涂義亮 王星馳 柴賀軍 徐建強(qiáng) 李海平 余佳玉
(1重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074)(2招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)(3重慶交通大學(xué)省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074)
橋頭跳車是由公路橋頭及伸縮縫處的差異沉降導(dǎo)致的一種工程病害,是軟土路基工程運(yùn)營(yíng)過(guò)程中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題,嚴(yán)重影響了道路工程質(zhì)量和交通安全[1].目前,已有的橋頭跳車處治技術(shù)主要有加鋪法、夯管錘法、側(cè)向輻射注漿法、高壓旋噴樁法、輕質(zhì)材料置換法、復(fù)合地基加固法等[2-3].
高壓旋噴樁技術(shù)因具有造價(jià)低、施工方便等優(yōu)勢(shì),得到了較多的關(guān)注和應(yīng)用.Taghavi等[4]、Ibragimov[5]、Wang等[6]研究了樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距、填土高度、樁體模量等對(duì)旋噴樁加固效果的影響.安關(guān)峰等[7]研究發(fā)現(xiàn)樁的布置方式對(duì)處治效果影響不大,樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距、樁體模量對(duì)處治效果有一定影響.以上學(xué)者對(duì)旋噴樁的眾多影響因素進(jìn)行了研究,但均未分析各參數(shù)的影響敏感度排序或影響權(quán)重.同時(shí),對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的高速公路而言,為了減少對(duì)車流的干擾,不宜在路面進(jìn)行旋噴樁施工,因此需要研究不影響道路正常運(yùn)營(yíng)的非開(kāi)挖處治技術(shù).側(cè)向輻射注漿技術(shù)因不干擾公路運(yùn)營(yíng)而被大量采用. 王安輝等[8]、Bhasi等[9]、李建斌等[10]采用側(cè)向輻射注漿技術(shù)對(duì)高速公路既有軟土路基進(jìn)行處治,并取得了一定的處治效果. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高壓旋噴樁技術(shù)、側(cè)向輻射注漿技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,為這2項(xiàng)技術(shù)走向成熟奠定了重要的基礎(chǔ)[11].但學(xué)者們?cè)谘芯刻幹涡Ч麜r(shí),一般只采用其中一種技術(shù),很少將2種或多種技術(shù)結(jié)合在一起進(jìn)行研究.因此,應(yīng)嘗試多種技術(shù)相結(jié)合的處治方法,如豎向旋噴樁與側(cè)向輻射注漿相結(jié)合的復(fù)合地基處治技術(shù).
此外,由于橋頭與路基的沉降差無(wú)法避免,只有通過(guò)減緩沉降坡度(沿道路路線方向沉降變化的幅度)解決或緩解跳車問(wèn)題[12].因此,變剛度處治方法(即沿道路路線方向逐漸調(diào)整復(fù)合地基處治的設(shè)計(jì)參數(shù))成為一種有效的途徑.但是,目前關(guān)于復(fù)合地基變剛度處治方法的研究和應(yīng)用卻相對(duì)較少.
本文針對(duì)某高速公路橋頭跳車問(wèn)題,提出一種旋噴樁復(fù)合地基變剛度處治技術(shù).首先,采用二維數(shù)值模擬方法研究樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距、樁排數(shù)、注漿深度等因素對(duì)處治效果的影響規(guī)律和敏感度排序,并基于此提出變剛度處治方案和設(shè)計(jì)參數(shù);最后,通過(guò)三維數(shù)值模擬對(duì)提出的方案和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證.
由于存在深厚欠固結(jié)軟土地基,G15沈海高速某路段多處路橋銜接段存在嚴(yán)重的橋頭跳車問(wèn)題.考慮到該路段的交通量巨大,傳統(tǒng)開(kāi)挖后進(jìn)行處治的方式并不適用.為此,以該路段的某典型橋頭工程為依托,進(jìn)行非開(kāi)挖處治技術(shù)分析.該工程的地層自路面向下依次為:黏土層厚1.3 m,淤泥層Ⅰ厚13.2 m,淤泥層Ⅱ厚14.5 m,淤泥質(zhì)黏土層Ⅰ厚11.6 m,淤泥質(zhì)黏土層Ⅱ厚7.8 m.
針對(duì)依托工程工況,提出了旋噴樁復(fù)合地基變剛度處治方法(見(jiàn)圖1).首先,在路堤兩側(cè)坡腳施加一定深度的豎向旋噴樁;然后,在路堤兩側(cè)朝中間一定厚度路基范圍內(nèi)傾斜打設(shè)注漿管進(jìn)行側(cè)向注漿,從而與土體膠結(jié)形成模量較大的結(jié)石體,可等效為硬殼層.豎向旋噴樁、硬殼層和路基土體共同形成一種復(fù)合路基,控制路基沉降.根據(jù)依托工程情況和已有研究結(jié)果[4-9],該處治方法宜選用的變剛度參數(shù)為樁間距s、樁排數(shù)n、注漿深度h、樁長(zhǎng)l和樁徑d等,各參數(shù)的敏感度有待進(jìn)一步分析.
圖1 旋噴樁復(fù)合地基變剛度處治示意圖
根據(jù)地質(zhì)勘查資料,采用FLAC 3D軟件建立原始路基斷面半對(duì)稱部分的數(shù)值模型(見(jiàn)圖2).邊界條件設(shè)置如下:底部邊界為剛性不透水層,固定水平、豎直方向位移;左側(cè)邊界為不透水層;右側(cè)和上部邊界為透水層;左右兩側(cè)邊界均約束水平方向位移.在路面中心、路肩及路堤坡腳布置3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn).
圖2 原始路基二維數(shù)值模型
修正劍橋模型為等向硬化的彈塑性模型,采用帽子屈服面,以塑性體應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù),能較好地描述軟土在破壞之前的非線性和依賴于應(yīng)力水平或應(yīng)力路徑的變形行為,是應(yīng)用最為廣泛的軟土本構(gòu)模型之一,故采用該模型模擬軟土地層[13].路堤填土采用摩爾庫(kù)倫模型,主固結(jié)沉降采用比奧模型的流固耦合分析.對(duì)于深厚軟土樁基,樁側(cè)土體與樁底土體均存在較為明顯的次固結(jié)特性,可采用Burgers模型模擬軟土的次固結(jié)[14].路堤填土的厚度W=3.5 m,密度ρ=2 100 kg/m3,彈性模量E=40 MPa,泊松比ν=0.25,黏聚力c=25.6 kPa,內(nèi)摩擦角φ=29.8°,黏土、淤泥Ⅰ、淤泥Ⅱ、淤泥質(zhì)黏土Ⅰ、淤泥質(zhì)黏土Ⅱ的滲透系數(shù)分別為5.3×10-8、 1.2×10-7、 1.1×10-7、5.3×10-7、 5.3×10-7cm/s,流體體積模量為2.0 GPa,流體密度為1 000 kg/m3,比奧模量為4.0 GPa,其他材料的參數(shù)取值見(jiàn)表1和表2.表中,M為臨界應(yīng)力比;λ為常態(tài)固結(jié)線斜率; К為彈性膨脹線斜率; Г為比體積;Pc為預(yù)固結(jié)壓力;Gm為開(kāi)爾文切變模量;Gk為麥斯威爾切變模量;ηm為開(kāi)爾文黏度;ηk為麥斯威爾黏度.
表1 修正劍橋模型的地層參數(shù)
表2 流固耦合參數(shù)
為驗(yàn)證數(shù)值模型和計(jì)算參數(shù)的合理性,對(duì)模型進(jìn)行19 a(2000—2019年)數(shù)值計(jì)算分析,將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖3).由圖可知,路面中心與路肩沉降量的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近,且變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明該數(shù)值模型和計(jì)算參數(shù)是合理的,在此基礎(chǔ)上得到的模擬結(jié)果具備一定的參考價(jià)值.
圖3 模擬沉降與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降曲線對(duì)比
不改變各項(xiàng)參數(shù),對(duì)模型繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算直至2039年,得到沉降時(shí)程曲線(見(jiàn)圖3).在2000—2006年期間,曲線下降速率極快,各處治區(qū)域沉降量較大;2006年(第6年)后曲線較為平緩,沉降速率趨于穩(wěn)定.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),橋墩基礎(chǔ)沉降為毫米級(jí),相比路基沉降可以忽略不計(jì).因此,若不進(jìn)行處治,20 a后路面中心、路肩處與橋頭的差異沉降將分別達(dá)到0.539、0.440 m,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的橋頭跳車問(wèn)題.
為了對(duì)樁長(zhǎng)l、樁徑d、樁間距s、樁排數(shù)n、側(cè)向注漿深度h等5個(gè)因素的影響規(guī)律和敏感度進(jìn)行研究,采用單因素分析法設(shè)計(jì)了5組數(shù)值模擬方案,其中各因素水平為:l分別取8、10、20、30 m;d分別取0.4、0.6、0.8 m;s分別取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 m;n分別取1、2、3;h分別取2、5、8、10 m.各因素的基準(zhǔn)水平分別為l=30 m,d=0.8 m,s=2.8 m,n=3,h=5 m.采用FLAC 3D建立了上述各模擬方案數(shù)值模型,其中樁長(zhǎng)8 m的工況見(jiàn)圖4.豎向旋噴樁采用線彈性本構(gòu)模型,硬殼層采用摩爾庫(kù)倫模型.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,豎向旋噴樁參數(shù)E=4 422 MPa,ν=0.2;硬殼層參數(shù)c=30 kPa,φ=25.5°,E=123 MPa,ν=0.28.通過(guò)模擬得到各因素對(duì)路基2019—2039年沉降量的影響規(guī)律,見(jiàn)圖5.
圖4 旋噴樁復(fù)合地基處治的數(shù)值模型(樁長(zhǎng)8 m)
(a) 樁長(zhǎng)
(d) 樁排數(shù)
2.1.1 樁長(zhǎng)
圖5(a)為樁長(zhǎng)對(duì)路基2019—2039年沉降量的影響規(guī)律.由圖可知,樁長(zhǎng)對(duì)處治效果的影響非常大,旋噴樁越長(zhǎng),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量越小,即處治的效果越好.這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)越長(zhǎng),復(fù)合地基的置換率越大,樁的荷載分擔(dān)比越大,土的荷載分擔(dān)比越小,從而土體的壓縮變形越小,沉降控制效果越好.
2.1.2 樁徑
圖5(b)為樁徑對(duì)路基2019—2039年沉降量的影響規(guī)律.由圖可知,旋噴樁樁徑對(duì)處治效果的影響較大.樁徑越大,沉降量越小,即處治效果越好.這是因?yàn)闃稄皆黾?旋噴樁復(fù)合地基的置換率提高,更多比率的樁體參與承擔(dān)上部荷載,從而造成樁身應(yīng)力降低,旋噴樁復(fù)合地基的承載能力也隨之提高.因此,建議本文依托工程的最優(yōu)樁徑為0.8 m.
2.1.3 樁間距
圖5(c)為樁間距對(duì)路基2019—2039年沉降量的影響規(guī)律.由圖可知,樁間距對(duì)沉降控制效果影響較大,隨著樁間距的增大,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量逐漸變小.這是因?yàn)闃堕g距過(guò)小,樁與樁之間的應(yīng)力疊加會(huì)變大;且樁間距越小,樁間土荷載承擔(dān)比越小,樁間土的承載作用不能充分發(fā)揮,從而使復(fù)合地基整體承載力減小而沉降變大.因此,在1.2~2.8 m數(shù)值范圍內(nèi),建議采用大樁間距,但考慮到依托工程路基外2.0 m為不得侵占的農(nóng)田,建議最優(yōu)樁間距為2.0 m.
2.1.4 樁排數(shù)
圖5(d)為樁排數(shù)對(duì)路基2019—2039年沉降量的影響規(guī)律.由圖可知,樁排數(shù)越多,沉降量越小,即處治效果越好.但是樁排數(shù)從2增加至3后,沉降控制提升效果有所降低.由于旋噴樁的剛度較大,其單樁影響范圍較大.樁排數(shù)增加后,旋噴樁的荷載承擔(dān)比隨之增加,復(fù)合地基的承載能力亦增大.在該工程中豎向旋噴樁較好地起到隔離內(nèi)、外側(cè)路基沉降的作用,2排樁時(shí)隔離作用顯著,再繼續(xù)增加樁排數(shù)則提升效果有所降低,且會(huì)導(dǎo)致造價(jià)提升,故樁排數(shù)為2時(shí)最優(yōu).
2.1.5 注漿深度
圖5(e)為注漿深度對(duì)路基2019—2039年沉降量的影響規(guī)律.由圖可知,隨著注漿深度(硬殼層厚度)的增大,處治后路面中心的沉降降低,但路肩和路堤坡腳沉降卻增加.事實(shí)上,根據(jù)溫克爾彈性地基梁理論[15],硬殼層可簡(jiǎn)化為彈性地基梁.當(dāng)梁上部荷載不變時(shí),隨著梁高度(硬殼層厚度)的增大,梁的撓曲變形變平緩,相應(yīng)的跨中位置(對(duì)應(yīng)路面中心)的沉降將減小,而梁端位置(對(duì)應(yīng)路肩和路堤坡腳)的沉降將增大(見(jiàn)圖6),圖中O為路面中心點(diǎn),X軸為距離路面中心的水平距離,Y軸為沉降.
表3為不同注漿深度各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降對(duì)比值,其中沉降減少量是當(dāng)前注漿深度與上一水平注漿深度對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降的差值,正值代表沉降量減少,負(fù)值代表沉降量增大.由表可知,當(dāng)注漿深度由2 m增加至5 m后,路面中心沉降減少量為0.039 m,遠(yuǎn)大于路肩和路堤坡腳同條件下的沉降增加量0.004和0.003 m,路面平均沉降減少量為0.018 m,沉降控制效果明顯提高;當(dāng)注漿深度由5 m增加至8 m后,路面平均沉降減少量為0.011 m,沉降控制效果仍有提高,但相比其前一階段(2~5 m)的提高程度略有降低;當(dāng)注漿深度由8 m增加至10 m后,路面平均沉降減少量為-0.001 m,沉降控制效果與其前一階段(5~8 m)相比基本不變.因此,若考慮到工程造價(jià)因素,進(jìn)行旋噴樁復(fù)合地基處治時(shí)可在適當(dāng)范圍內(nèi)增加注漿深度,建議該依托工程最優(yōu)注漿深度取5~8 m,且不宜超過(guò)8 m.
圖6 硬殼層的溫克爾彈性地基梁理論模型
表3 不同注漿深度下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)2019—2039年的沉降對(duì)比值 m
為了有效地處治軟土路基橋頭跳車問(wèn)題,必須確定對(duì)處治效果影響較大的因素,敏感度分析則是解決這一問(wèn)題的一種有效方法.單因素敏感度分析法[16]是一種經(jīng)典的敏感度計(jì)算方法,可以計(jì)算出各個(gè)因素的變動(dòng)對(duì)方案效果的影響.各參數(shù)敏感度Ti等于指標(biāo)的相對(duì)變化率|(Yi-I)/I|與因素水平的相對(duì)變化率|(Xi-J)/J|之比,即
(1)
式中,Yi為參數(shù)各水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo);I為參數(shù)基準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)的指標(biāo);Xi為參數(shù)的各個(gè)水平;J為參數(shù)的基準(zhǔn)值.
根據(jù)式(1),本文各因素的敏感度等于處治后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降減少量(未處治的沉降與處治20 a后的沉降之差)的相對(duì)變化率與各因素的相對(duì)變化率的比值,通過(guò)計(jì)算得到各因素的敏感度(見(jiàn)表4).
表4 各因素敏感度及敏感度排序表
由表4可知,5個(gè)因素對(duì)處治效果均有一定影響,大小排序依次為樁長(zhǎng)、樁徑、樁排數(shù)、樁間距、注漿深度,其中樁長(zhǎng)的敏感度最大,達(dá)到1.02.因此,建議優(yōu)先采用從橋頭向道路延伸方向逐漸減小旋噴樁樁長(zhǎng)的變剛度處治方案,樁徑、樁間距、樁排數(shù)、注漿深度則取建議最優(yōu)值,從而使沉降從橋頭向道路延伸方向呈漸變趨勢(shì),以有效處治依托工程的橋頭跳車問(wèn)題.
根據(jù)依托工程實(shí)際工況(見(jiàn)1.1節(jié))和二維數(shù)值模擬結(jié)果,提出該工程的旋噴樁復(fù)合地基變剛度處治設(shè)計(jì)方案,各分區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)如圖7和表5所示.
圖7 旋噴樁復(fù)合地基變剛度分區(qū)圖(單位:m)
表5 旋噴樁復(fù)合地基變剛度處治參數(shù)設(shè)計(jì)表 m
為分析所提出方案的處治效果,采用FLAC 3D建立了三維數(shù)值模型(見(jiàn)圖8和圖9).模型長(zhǎng)148 m、寬60 m、高48.4 m,路堤高3.2 m,路面總寬28 m,路堤坡率為1∶1.5,路橋斜交角為20°.路堤與橋臺(tái)連接處設(shè)置左、右2塊搭板,搭板厚0.6 m、長(zhǎng)8 m.在A~E五個(gè)斷面分別布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(A1~A3等),監(jiān)測(cè)路面中心、路肩、路堤坡腳的位移.
圖8 三維數(shù)值模型(單位:m)
圖9 處治結(jié)構(gòu)三維分區(qū)圖(單位:m)
3.3.1 沉降控制效果
圖10(a)和(b)分別為全時(shí)段不處治和2019—2039年期間進(jìn)行處治后得到的2000—2039年路基沉降云圖.由圖10(a)可知,若不進(jìn)行處治,至2039年,路面中心、路肩、路堤坡腳處與橋頭的差異沉降將分別達(dá)到0.555、0.389、0.269 m,將會(huì)出現(xiàn)橋頭跳車的危害.由圖10(b)可知,內(nèi)側(cè)路基的沉降顯著高于外側(cè)路基的沉降,說(shuō)明旋噴樁起到了一定的隔離作用,將固結(jié)沉降控制在內(nèi)側(cè)路基范圍.此外,對(duì)比圖10(a)與(b)可以發(fā)現(xiàn),處治后沉降控制效果非常顯著,一方面是因?yàn)樾龂姌丁⒂矚?、路基土三者組成的復(fù)合地基整體剛度得到顯著的提升;另一方面,樁-土之間的相互作用能將路基內(nèi)附加應(yīng)力的集中情況弱化,將附加應(yīng)力擴(kuò)散至旋噴樁之間及樁端以下路基,使應(yīng)力分布均勻.
(a) 不處治
(b) 處治后
表6為處治20 a后不同區(qū)域最終沉降對(duì)比.由表可知:相比不處治情況,處治20 a后,路面中心、路肩沉降均減小,路面中心、路肩20 a內(nèi)的絕對(duì)沉降量都是從區(qū)域A到區(qū)域D逐漸遞增,處治效果逐漸降低,使沉降從橋頭向道路方向呈漸變趨勢(shì),且各相鄰區(qū)域的絕對(duì)沉降量相差不大,能較好地緩解橋頭跳車現(xiàn)象.
圖11為處治后各分區(qū)的沉降位移云圖.由圖可知,注漿形成的硬殼層沉降由中間向兩側(cè)逐漸遞減,這主要是由于硬殼層下方為強(qiáng)度低、變形大的淤泥層,在路堤自重及交通荷載的作用下產(chǎn)生的壓縮較小,而僅發(fā)生了一定程度的彎曲變形,符合溫克爾彈性地基梁模型理論.同一排樁的沉降從區(qū)域A向區(qū)域D逐漸增大,這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)從區(qū)域A向區(qū)域D逐漸減小,復(fù)合地基的置換率逐漸降低.
表6 處治20 a后不同區(qū)域最終沉降對(duì)比
圖11 處治20 a后各分區(qū)沉降位移云圖(2019—2039年)
3.3.2 變形協(xié)調(diào)特征
圖12為處治后的路面沉降變化曲線,由圖可知,通過(guò)對(duì)路堤進(jìn)行分區(qū)處治,使沉降要求嚴(yán)格的橋頭搭板區(qū)域(0~8 m)沉降較小,沿道路延伸方向沉降逐漸增大,沉降控制呈現(xiàn)較好的漸變效果.此外,隨處治時(shí)間增加,路堤各段沉降均緩慢增長(zhǎng),說(shuō)明變剛度處治方案可以較好地緩解橋頭跳車現(xiàn)象.
圖12 處治不同時(shí)間后路面中心沉降曲線(2019—2039年)
1) 旋噴樁樁長(zhǎng)越長(zhǎng)、樁徑越大、樁間距越大、樁排數(shù)越多沉降控制效果越好,但本依托工程的樁徑、樁間距、樁排數(shù)存在建議最優(yōu)取值,分別是0.8 m、2.0 m、2;側(cè)向注漿深度越大,路面中心沉降越小,但路肩沉降卻越大,注漿深度的建議最優(yōu)取值為5~8 m;5個(gè)參數(shù)的敏感度大小排序依次為樁長(zhǎng)、樁徑、樁排數(shù)、樁間距、側(cè)向注漿深度,故漸變樁長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)變剛度的方案最優(yōu).
2) 旋噴樁對(duì)內(nèi)、外側(cè)路基起到了明顯的隔離作用,將固結(jié)沉降控制在內(nèi)側(cè)路基范圍;旋噴樁、硬殼層、路基土三者組成的復(fù)合地基整體剛度得到顯著的提升,能夠有效控制路基沉降;硬殼層剛度明顯高于下臥軟土路基,在路堤自重及交通荷載的作用下壓縮較小,主要發(fā)生彎曲變形,符合溫克爾彈性地基梁模型理論.
3) 對(duì)路基進(jìn)行分區(qū)變剛度處治,即漸變樁長(zhǎng)、其余參數(shù)取建議最優(yōu)值,使橋頭搭板區(qū)沉降較小,沿道路延伸方向沉降逐漸增大,沉降控制呈現(xiàn)較好的漸變效果;隨處治時(shí)間增加,各區(qū)段沉降均緩慢增長(zhǎng),變剛度處治方案較好地緩解了橋頭跳車現(xiàn)象.
4) 通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的二維數(shù)值模擬方法得到設(shè)計(jì)參數(shù)的建議最優(yōu)值和敏感度排序,基于此再得出相對(duì)較優(yōu)的處治方案.該研究方法亦可為其他處治技術(shù)的最優(yōu)方案研究提供參考;類似的其他處治技術(shù)也可以借鑒文中復(fù)合地基變剛度處治技術(shù).