閻玉菡 孫拴虎 齊海鵬 李帥
摘要:新舊路基的不均勻沉降問(wèn)題是引起路面病害的重要原因,研究表明可以利用土工離心實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬不同工況中對(duì)新老路基利用管樁形成復(fù)合地基的沉降控制。利用管樁不僅可以很大程度上減小新老路基的不均勻沉降而且能夠加快路基沉降的穩(wěn)定,管樁處治技術(shù)可以用于對(duì)沉降要求較高而且工期短的工程,針對(duì)管樁處治技術(shù)中出現(xiàn)刺入現(xiàn)象,通過(guò)加管帽可以有效地緩解。
關(guān)鍵字:新舊路基;不均勻沉降;土工離心試驗(yàn);管樁
中圖分類號(hào):U416.1
1引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,交通量也隨之快速增長(zhǎng),早期修建的一些高速公路已不滿足當(dāng)前的需求,所以道路拓寬成為一種方便快捷又經(jīng)濟(jì)的方法。但是在道路拓寬施工完成后,由于新老路基的填筑材料、厚度、固結(jié)程度等方面差異[1],引起路基路面的變形,開裂特別是拓寬軟土路基后路面經(jīng)常出現(xiàn)橫向、縱向裂縫的病害,這是由于新老路基的不均勻沉降[2]。在道路的拓寬建設(shè)中,如何控制新老路基的不均勻沉降成為主要技術(shù)難題之一。相應(yīng)的研究成果也非常多,在土力學(xué)理論中,普遍認(rèn)為沉降的計(jì)算采用分層總和法,通過(guò)對(duì)公路的拓寬方式和寬度對(duì)路基沉降的影響研究,證明了分層總和法的不足[3]~[4];用土工離心試驗(yàn)和有限元分析了拓寬路基沉降和應(yīng)力集中的規(guī)律[5];并且對(duì)攪拌樁墻、粉噴樁對(duì)路基的穩(wěn)定性和沉降性控制設(shè)計(jì)分析[6]等。為了控制拓寬路基后新老路基差異性沉降,在拓寬路基中埋設(shè)預(yù)應(yīng)力管樁這是一種常用的方法[7]。本文通過(guò)對(duì)比埋設(shè)管樁前后的沉降變化,驗(yàn)證PTC管樁對(duì)新老路基不均勻沉降具有改善作用。
2試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)材料
2.1試驗(yàn)材料
本文利用土工離心試驗(yàn)?zāi)MG60高速公路貴新段改擴(kuò)建情況,研究PTC管樁對(duì)控制差異性沉降的作用。所用試驗(yàn)材料均來(lái)自高速公路沿線的黏土,作為離心實(shí)驗(yàn)?zāi)M新老路基的填料。并對(duì)該填料做級(jí)配試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該填料的有效粒徑小于0.0015m,不均勻系數(shù)大于20,級(jí)配良好。離心試驗(yàn)選用的管樁選用彈性模量均勻,且易測(cè)量,強(qiáng)度較高的無(wú)縫鋼管,該鋼管的外徑為12mm,壁厚2mm。在樁頂安裝15×15×5mm的方形螺旋帽模擬管樁的樁帽。
2.2土工離心模型制作
制作700×500×360mm規(guī)格尺寸的土工模型試件用來(lái)模擬實(shí)際工程中不同的工況。試件模擬新老路堤的填筑高度為64mm,分為6層填筑,路堤下面的地基厚度取226mm,并且分為3層填筑,地基的填筑材料從下到上分別為砂性粉土、軟土及粉質(zhì)黏土。根據(jù)試驗(yàn)要求的需要,利用模具制作了4組模型,編號(hào)A、B、C、D,其中模型A在路基拓寬時(shí),未對(duì)拓寬路基做處理;模型B在路基拓寬時(shí),從老路坡腳到新路坡腳平均安插4排8m長(zhǎng)的管樁;模型C在路基拓寬時(shí),同B一樣安插4排10m長(zhǎng)的管樁;模型D在路基拓寬時(shí),安插4排12m長(zhǎng)的鋼管。
2.3 土工離心模型的加載工序
根據(jù)試驗(yàn)工況試驗(yàn)?zāi)P团c實(shí)際工況的幾何相似比C取62.5。實(shí)際工況中分為6層填筑,故離心試件制作時(shí)加載也分為6級(jí),由于路基對(duì)于壓實(shí)度的要求,越靠近路面壓實(shí)度要求越高,并根據(jù)固結(jié)的特點(diǎn),土工離心模型的加載順序從下到上,加載方式如表1所示。
表2所示的載方式相當(dāng)于實(shí)際4m路堤填筑時(shí),每層填筑間隔3天,模擬老路堤的施工沉降。土工離心模型填筑結(jié)束之后將試件放置離心機(jī)上22.4h,模擬老路堤運(yùn)營(yíng)10年的路基表面的沉降。觀測(cè)4組模型的沉降之后,然后對(duì)模型進(jìn)行臺(tái)階開挖,然后分別對(duì)每個(gè)模型添加上文描述A、B、C、D不同管樁長(zhǎng)度分層拓寬填筑,填筑結(jié)束之后將試件放置土工離心機(jī)上直接將加載速率增加到62.5g。拓寬加載的時(shí)間與工況模擬如表2所示。
3 PTC管樁的作用
3.1 路基表面的沉降
在土工離心試驗(yàn)中,利用直滑式導(dǎo)電塑料位移計(jì)對(duì)新老路基表面S1、S2、S3、S4處以及地基的豎向位移進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)對(duì)比測(cè)量可以得到路基表面的沉降值結(jié)果如圖所示。
分析圖1可知,管樁的處治很明顯地減小了路基的沉降值,經(jīng)過(guò)定量的分析,工后1個(gè)月后在路基埋設(shè)12m管樁的路基表面的不均勻沉降值相對(duì)于無(wú)管樁的路基不均勻沉降值減小89.5%,8m管樁相對(duì)于無(wú)管樁處治的路基不均勻沉降值減小了54.8%。
分析圖2可知,工后6個(gè)月后,用12m管樁處治的路基相對(duì)于無(wú)管樁處治的路基新老路基的不均勻沉降減小了90.2%,而8m長(zhǎng)的管樁的路基處治,使得新老路基的不均勻沉降相對(duì)于未處治的路基減小了62.2%,相比工后一個(gè)月對(duì)新老路基的不均勻沉降減小了更多。
分析圖3可知,工后1年之后,12m管樁的路基處治對(duì)新老路基不均勻沉降減小了91.5%,10m長(zhǎng)的管樁處治使得不均勻沉降減小了81.4%,而8m長(zhǎng)的管樁使得新老路基的不均勻沉降減小了71.3%,管樁對(duì)新老路基不均勻沉降值的控制逐漸趨于穩(wěn)定。
分析圖4可知,工后3年之后,12m管樁的路基處治使得新老路基的不均勻沉降減小了91.8%,10m長(zhǎng)的管樁處治使新老路基的不均勻沉降減小了82.2%,8m長(zhǎng)的管樁處治相對(duì)于無(wú)管樁處治的新老路基的不均勻沉降值減小了72.5%。
綜上可知,路基的沉降值隨著工后年限逐漸增長(zhǎng)而逐漸增大,埋設(shè)管樁的路基處治很明顯的降低了路基的沉降,而且管樁的長(zhǎng)度越長(zhǎng),對(duì)路基的沉降值得減小越明顯。10m和12m的管樁對(duì)沉降值的影響隨著固結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)變化不大,表明管樁的長(zhǎng)度對(duì)拓寬之后新老路基的不均勻沉降的減小程度呈正相關(guān),表明管樁也只有穿過(guò)軟土層,荷載大部分由管樁和深層土承擔(dān)時(shí),管樁對(duì)新老路基的不均勻沉降的效果才比較明顯。
3.2 路基土以下地基沉降
由于地基內(nèi)部的變形很難量測(cè),因此對(duì)于地基沉降變形只能通過(guò)靜態(tài)量測(cè),測(cè)量地基表層的沉降值。測(cè)量時(shí)以新老路基交界處且與模型箱接觸處為縱向坐標(biāo)原點(diǎn),向下為正;然后對(duì)應(yīng)水平橫向坐位平行于模型箱壁的水平線。首先用大頭針插入待測(cè)沉降的位置,并記錄好大頭針的當(dāng)前豎向位置,靠近新老路基的交界處和新路基的填筑處大頭針可以插入的密一些,靠近模型箱壁的地方大頭針可以適當(dāng)疏一些,然后待模擬加載結(jié)束后在測(cè)量大頭針的豎向位置,將加載前后的豎向位置相減。結(jié)果為正,表明地基沉降了,結(jié)果為負(fù),表明地基隆起。模擬工況1個(gè)月、工況6個(gè)月、工況1年、工況3年加入不同長(zhǎng)度管樁之后地基不同位置的沉降結(jié)果如圖所示。
分析圖5可知,管樁復(fù)合地基的沉降會(huì)受到管樁長(zhǎng)度的影響,管樁的長(zhǎng)度越長(zhǎng),地基表面的沉降越小。工后1個(gè)月,12m管樁長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)地基的表面沉降值得峰值為2.6mm;管樁長(zhǎng)度10m對(duì)應(yīng)的地基沉降峰值為2.8mm,管樁長(zhǎng)度8m的復(fù)合地基表面沉降峰值為3.2mm,這也表明了管樁的長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)改善地基表面的沉降效果越明顯。地基沉降峰值處是管樁插入的地方,表明管樁復(fù)合地基存在“刺入現(xiàn)象”,但由于管樁有平滑的樁帽,可以有效緩解刺入現(xiàn)象。
分析圖6可知,復(fù)合管樁地基的沉降規(guī)律類似于圖5,只是地基的沉降值有所增加地基表面的沉降在管樁插入的地方取得峰值,遠(yuǎn)離管樁時(shí)地基表面的沉降逐漸減小。工后6個(gè)月后,12m管樁對(duì)應(yīng)地基表面的沉降為3.25mm,10m管樁對(duì)應(yīng)復(fù)合地基表面的沉降為3.5mm,8m管樁對(duì)應(yīng)的復(fù)合地基沉降值為3.75mm,再一次表明了管樁的長(zhǎng)度越長(zhǎng),對(duì)改善地基的沉降效果越明顯。
分析圖7、圖8可以知道,工后1年后地基的沉降幾乎已經(jīng)穩(wěn)定,12m管樁對(duì)應(yīng)的地基沉降峰值為3.85mm,10m管樁對(duì)應(yīng)的地基沉降為4.25mm,8m管樁對(duì)應(yīng)的復(fù)合地基沉降為4.62mm;而工后3年之后,12m 管樁對(duì)應(yīng)地基沉降峰值為3.87mm,10m管樁對(duì)應(yīng)復(fù)合地基的沉降峰值為4.31mm,8m管樁對(duì)應(yīng)復(fù)合地基表面的沉降峰值為4.72mm。表明管樁對(duì)地基表明沉降達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也有影響,管樁地基能夠加快軟土地基的沉降,且管樁長(zhǎng)度越長(zhǎng)效果越好。
4 結(jié)論
(1)拓寬路基的新舊路基連接處,采用PTC管樁處治可以加快路基土的沉降,至少可以縮短沉降周期的1/3。這種方法方法可以用于對(duì)工期較短且對(duì)沉降控制要求較高的高速公路改擴(kuò)建工程。
(2)管樁處治的方法可以大大減小老路基的不均勻沉降,但是在管樁處治的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)刺入現(xiàn)象,淺層樁的樁側(cè)土?xí)a(chǎn)生向下的位移,產(chǎn)生向下的刺入;而深層樁的樁側(cè)土?xí)驗(yàn)閿D壓,產(chǎn)生向上的位移,從而形成向上的刺入。但是由于樁帽和軟臥下墊層的存在,刺入現(xiàn)象得到很好地緩解。
參考文獻(xiàn)
[1]傅珍,王選倉(cāng),陳星光,等.新舊地基不同固結(jié)程度對(duì)拓寬路基差異沉降的影響[J].公路,2008,05:9-12
[2]嵇如龍,張永宏,宋吉錄.軟土地基上路基拓寬處理技術(shù)研究[J].華東公路,2002,05:25-29.
[3]潘國(guó)強(qiáng).高速公路改擴(kuò)建工程中路基加寬方式及其特點(diǎn)綜述[J].公路工程,2007,05:34-38.
[4]錢勁松,凌建明,黃琴龍.路基拓寬工程設(shè)計(jì)方法研究[J].公路交通科技,2007,05:43-47.
[5]翁效林,張留俊,李林濤,等. 拓寬路基差異沉降控制技術(shù)模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,01:159-164.
[6]劉金龍,張勇,陳陸望,等.路基拓寬工程的基本特性分析[J].巖土力學(xué),2010,07:2159-2163.
[7]張可偉. 公路改擴(kuò)建路基拓寬結(jié)合部處治方法[J].山西交通科技,2010,02:3-4+7.
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