邢明明

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概 述

1.1 聲屏障結(jié)構(gòu)參數(shù)

聲屏障采用直立式結(jié)構(gòu),聲屏障結(jié)構(gòu)采用175×175×7.5×11 mm型鋼立柱,立柱間安裝聲屏障板。聲屏障板高度3.5 m,寬度4 m,聲屏障下部每隔4 m設(shè)置一根管樁基礎(chǔ),管樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C80。聲屏障通過(guò)地系梁與管樁連接,地系梁高0.6 m,寬0.4 m,地系梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。

1.2 土體參數(shù)

(1)根據(jù)《鶴伊高速公路工程地質(zhì)勘查報(bào)告》,原地表土為粉質(zhì)黏土,查閱“巖土物理力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表”,其液性指數(shù)IL=0.871,內(nèi)摩擦角φ=14.5°,凝聚力c=9.3 kPa。土體內(nèi)摩擦角φ0=atan(tan(φ)+c/(h×γ))=24.8°(h=2.4 m,γ=19 kN/m3)。

(2)本項(xiàng)目地表土為可塑粉質(zhì)黏土,厚度0.6 m,其下為全風(fēng)化花崗巖?？伤芊圪|(zhì)黏土地基水平向抗力系數(shù)m1=5 000 kN/m4～10 000 kN/m4,本次取m1=5 000 kN/m4。全風(fēng)化花崗巖按照細(xì)沙、中砂、中密粉土的地基水平向抗力系數(shù)m2=10 000～20 000 kN/m4,本次取m2=10 000 kN/m4。樁端處的地基比例系數(shù)m0=γm1+(1-γ)m2=9 300 kN/m4。

(3)土體容重對(duì)于路基填土γ取19 kN/m3,土體容重采用浮容重γ=9 kN/m3。

1.3 路基參數(shù)

路基寬度25.5 m,路基橫斷面組成為[0.75 m土路肩+3 m硬路肩+2×3.75 cm行車道+0.5 m左側(cè)路緣帶]×2+2 m中央分隔帶。路基邊坡坡比1∶1.5(路基邊坡與水平面夾角為33.7°)。聲屏障段落路基高度為2.4～4 m。

路基填筑采用碎石土,碎石土最大粒徑應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)路基填料最大粒徑的要求,同時(shí)粒徑小于0.075 mm的顆粒質(zhì)量不超過(guò)總質(zhì)量的5%。路基土非巖石地基水平向抗力系數(shù)m偏安全考慮采用原地面土體的m值。

2 驗(yàn)算內(nèi)容

2.1 驗(yàn)算依據(jù)

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)3.1.3條規(guī)定,對(duì)進(jìn)行整體穩(wěn)定性、樁頂位移進(jìn)行驗(yàn)算。

2.2 驗(yàn)算內(nèi)容

對(duì)聲屏障預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行整體穩(wěn)定性、樁頂位移進(jìn)行驗(yàn)算,樁側(cè)土壓力、樁樁頂位移使用荷載標(biāo)準(zhǔn)組合。

2.3 荷載計(jì)算(取4 m聲屏障為一個(gè)計(jì)算單元)

依據(jù)《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51335-2018)規(guī)定,聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、雪荷載、車致脈動(dòng)荷載及其它荷載;聲屏障的設(shè)計(jì)荷載應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中可能同時(shí)作用的荷載進(jìn)行組合,并按最不利條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)結(jié)構(gòu)自重計(jì)算

①版面:90 kg/m2×5.88 m2×2=1058.4 kg;

②H型鋼:80.59 kg×2=161.2 kg;

③蘭盤(pán)、加勁肋:1.41×2+12.12×2+17.03×2=61.1 kg;

④系梁:4 m×0.6 m×0.4×26 kN/m3=24.96 kN;

單樁頂豎向力P=37.8 kN;單立柱底反力(聲屏障)P1=12.8 kN。

(2)路基側(cè)樁基土側(cè)壓力計(jì)算

本次使用橋梁博士基礎(chǔ)模塊計(jì)算,距離樁基外邊緣5倍管樁直徑范圍的邊坡以上土體不考慮提供土側(cè)壓力,計(jì)算考慮將此部分土側(cè)壓力施加至樁頂。

自然地面處的主動(dòng)土壓力:Pa=γHKa=19×2.4×0.41=18.7 kN/m2

(3)風(fēng)荷載計(jì)算

依據(jù)《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 51335-2018)5.2.7條作用在聲屏障上的水平側(cè)向風(fēng)荷載計(jì)算(基本風(fēng)壓按照50年一遇計(jì)算,風(fēng)荷載參照《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》)

ωK=βgz×μslμzω0

(1)

式中:βgz為1.7,高度z處的陣風(fēng)系數(shù)(離地面高度10 m,地面粗糙度類別B);μsl為2,路基聲屏障取2;μz為1.0,風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0為0.65,基本風(fēng)壓取值沿用現(xiàn)行國(guó)際《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄C重現(xiàn)期為50年的值采用。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(按圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算):ωK=βgz·μsl·μz·ω0=2.21 kN/m2。

計(jì)算聲屏障的樁基礎(chǔ)側(cè)面壓應(yīng)力及變形采用標(biāo)準(zhǔn)組合,不計(jì)重要性系數(shù),個(gè)組合系數(shù)均為1.0。

風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值

Fx=1.0·ωK·A=26.5 kN

(2)

式中:A=H0·B=12 m2;H0為3 m,聲屏障高度;B為4 m,聲屏障寬度按每樁間距取用。

基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生的彎矩值為

(3)

式中:h為0.6 m,聲屏障基礎(chǔ)高度。

樁頂風(fēng)荷載Fx為26.5 kN,彎矩W0為55.7 kN·m。

系梁頂面產(chǎn)生的彎矩值為

(4)

系梁頂風(fēng)荷載Fxl為26.5 kN,彎矩W1為39.8 kN·m。

(4)雪荷載

考慮聲屏障水平向主要荷載為風(fēng)荷載,當(dāng)橫向風(fēng)荷載作用時(shí),聲屏障上積雪不大,且豎向力不控制,因此本次未計(jì)雪荷載。

(5)車致脈動(dòng)荷載計(jì)算

依據(jù)《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51335-2018)5.2.1條規(guī)定,活載效應(yīng)考慮車致脈動(dòng)荷載,5.2.10規(guī)定,作用在聲屏障上的車致風(fēng)壓荷載效應(yīng)宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法確定可按下列公式計(jì)算[3]

(5)

(6)

式中:P1k為車致風(fēng)壓荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2);k1為車輛形狀系數(shù),貨車為k1為1.00,客車k1為0.85,流線型車頭ICE系列等k1為0.60;ρ為空氣密度,取1.25 kg/m3;Vt為車輛速度(m/s);Cpl為車致風(fēng)壓系數(shù);Y為車輛中心線至聲屏障距離(m)。

從表1可以看出,車致風(fēng)壓荷載44.28 kN/m2,50年一遇風(fēng)荷載2.21 kN/m2大,《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》條文說(shuō)明中解釋:在目前車致脈動(dòng)風(fēng)壓研究相對(duì)不足的條件下,暫參考英國(guó)鐵路聲屏障車致脈動(dòng)風(fēng)壓計(jì)算公式作為本標(biāo)準(zhǔn)條文?？紤]目前車致脈動(dòng)風(fēng)壓相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足,不宜直接確定脈動(dòng)力荷載大小。標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)變形和疲勞強(qiáng)度限制來(lái)確保聲屏障整個(gè)系統(tǒng)的安全。由于樁基礎(chǔ)不存在疲勞問(wèn)題,并對(duì)樁基變形做了限制,因此本次計(jì)算暫不考慮車致脈動(dòng)荷載。

表1 風(fēng)荷載參數(shù)表

表2 剛性基礎(chǔ)計(jì)算

表3 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 樁基抗風(fēng)穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算假設(shè)

依據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334-2018)7.4.3條規(guī)定,考慮管樁外側(cè)路基邊坡斜坡的影響。樁前滑床寬度達(dá)到3～5倍樁徑才能作為半無(wú)限體錨固條件[4],本次計(jì)算取用5倍樁徑,即管樁邊緣5倍樁徑以上范圍的土體不考慮提供土側(cè)壓力。

3.2 剛性樁柔性樁判定

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3363-2019)L.0.2,樁基中樁的變形系數(shù)可按下列公式計(jì)算

(6)

EI=0.8EcI

(7)

3.3 樁基抗風(fēng)穩(wěn)定計(jì)算

應(yīng)用橋梁博士-剛性基礎(chǔ)計(jì)算。

(1)按樁基有效嵌入深度2.6 m計(jì)算,輸入數(shù)據(jù)如下。

總水平力H=Fx+EA=26.5+22.4=48.9 kN,豎向力N37.8 kN,所有水平力對(duì)基礎(chǔ)底面的彎矩M=26.5×5+22.4×(2.4/3+3.6)=231.1 kN·m。

基礎(chǔ)底面應(yīng)力145.95 kPa,樁端持力層為全風(fēng)化花崗巖,根據(jù)《鶴伊高速公路工程地質(zhì)勘查報(bào)告》,全風(fēng)化花崗巖容許承載力為300 kPa,滿足要求,不需考慮深度修正。

(2)樁側(cè)土橫向容許承載力及樁頂容許變形計(jì)算

考慮樁基設(shè)置在路基邊坡上,其受力接近抗滑樁理論,采用《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334-2018)7.4.8條計(jì)算樁側(cè)土橫向容許承載力及樁頂容許變形。

地層為土層或風(fēng)化巖砂礫狀巖層時(shí),滑動(dòng)面以下深度為h2/3和h2/2(h2為滑動(dòng)面以下樁長(zhǎng))處的橫向壓應(yīng)為應(yīng)小于或等于地基的橫向容許承載力。當(dāng)?shù)孛鏌o(wú)橫坡或橫坡較小時(shí),地基y點(diǎn)的橫向容許承載力可按公式(8)計(jì)算;當(dāng)?shù)孛鏅M坡i較大且i≤φ0時(shí),地基y點(diǎn)的橫向容許承載力可按公式(9)計(jì)算[4]

(8)

式中:φ為滑動(dòng)面以下體的內(nèi)摩擦角,(°);γ1為滑動(dòng)面以上土體的重度(kN/m3);h1為設(shè)樁處滑動(dòng)面至地面的距離,m;γ2為滑動(dòng)面以下土體的重度,(kN/m3);y為滑動(dòng)面至計(jì)算點(diǎn)的距離,m;c為滑動(dòng)面以下土體的黏聚力,(kN/m2)。

(9)

式中:φ0為滑動(dòng)面以下體的內(nèi)摩擦角,(°);i為滑動(dòng)面以上土體的重度,(kN/m3)。

①樁側(cè)土壓應(yīng)力計(jì)算

h/3位置處橫向容許承載力

②樁頂容許變形

依據(jù)《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3334-2018)7.4.4條規(guī)定:樁板墻頂位移應(yīng)小于樁懸臂端長(zhǎng)度的1/100,且不宜大于100 mm。本次樁基懸臂端長(zhǎng)度為2.4 m,則其樁頂位移容許值為2.4 cm,設(shè)計(jì)樁頂變形2.04 cm,滿足要求。

(3)管樁最大彎矩計(jì)算

根據(jù)《橋梁博士V3.5》基礎(chǔ)模塊剛性樁計(jì)算,管樁最大彎矩發(fā)生在H/3處,[Mmax]=92.5 kN·m,查詢《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T406-2017),PHC700-A110預(yù)應(yīng)力管樁樁身受彎承載力設(shè)計(jì)值[M]=326 kN·m>92.5 kN·m,管樁抗彎滿足要求。

(4)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

鶴崗至哈爾濱高速公路鶴崗至伊春段聲屏障基礎(chǔ)采用PHC700-A110預(yù)應(yīng)力管樁,樁長(zhǎng)6 m,沿聲屏障每4 m布置1根管樁,100延米布置25根,樁基總長(zhǎng)150 m;如采用鉆孔灌注樁,需設(shè)置直徑800 mm鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)5 m,沿聲屏障每4 m布置1根樁基,100延米布置25根,樁基總長(zhǎng)125 m。

從表4中可以看出鶴崗至哈爾濱高速公路鶴崗至伊春段聲屏障基礎(chǔ)采用PHC700-A110預(yù)應(yīng)力管樁較鉆孔灌注樁節(jié)約建安費(fèi)6.4%,具有一定經(jīng)濟(jì)效益。

表4 預(yù)應(yīng)力管樁與鉆孔灌注樁建安費(fèi)比較表

4.2 社會(huì)效益

鉆孔灌注樁采用循環(huán)鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔,施工質(zhì)量不容易控制,現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎、鉆機(jī)及泥漿池?cái)[布的臨時(shí)占地面積大,施工現(xiàn)場(chǎng)的護(hù)壁泥漿及鉆渣污染環(huán)境,并且需要運(yùn)棄至制定位置;預(yù)應(yīng)力管樁在工廠預(yù)制,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)打入法施工,施工質(zhì)量能夠得到有效保證,臨時(shí)占地面積小,對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境沒(méi)有污染。因此,預(yù)應(yīng)力管樁的社會(huì)效益好于鉆孔灌注樁。

5 結(jié) 論

通過(guò)以上抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算分析及經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益比較,采用PHC700-A110預(yù)應(yīng)力管樁作為聲屏障基礎(chǔ),各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。采用預(yù)應(yīng)力管樁作為聲屏障基礎(chǔ)形式,具有一定經(jīng)濟(jì)效益,并且避免了鉆孔灌注樁或者挖孔灌注樁對(duì)周圍環(huán)境破壞,縮短了施工周期,施工期間對(duì)環(huán)境敏感點(diǎn)的噪聲干擾小具有較好的社會(huì)效益,該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)綠色施工、標(biāo)準(zhǔn)化施工起到了很好的推動(dòng)作用。