裝配化樁板式路基的設計研究及管樁計算分析

易天星

(寧波大通開發有限公司,浙江 寧波 315000)

近年來,土地資源與生態紅線對交通基礎設施建設的剛性制約愈發凸顯,土、砂、石等筑路材料資源也日益緊缺。占地難、取土難、購買砂石材料難,不但增加了公路建設的成本,而且制約了公路建設的工期。國家推行綠色公路建設,如何通過技術創新實現交通基礎設施的綠色可持續發展,減少對土地、土、砂、石等自然資源的占用,成為擺在行業面前的突出問題。

裝配化樁板式路基通過套筒式樁板連接構造,將預制板梁支撐在預制管樁上。可應用于新建和改擴建公路,在改擴建公路中,裝配化樁板式路基外側設置預制管樁,內側在幫寬側路基邊緣設置現澆枕梁,其上安裝預制板梁,形成側邊連續鉸限位。在新建公路中,裝配化樁板式路基1孔6～12 m,可根據具體情況確定聯長,橫向設置多排預制管樁,結構為柔性體系,結構類似橋梁。

在改擴建項目中裝配化樁板式結構可直接利用舊路涵洞,避免接長,排水系統也可繼續利用,在加快施工進度的同時,充分利用舊路排水結構,節約了工程造價;預制板梁、管樁可在工廠完成,現場組裝,施工效率高、速度快;樁板式結構相對于傳統路基,節省了路基邊坡、護坡道等位置的占地,減少了土地資源征占,緩解了公路建設取土困難問題,是一種綠色環保的新建造模式[1]。

1 主要構造

1.1 上部結構

(1)上部結構采用預制鋼筋混凝土板,單孔跨徑6 m,可設置15孔一聯,聯長90 m,聯端設80型異型鋼單縫式伸縮裝置,縫寬5 cm。樁板式路基橫向寬度13 m,內外側需設置墻式護欄。

根據位置不同,梁板可分為A、B、C和濕接縫,其中濕接縫寬度為30 cm,其余板為工廠預制板。橫路基方向A板、B板跨中板厚30 cm,懸臂端厚30 cm,加腋根部厚55 cm;沿順路基方向等厚度布置。位于聯端(伸縮縫端)的C板為提高剛度和強度,橫向跨中板厚與加腋根部厚均為55 cm;懸臂端板厚30 cm;縱向加厚范圍為聯端1 m范圍。

(2)裝配化樁板式路基通過調整橫向濕接縫兩側預制板高度和角度擬合路線平面曲線,通過調整縱向預制板間的夾角及濕接縫尺寸形成豎曲線。預制廠家在預制板時應根據平曲線超高設計要求采用直線擬合,嚴格控制預制板兩個端面控制點高程,直線擬合引起的橋面錯臺通過鋪裝調整。

預制橋面板頂底面均為水平預制(橋面無縱橫坡度),管樁頂面也為水平結構(無縱橫坡),橋面橫坡以預制橋面中線為基準線,旋轉2%形成橫坡,管樁頂面與預制板間的坡度依靠調平鋼板(過渡樁)、圓形鋼管(鋼管內現澆C50無收縮混凝土)(一般樁)調整形成。

(3)預制板所有全部節段工廠預制,運輸至現場吊裝,完成濕接縫鋼筋連接后現澆濕接縫形成樁板路基,最后完成防撞護欄等附屬設施[2]。

1.2 下部結構

下部結構全部采用預應力管樁,樁板式路基的柱身部分采用PRC-I B600型管樁,樁基部分采用PHC B600型管樁,樁長15 m,結合現場施工條件,宜采用打入法施工[3]。

PRC-I B600型管樁(預應力鋼筋及普通鋼筋)需滿足《混合配筋預應力混凝土管樁》中相應型號管樁配筋。PHC B600型管樁(預應力鋼筋)需滿足《預應力混凝土管樁》10G409中相應型號管樁配筋。

1.3 樁頂連接構造

樁頂外套一外徑為630 mm壁厚10 mm的圓形鋼管,鋼管焊接在管樁端板上,鋼管上部采用橡膠條密封。同時放置填芯鋼筋籠,最后在板頂預留孔中灌注C50無收縮混凝土與預制板實現固結,形成整體連接接頭[4]。

聯端樁澆筑形成樁帽,同時澆筑C50無收縮混凝土進行填芯,樁帽上設滑板支座,梁板放置在樁帽上。

2 荷載參數

2.1 汽車荷載

為了準確計算汽車偏載效應,計算模型中汽車荷載分別按照最少1個車道,最多3個車道布載,橫向車道布載系數分別為1.2(1車道)、1.0(2車道)、0.78(3車道)。車道荷載包括對稱布置與偏載兩種工況[5]。

汽車荷載分別考慮車輛荷載和車道荷載的組合,分別對下述升溫和降溫兩種狀況進行驗算。

2.2 車輛荷載

車輛荷載應分別考慮車輛荷載的對稱布置與偏載兩種工況[5]。考慮三列55 t車輛荷載作用。

3 計算模型

本次計算模型采用midas Civil 進行數值分析。其中橋面板采用板單元模擬,劃分約為500 mm×500 mm一個單元,有限元模型中以不同板厚來模擬樁頂加腋部分(50 cm厚)和等厚部分(30 cm厚);樁采用梁單元模擬。模型見圖1。

圖1 樁板路基模型總圖

板梁采用板單元模型;計算時認為樁板連接處接頭約40 cm中心柱起受力作用,周圍10 cm素混凝土退出工作。

為了模擬土質對樁的作用,分析中利用節點彈性支撐建立橫向和縱向的土彈簧。彈簧的剛度依據“M”法計算得到土的水平作用效應。地基土水平抗力系數的比例系數=10 MN/m4。

4 下部結構計算分析

4.1 支反力及樁長計算

(1)支反力。

標準組合下,最大支反力在聯端,為1 041 kN。

(2)樁長計算(適用于地質條件一般,適合采用打入樁的路段)。

單樁豎向抗壓承載力特征值,宜按公式(1)估算[6]。

(1)

式中:Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值,kN;up為樁身外周邊長度,m;qsia為管樁樁側第i層土極限側阻力特征值,kPa,宜按場地巖土工程勘察報告取值,如無當地經驗值時,可按規程中相應表格選取;li為管樁穿越第i層土(巖)的厚度,m;qpa為管樁的極限端阻力特征值,kPa,宜按場地巖土工程勘察報告取值,如無當地經驗值時,可按規程中相應表格選取;Af為空心樁樁端凈面積,m2,對于管樁,Af=π(D2-d2)/4;λp為樁端土塞效應修正系數,對于閉口管樁λp=1;對于敞口管樁:當hb/D<5時,λp=0.16hb/D,當hb=D≥5時,λp=0.8;其中hb為管樁樁端進入持力層深度;Ap1為管樁空心部分敞口面積,m2,Ap1=πd2/4。

粉細砂層,近似取qsia=28 kN/m2,中砂層,近似取qsia=35 kN/m2,qpin=3 000 kN/m2。計算得Ra=1 573 kN>1 041 kN。

(3)抗凍拔穩定性計算。

樁(柱)基礎抗凍拔穩定性可按下列公式驗算[7]。

Fk+Gk+Qfk≥kTk

(2)

Qfk=0.4u∑qikli

(3)

式中:Fk為作用在樁(柱)頂上的堅向結構自重,kN;Gk為樁(柱)自重,kN,對水位以下且樁(柱)底為透水士時取浮重度;Qfk為樁(柱)在凍結線以下各層的摩阻力標準值之和;u為樁的周長,m;qik為凍結線以下各層土的摩阻力標準值,kPa;li為凍結線以下各層土的厚度,m;Tk為每根樁(柱)的切向凍脹力標準值,kN。

Tk=Zdτsku

(4)

式中:Fk為作用在基礎上的結構自重,kN;Gk為基礎自重及襟邊上的土自重,kN;Qsk為基礎周邊融化層的摩阻力標準值,kN;k為凍脹力修正系數,砌筑或架設上部結構之前,k取1.1;砌筑或架設上部結構之后,對外靜定結構k取1.2;對外超靜定結構k取1.3;Tk為對基礎的切向凍脹力標準值,kN;Zd為設計凍深,m,參見本規范第5.1.2條,當基礎埋置深度h小于Zd時,Zd采用h;τsk為季節性凍土切向凍脹力標準值,kPa,按表H.0.1選用;u為在季節性凍土層中基礎和墩身的平均周長,m。

Zd=ψzsψzwψzeψzgψzfZ0

Zd=1.2×0.9×1×1×1.1×2.1=2.5 m

Tk=2.5×120×0.8×3.14×0.6=452.2 kN

Qfk=0.4×3.14×0.6×(28×2×8+35×2×2)=443 kN

Fk+Gk+Qfk=750+3.14×(0.32-0.192)×12+443=1 195 kN>1.3×452.2=588 kN

管樁的抗凍拔穩定性滿足規范要求。

4.2 管樁受力計算

(1)管樁承載能力計算。

基本組合下,樁基順橋向樁頂所受最大彎矩為164 kN·m,橫橋向樁頂所受最大彎矩為41.6 kN·m,樁頂最大軸力為1 124 kN,樁頂最大剪力為34 kN。

由《預應力混凝土管樁技術標準》(JGJ/T 406—2017)附表知,PRC-I B600型管樁樁身開裂彎矩Ma=246 kN·m,標準組合計算的抗裂剪力≤290 kN,樁身施工允許最大壓應力5 775 kN;PHC B600型管樁樁身開裂彎矩Mcr=265 kN·m,樁身施工允許最大壓應力5 775 kN。

PRC-I B600和PHC B600型管樁樁身力學性能滿足規范要求。

(2)抗裂計算。

由計算知,樁身最大拉應力為4.87 MPa,由《預應力混凝土管樁技術標準》(JGJ/T 406—2017)附表可知,PRC-I B600型管樁混凝土有效壓應力7.11 MPa;PHC B600型管樁混凝土有效壓應力8.34 MPa,樁身不會開裂。

5 結 論

通過以上論述,裝配化樁板式路基設計方案可行,且相對于傳統路基解決了征地困難,減少對土地、土、砂、石等自然資源的占用。能夠大力推動綠色公路工業化建造技術的發展,裝配化樁板式路基已在我國的多條高速公路改擴建和新建工程中得到應用,目前設計中的哈爾濱都市圈環線西南環段,對填土高度7 m的公路路基和裝配化樁板式路基進行了經濟技術比較,裝配化樁板式路基具有一定經濟優勢,如應用于不良地質段落,裝配化樁板式路基的經濟優勢明顯,裝配化樁板式路基結構替代傳統的路基路面筑路技術,作為綠色環保的公路建造方式,在降低資源利用和土地占用方面優勢明顯,具有廣闊的發展前景。