裝配化樁板式無土路基受力性能研究

丁 楠， 殷 濤

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前，按我國早期公路建設標準修建的許多高速公路均表現出通行能力差、服務水平低等現象，無法適應社會經濟發展的要求，高速公路改擴建迫在眉睫[1-3]。但傳統改擴建存在征地困難、填土量大、施工周期長等問題[1]。為有效解決這一難題，我公司提出裝配化樁板式無土路基(以下簡稱“樁板式路基”)結構，該結構是在既有碼頭[4]、鐵路樁板路基結構[5,6]等工程經驗的基礎上，結合高速公路荷載特點形成的一種新型樁板梁結構。該結構由預制板、管樁組成框架結構體系，具有裝配化程度高、施工質量好、施工速度快、經濟性好等優點，而且可以節約用地，但其受力性能尚待研究。

1 樁板式路基試驗段設計

為準確把握樁板式路基的結構性能，以某高速公路改擴建項目為背景，如圖1所示，進行結構分析。

圖1 樁板式路基結構現場施工圖

本項目樁板式路基左側懸臂板寬2.0 m，右側板寬5.3 m，總預制板寬7.3 m，現澆與路基搭接寬度為1.5 m。標準跨徑6 m，等跨徑布置，7孔一聯，聯長42 m,如圖2所示。 橋面板采用縱向分塊預制，相鄰預制板之間由濕接縫進行連接，濕接縫寬度0.5 m。橫向跨中板厚26 cm，懸臂端厚20 cm，加腋根部46 cm厚，沿順橋向等厚度布置,如圖3a所示。聯端板橫向跨中板厚為46 cm，縱向加厚范圍為聯端1 m，如圖3b所示。

圖2 聯長布置立面圖

a.中支點橫斷面圖

下部結構采用PRC-I 500C100型管樁+PHC 500AB100型管樁的配樁形式，管樁與梁板采用半固結連接方式，如圖4所示。

圖4 樁頂與梁板連接

2 樁板式路基有限元分析

2.1 樁板式路基有限元模型

為詳細了解樁板式路基的受力性能，選取一聯42 m結構，利用ANSYS建立三維空間有限元模型進行分析，如圖5所示。

圖5 樁板式路基有限元模型

單元類型：梁體與地面以上樁體采用SOLID95單元；鋼筋、護欄立柱與地面以下樁體采用BEAM 188單元；梁體與路基接觸部分、樁土接觸部分、護欄立柱與土接觸部分采用彈簧單元COMBIN 14，模擬路基對梁以及土對樁體和立柱的作用[7]。彈簧的剛度依據“M”法計算得到土的水平作用效應，其中土的水平抗力系數的比例系數取用10 MN/m4。

邊界條件：在樁與護欄底部施加豎向彈簧支撐，聯端支座位置僅施加豎向支撐。

考慮到長期使用后，彈性混凝土可能因受到外界損傷而失效，所以樁板連接處只考慮受力鋼筋的連接作用，如圖6所示。

圖6 數值分析中的樁板連接

2.2 荷載工況

計算中主要考慮了自重、二期荷載、均勻溫度作用、梯度溫度作用以及汽車荷載等作用，均依據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)規定取值。汽車荷載考慮兩車道作用，橫向布載形式考慮4種工況，如圖7所示：①外側輪載對稱在肋板兩側；②外側輪載在肋板正上方；③輪載對稱在橫向跨中；④一輪載在橫向跨中正上方。

圖7 汽車荷載布載模式

2.3 板計算

2.3.1 板結構承載能力極限狀態驗算

對各板塊縱、橫向承載能力進行驗算，見表1、表2。根據計算結果可知，結構縱向受力最大位置在肋板上，且跨中彎矩較支點負彎矩大，橫向受力最大位置在聯端，通過合理配筋，各板塊承載能力驗算滿足規范要求。

表1 各板塊縱向受力承載能力驗算

表2 各板塊橫向受力承載能力驗算

2.3.2 板結構正常使用極限狀態驗算

作用組合采用頻遇組合。根據表3、表4計算結果可知，通過現有配筋，計算裂縫寬度可以滿足規范要求。

表3 各板塊縱向受力正常使用極限狀態驗算

表4 各板塊橫向受力正常使用極限狀態驗算

2.4 管樁計算

2.4.1 管樁承載能力極限狀態驗算

樁頂受到彎矩與軸力共同作用，屬于偏壓構件。經計算，基本組合作用下，軸力效應最大的樁所受軸力為-1 264 kN，對應彎矩為64 kN·m；彎矩效應最大的樁所受軸力為-1 071 kN，對應彎矩為95 kN·m。

根據《混合配筋預應力混凝土管樁》(DBJT20-60)，PRC-I 500C100管樁的抗彎承載力設計值為332 kN·m，樁身豎向承載力設計值為3 800 kN。故采用PRC-I 500C100可以滿足極限承載能力要求。

2.4.2 管樁正常使用極限狀態驗算

根據計算，在頻遇組合作用下，管樁最大應力為-9.40 MPa，滿足規范要求。

2.5 板縱向位移計算

樁板式路基采用500 mm直徑的管樁，剛度較小，需要對縱向位移進行驗算。計算對比分析了無護欄立柱與有護欄立柱的情況，如圖8、圖9所示。

圖8 無護欄立柱時，板的縱向位移圖(單位：mm)

圖9 有護欄立柱時，板的縱向位移圖(單位：mm)

由圖8、圖9可以看出，護欄立柱使得板縱向位移減少了84%，在作用基本組合效應下結構的縱向最大位移為8.91 mm。

3 造價分析

樁板式路基標準聯每平米造價分析見表5。

表5 樁板式路基標準聯每平方米造價分析

4 結 論

通過以上分析可以看出：

(1)裝配化樁板式路基結構上部板梁橫向跨中采用26 cm板厚、肋板采用46 cm板厚時，通過適當配筋，可以有效保證板結構受力安全性，并能滿足其正常使用極限狀態要求。

(2)下部結構采用PRC-I 500C100+ PHC 500AB100型管樁的配樁形式時，管樁承載能力極限狀態及正常使用極限狀態均可以滿足規范要求。

(3)在混凝土板與路堤橫向搭接位置，將護欄立柱打入土中并與板連接可以有效約束結構整體縱向位移，在作用基本組合效應下結構的縱向最大位移為8.91 mm。

(4)樁板式路基工程造價為1 708元/m2，具有相當經濟性。