開蘭特大橋臨時支架復合地基優化設計

李青，葉朝良，趙任龍

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊050043)

開蘭特大橋臨時支架復合地基優化設計

李青，葉朝良，趙任龍

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊050043)

鄭徐客專開蘭特大橋采用臨時支架進行混凝土箱梁現澆梁體施工。箱梁具有高度大、截面面積大、自重大的特點，且天然地基承載力低，無法滿足承載力及變形控制要求。為確保橋梁線形控制和施工安全，擬采用高壓旋噴樁對臨時支架地基進行加固處理。在初步設計的基礎上按沉降控制設計理論，分析了設計參數對地基沉降量的影響規律，并對設計參數進行優化，最終選取高壓旋噴樁樁徑為600 mm，樁長14 m，樁間距為1.8 m。

臨時支架 地基處理 高壓旋噴樁 優化設計

臨時支架法現澆預應力混凝土連續箱梁在橋梁工程中是一種較為常見的施工方法，最近幾年，隨著公路、鐵路交通基礎設施建設的高速發展，采用臨時支架法進行橋梁施工也越來越普遍［1］。臨時支架地基處理對橋梁施工及線形控制極其重要，嚴格控制地基沉降的同時還應保證地基處理方案的技術可靠性和經濟合理性。高壓旋噴樁是利用高壓脈沖泵將水泥漿從水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流噴向土體，以此切割土體使其與水泥漿拌合形成水泥土加固體。其以經濟實用的性能，簡單靈活的設計方法，以及施工中基本不產生環境污染等優點，在工程中得到了越來越廣泛的應用［2］。其設計力求在滿足復合地基承載力及沉降控制要求的前提下做到工程造價最低。因此，初步設計方案的進一步優化極其重要。復合地基優化設計是一種在滿足強度及變形要求的前提下，把樁工程量作為目標函數，經過分析計算，找出最小工程量的樁分布方法。目前，對于復合地基優化設計的研究多針對水泥土攪拌樁［3-5］或CFG樁［6-8］。

沉降控制設計方法的基本思想是:將復合地基的沉降控制在設定的容許沉降之內，同時滿足承載力要求，從而達到使經濟效益最優、各種參數組合合理的目的［5］。基于沉降控制的設計理論，各設計參數對高壓旋噴樁復合地基沉降的影響規律分析具有十分重要的意義。本文結合具體工程，計算了不同樁長、樁徑、樁間距下的地基沉降量，按照變形控制理念進行了參數優化，取得了良好的處理效果。

1 工程概況

鄭徐客專開蘭特大橋位于開封至蘭考段內，橋址范圍內地勢較為平坦。為了縮短工期，采用臨時支架進行梁體的現澆施工。臨時支架剖面如圖1。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁頂寬13.4 m，底寬7.0 m，高5.20～9.20 m，重度26.0 kN/m3。梁體具有高度大、截面面積大，自重大的特點。

圖1 開蘭特大橋臨時支架剖面(單位:cm)

臨時支架采用鋼筋混凝土矩形基礎，寬度為18.8 m，長度根據不同梁高和分段梁體重量分別采用6，8，10 m三種。基礎埋深0.3 m，基底均布壓力為160 kPa。地基土層多由粉土、粉質黏土、細砂組成，地下水位高，在地表下0.6～2 m左右，導致地基承載力低，沉降變形大，無法滿足承載力及變形控制要求。

2 設計方法

2.1 設計參數的初步確定

高壓旋噴樁復合地基設計參數:樁長L、樁徑D、樁間距s。根據地基土層情況初步選定樁徑D= 600 mm，樁長L=20 m。采用三角形的布樁形式，按復合地基承載力要求確定樁間距s。

復合地基承載力計算公式［9］

式中:fspk為復合地基承載力特征值;λ為單樁承載力發揮系數，取0.7～0.9;m為面積置換率;Ra為單樁豎向承載力特征值;Ap為單樁截面面積;β為樁間土承載力發揮系數，取1.0～1.1;fsk為樁間土承載力特征值。

根據地基承載力要求，確定置換率m＞0.055，即樁間距s＜2.4 m，初步取s=2.1 m。

2.2 地基沉降量計算

將加固區按天然地基土層分層，分別計算各層復合土體的壓縮量，按式(2)求得加固土層沉降量S1。下臥土層沉降量S2按天然地基用應力面積法進行計算。

式中:Pzi為第i層復合土層頂面的附加應力值;Espi為第i層復合土層的壓縮模量。

地基總沉降量S

初步設計參數下地基沉降量計算:S1為26.08 mm，S2為12.54 mm，地基總沉降量S為38.62 mm。臨時支架可調節高度為50 mm。初步設計方案滿足沉降控制要求。

3 初步設計方案優化

3.1 參數的調整

為降低工程造價，在滿足地基承載力要求的前提下，調整方案的初步設計參數，計算各參數下地基沉降量，分析設計參數對地基沉降量的影響規律，力求得到滿足工程要求前提下的最優設計參數。復合地基的樁長和樁間距對控制復合地基的變形起著重要作用［1］。樁徑為600 mm時，各參數(樁長、樁間距)下地基沉降量及單位工程量如表1。

表1 不同參數下地基沉降量及單位工程量

圖2 地基沉降量隨樁長變化曲線

3.2 參數對沉降的影響分析

1)樁長對沉降的影響

圖2為樁徑600 mm時，不同樁間距情況下，地基沉降量隨樁長變化曲線。由圖2可看出:①不同樁間距情況下，地基沉降量隨樁長的變化趨勢相同。隨著樁長的不斷增加，復合地基沉降量逐漸減小。②樁長越大，復合地基沉降量減小得幅度越小;③當樁長超過14 m時，增加樁長對沉降量的影響較小，一味地增加樁長來減小地基沉降量是不可取的。

2)樁間距對沉降的影響

圖3為樁徑600 mm時，不同樁長情況下，地基沉降量隨樁間距變化曲線。

由圖3可知:樁長相同時，隨著樁間距的減小，地基沉降量逐漸減小。這是因為樁長相同，樁間距減小時，置換率增大，復合土層壓縮模量增大，加固區土體的壓縮量減小，地基沉降量減小。從圖中曲線上各點斜率可看出，當樁間距＜1.8 m時，樁間距的減小對地基沉降量的影響降低。

通過參數對地基沉降量的影響分析和計算的各參數下復合地基的沉降量和單位工程量，選出滿足沉降控制要求且工程量較低的兩種組合:①樁長14 m、樁間距1.8 m，地基沉降量40.14 mm，單位工程量1.40 m3;②樁長16 m、樁間距2.1 m，地基沉降量41.44 mm，單位工程量1.18 m3。從工程量考慮，組合②較優，但綜合考慮樁長對施工難易程度及工程造價的影響，最終選取樁長14 m、樁間距1.8 m為最優組合。既滿足沉降控制50 mm的要求，并且樁工程量相對較低。

3)樁徑對沉降的影響

樁長14 m、樁間距1.8 m時，復合地基沉降量隨樁徑的變化曲線如圖4。

圖3 地基沉降量隨樁間距變化曲線

圖4 地基沉降量隨樁徑變化曲線

從圖4可看出:①增大樁徑，復合地基沉降量明顯減小。這是因為樁長、樁間距一定時，增大樁徑，置換率增大，復合土層壓縮模量增大，加固區土體的壓縮量減小，地基沉降量減小;②樁徑＞600 mm后，增大樁徑對地基沉降量減小的幅度較小;③樁長為14 m、樁間距1.8 m時，600 mm為復合地基沉降量滿足沉降控制要求的最小樁徑。因此，高壓旋噴樁樁徑取600 mm。

3.3 最優設計參數

通過樁長、樁間距、樁徑對復合地基沉降的影響規律分析，并結合沉降控制要求和各參數下工程量的計算值，最終選取高壓旋噴樁復合地基的最優設計參數如表2。

表2 最優設計參數

4 結語

本文結合開蘭特大橋臨時支架地基處理工程實際，對高壓旋噴樁復合地基進行了優化設計。在滿足地基承載力要求的前提下，按沉降控制設計理論，通過調整設計參數，試算地基沉降量，分析了設計參數對地基沉降量的影響規律。得出如下結論:

1)不同樁間距情況下，地基沉降量隨樁長的變化趨勢相同。隨著樁長的增加，復合地基沉降量逐漸減小。但樁長越大，復合地基沉降量減小的幅度越小。

2)樁長相同時，隨著樁間距的減小，地基沉降量逐漸減小。但當樁間距超過某一值時，樁間距的減小對地基沉降量的影響降低。

3)樁長和樁間距一定，樁徑較小時，樁徑的增大將使復合地基沉降量明顯減小。但樁徑超過某一值時，樁徑的增大對地基沉降量的影響較小。

通過對設計參數的優化。最終選取高壓旋噴樁樁徑為600 mm，樁長14 m，樁間距為1.8 m。既滿足承載力及沉降控制要求，又達到經濟效益最優。

［1］劉東海，楊健，方軍.復雜地形條件下滿堂支架法現澆箱梁的應用［J］.橋隧工程，2013(11):362-365.

［2］李青，葉朝良，趙任龍.開蘭特大橋臨時支架地基處理方案優選［J］.鐵道建筑，2015(4):31-33.

［3］李茂英，曾慶軍，莫海鴻，等.高速公路拓寬工程沉降控制復合地基優化設計［J］.巖土力學，2008，29(2):535-540.

［4］王金山，唐小兵，楊永謙.復合地基的優化設計［J］.船海工程，2001(增2):120-126.

［5］黃廣龍，惠剛，梅國雄，等.沉降控制復合地基設計與測試研究［J］.巖土力學，2008，29(4):911-915.

［6］曾巧.CFG樁復合地基設計計算與工程應用［D］.重慶:重慶交通大學，2013.

［7］溫世聰.基于沉降控制的高速鐵路CFG樁復合地基優化設計研究［D］.北京:北京交通大學，2012.

［8］趙亮.山區高速公路CFG樁復合地基的試驗研究與優化設計［D］.重慶:重慶交通大學，2013.

［9］中華人民共和國建設部.JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

(責任審編趙其文)

TU472.3+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.12

1003-1995(2015)05-0047-03

2014-05-15;

2015-03-05

李青(1988—)，女，河北石家莊人，碩士研究生。