 mm降低至0.12 mm。當(dāng)預(yù)制場(chǎng)臺(tái)座采用淺基礎(chǔ)處理時(shí)，臺(tái)座上總沉降量及最大不均勻沉降量均比采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)要大。當(dāng)臺(tái)座基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，由于臺(tái)座受荷面積增大，能夠有效地降低臺(tái)座總沉降量，同時(shí)臺(tái)座的整體剛度得到了增強(qiáng)，能夠有效地降低最大差異沉降量。

5 梁場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，該公路軟基路段預(yù)制梁場(chǎng)采用縱向布設(shè)預(yù)制梁臺(tái)座，臺(tái)座基礎(chǔ)形式采用了擴(kuò)大基礎(chǔ)。在預(yù)制梁場(chǎng)建成后，為監(jiān)測(cè)預(yù)制梁臺(tái)座的差異沉降，確保預(yù)制梁的整體性，在臺(tái)座周圍布設(shè)表面沉降觀測(cè)釘。沉降釘布設(shè)示意圖如圖12所示。

圖12 沉降釘現(xiàn)場(chǎng)布置

預(yù)制梁澆筑至完成耗時(shí)21 d，預(yù)制梁場(chǎng)工作期間的梁臺(tái)座沉降釘監(jiān)測(cè)情況如表3所示。

表3 梁臺(tái)座差異沉降監(jiān)測(cè)情況

注：A-1-1、A-1-2、A-1-3和A-1-4表示A-1梁臺(tái)座由左至右的4個(gè)沉降釘。

由表3可知，沿梁臺(tái)座沉降情況與圖11中計(jì)算結(jié)果一致，即呈中間沉降量大，兩側(cè)沉降量小。在預(yù)制梁澆筑至完成過(guò)程前后，最大差異沉降為1.9 mm，滿足規(guī)范要求。雖然實(shí)際差異沉降值略大于有限元計(jì)算結(jié)果，考慮實(shí)際施工中受到施工擾動(dòng)情況，表明本文有限元計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1)預(yù)制管樁處理軟基條件下，當(dāng)梁臺(tái)座按橫向排布時(shí)，在施加梁荷載后，梁場(chǎng)中部的梁臺(tái)座總沉降量和2 m長(zhǎng)度上的最大差異沉降量均要比外側(cè)要大。

(2)橫向布置時(shí)每2 m長(zhǎng)度上最大差異沉降量雖然仍滿足規(guī)范要求，但較縱向排布已經(jīng)明顯增大。建議優(yōu)先縱向布設(shè)預(yù)制梁臺(tái)座。

(3)當(dāng)臺(tái)座采用擴(kuò)大基礎(chǔ)時(shí)，臺(tái)座總體沉降量比淺基礎(chǔ)明顯減小，最大沉降量由11.6 mm降低到8.5 mm；同時(shí)，臺(tái)座的2 m長(zhǎng)度上的不均勻沉降量由0.41 mm降低至0.12 mm。軟基路段上布設(shè)預(yù)制梁場(chǎng)建議優(yōu)先選用擴(kuò)大基礎(chǔ)臺(tái)座。