鋼管樁在拼寬橋梁基礎加固中的應用

王 琪,吳 勇,盧繼指,王 超

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來,隨著經濟社會的發(fā)展,我國高速公路路網建設如火如荼。隨之出現(xiàn)很多高速公路樞紐建設、高速公路改擴建等不同類型的涉及橋梁拼寬的工程。在橋梁拼寬設計中,控制拼寬橋梁與既有橋梁的不均勻沉降對于橋梁整體結構的安全尤為重要。其中控制橋梁不均勻沉降關鍵為控制其基礎的沉降。近年來,國內公路建設中廣泛采用了微型鋼管樁用于基礎加固[1-2],取得了較好的效果,但其對拼寬橋梁的適用性,值得進一步進行研究。

本文以吳隆路定舊分離式立交拼接工程為例,采用理論分析和經濟比選,論證鋼管樁在橋梁拼寬基礎加固施工中的可行性。

1 工程概況

1.1 橋梁拼寬基本情況

定舊分離式立交橋為南百高速公路上跨鄉(xiāng)村道路而設置的分離式立交橋[3]。根據南寧南過境線(吳圩機場至隆安段)壇洛樞紐互通建設需要,需對其左幅加寬3.552 m,右幅維持原狀。原橋面寬度為2×14.0 m,橋下凈空滿足路線凈空要求。加寬后,左幅橋面寬17.552 m,右幅14.0 m。原設計荷載:公路-Ⅰ級;新預制梁:公路-Ⅰ級。原橋上構為1～16 m預應力混凝土簡支空心梁,橋臺為重力式橋臺,明挖擴大基礎,基礎尺寸為6 m×32 m。新拼寬基礎設計尺寸為4 m×6 m,新預制梁為1～16 m后張預應力混凝土簡支小箱梁,與原橋的邊梁采用濕接縫連接。加寬橋臺擬采用重力式橋臺,采用樁基礎。但受場地條件限制,大型旋挖成孔機械難以進場,擬采用鋼管樁代替原有樁基礎,以減少施工期間機械設備對原有路基產生的擾動。

1.2 橋梁區(qū)地質條件

橋梁所在區(qū)域地貌為巖溶平原微丘地貌,橋址區(qū)覆蓋第四系殘積土層,未見基巖出露。橋位區(qū)基本地震動峰值加速度值為0.10 g,對應的地震烈度為Ⅶ度,基本地震動反應譜特征周期為0.35 s,區(qū)域地質穩(wěn)定性較好。地面以下巖土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 橋址區(qū)地層參數(shù)一覽表

根據橋梁的設計圖紙,在基本組合下,拼寬橋梁擴大基礎基底壓力為250 kPa。

1.3 鋼管樁加固方案

為控制差異沉降,定舊分離式立交橋拼寬部分采用擴大基礎+鋼管樁基礎方案。鋼管樁為直徑15 cm鋼管注漿混凝土樁,采用鉆機成孔,鋼管為直徑10.8 cm、壁厚8 mm的熱軋無縫鋼管,管身按間距50 cm十字交錯打孔。樁體注漿采用M30水泥砂漿。鋼管樁按矩形布置,間距按75 cm×80 cm,共計75根。鋼管樁深入擴大基礎內部長度為30 cm。如圖1所示。

圖1 橋梁鋼管樁基礎設計圖(m)

2 拼寬后沉降計算分析

2.1 擴大基礎方案沉降計算

當采用擴大基礎方案時,基礎埋深為2.0 m?；字行奈恢米冃渭礊槎张_基礎的最終沉降量,可按《公路橋涵地質與基礎設計規(guī)范》的沉降公式計算:

(1)

式中:ψs——沉降計算經驗系數(shù);

p0——基礎底面處附加壓應力;

Esi——基礎底面下第i層土的壓縮模量;

zi、zi-1——基礎底面至第i、i-1層土的底面的距離;

該橋梁基礎底面的附加應力p0=250 kPa,結合表1的地層參數(shù),沉降計算經驗系數(shù)取1.0。按簡化為一層計算,取z1=18 m,查表得α=0.266 5。經計算可得拼寬基礎中心的最終沉降量s=128.95 mm。

對于拼寬橋梁基礎引起的既有基礎沉降,可以通過應力疊加原理,同樣利用式(1)沉降公式計算得出。根據查表計算可知,拼寬橋梁后,引起的既有橋梁基礎的中心位置、基礎1/4處位置和邊緣位置的沉降分別為:0.73 mm、7.26 mm、86.13 mm。

對于擴大基礎,一般在無法滿足沉降要求時,可采用加寬基礎尺寸的方式,通過降低基底附加應力以減少沉降。對于該橋梁,如采用6 m×8 m尺寸,即原有基礎寬度和長度尺寸各增加2 m,則基礎面積增加一倍。通過查表得加寬后α1=0.345,經計算加寬基礎后拼寬基礎的中心最終沉降量s=86.13 mm。

2.2 鋼管樁沉降計算

對于樁中心距不大于6倍的樁徑,也即樁中心間距≤90 cm,根據《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》要求,應作為墩臺基礎計算群樁的沉降量,同時也應計算樁身壓縮量。

群樁的沉降量可作為整體基礎按式(1)進行計算,在計算時,計算沉降的土層厚度為基礎底部土層厚度減去樁長后的土層厚度。

對于樁體部分的變形,可假設基礎底部應力全部由鋼管樁承受,此時僅計算單根鋼管樁的變更即可。即:

(2)

鋼管外側保護層厚度為2.1 cm,對于細長樁體,在受壓變形時,容易出現(xiàn)彎曲變形,從而導致外部保護層剝落開裂,受壓性能大大降低。因此,對于鋼管樁計算面積取管樁包裹范圍內面積,即樁體截面積為鋼管圍成的面積,對于10.9 cm鋼管,Aps=91.6 cm2。按方形布置鋼管樁、樁間距為75 cm時,鋼管樁單樁作用面積為A=5 626 cm2,此時Qj=p×A。Ec為樁體彈性模量,按水泥彈性計算,為3.00×104MPa。根據以上各參數(shù),即可計算出鋼管樁樁身壓縮值。由群樁基礎底部地基沉降疊加鋼管樁樁身壓縮值,據此可求得不同鋼管樁長度對應的拼寬基礎中心的沉降值(如表2所示)。

表2 不同鋼管樁長度下新建基礎沉降值計算結果表

3 沉降對比分析

根據以上計算結果,由下頁圖2可知,如果采用與原有基礎一樣的擴大基礎,新增加的基礎與原有基礎相對沉降比較大,不均勻沉降導致橋梁出現(xiàn)橫坡,最大橫坡達2%。對于橋梁結構,橫向的不均勻沉降會導致橋梁結構產生較大的內力,在運營時容易在濕接縫位置出現(xiàn)縱向裂縫等結構問題,同時如果產生較大的橫向不均勻沉降,對于車輛通行也存在較大的風險。如果采用加寬基礎方案來降低沉降,在基礎面積增加一倍的情況下,新建橋梁基礎中心最終沉降值僅降低了約33%,降低效果不明顯。

圖2 不同條件下橋梁不同位置沉降對比曲線圖

對設置不同長度鋼管樁條件下的沉降計算分析表明,鋼管樁長度在15 m時,新建橋梁基礎中心位置的沉降大幅降低。鋼管樁設置在基巖中時,主要沉降為鋼管樁自身的壓縮變形,此時新建基礎的沉降僅為未設置鋼管樁時的8%。

圖2為設置不同長度鋼管樁和未設置鋼管樁條件下,新建橋梁基礎中心和既有橋梁基礎不同位置的沉降量計算值對比情況。通過對比分析可知,未設置鋼管樁和設置5 m、10 m、15 m、20 m鋼管樁條件下沉降引起的橫坡變化分別為2.1%、2.0%、1.6%、0.1%、0。在設置15 m長錨筋樁時,橋梁的整體沉降即比較均勻,設置20 m長鋼管樁時,橋梁的整體沉降不明顯。由此可見,設置15 m以上鋼管樁即可滿足沉降要求,如果設置為20m長鋼管樁,此時為嵌巖樁,橋梁整體沉降會大大降低。

4 應用效果分析

根據以上計算分析結果,在定舊分離式立交橋拼寬基礎中采用φ15 cm鋼管樁,鋼管樁設置為嵌巖樁。與同長度混凝土樁相比,造價降低了25%。根據通車運營后一年多以來的監(jiān)測數(shù)據,拼寬橋梁中心在建成7個月后沉降趨于穩(wěn)定,最大沉降量為3.5 mm,未見橋梁有明顯變形(見圖3),可見在拼寬橋梁中基礎采用鋼管樁加固可以有效地控制沉降。

圖3 建成后差異沉降監(jiān)測數(shù)據曲線圖

5 結語

(1)拼寬橋梁直接采用擴大基礎雖然滿足承載力要求,但會導致新舊橋梁出現(xiàn)差異沉降,采用增加基礎面積來減少沉降的效果并不明顯。

(2)采用鋼管樁基礎可有效降低拼寬橋梁的沉降,其中鋼管樁直接穿過土層效果最好。

(3)與普通混凝土樁基礎相比,鋼管樁具有良好的經濟性,在一定條件下可以直接作為拼寬橋梁基礎。