高速公路预制板桥梁拓宽施工基础沉降及收缩徐变控制_王宾.pdf

36工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工0 引言随着经济的快速发展，已建高速公路的交通量不断增长，现有道路已经难以满足交通需求，急需进行道路拓宽改建1。当前，国内外已经有较多关于高速公路桥梁拼接方案的研究，但所得结果和经验均是针对某项目而言，在具体实施时存在较大差别，无法直接用于项目设计和施工工作2。从安全角度上考虑时，拓宽桥梁的基础沉降与混凝土的收缩徐变的影响较大，鉴于此，本文针对高速公路预制板桥梁拓宽施工基础沉降与收缩徐变控制进行研究，以期为后续类似项目的桥梁拓宽提供参考。1 基础沉降规律一般情况下，按照时间先后的顺序进行划分时，基础沉降共有 3 个阶段，分别是瞬时沉降Sj、固结沉降Sc、次压缩沉降Ss。在各荷载作用下，基础沉降过程曲线如图 1所示。在桥梁加宽施工时，旧桥已经基本完成基础沉降，要对新桥和旧桥基础沉降差进行控制，需从降低新桥桩基工后沉降变形角度入手。新桥桩基础荷载-沉降曲线如图 2所示。从图 2 可以看出，若控制荷载为设计荷载，则桥梁运营时的新旧桥的最大沉降差，可通过设计荷载下新桥桩基沉降量减去恒载作用下桩基沉降得到。要使新旧桥桩基沉降差得到控制，就需要将最大沉降差控制在容许范围内3。2 基础沉降技术为对新旧桥桩基的最大沉降差进行控制，需对新桥桩基施工时的钻孔4和沉渣进行控制，以确保新桥桩基工后沉降满足要求。除此之外，还可以通过加固地基、增补桩基等方式控制桩基沉降。对比各项控制方法，结合本工程实际，决定通过增大桩长和提前堆载预压的方式，控制桥梁拼宽的基础沉降。2.1 增大桩长沉降控制技术当前已经研究表明，一定条件下，增大桩长可以有效对桥梁拼宽的差异沉降进行控制，但桩长参数还需结合项高速公路预制板桥梁拓宽施工基础沉降及收缩徐变控制王宾（中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁沈阳 110136）摘要：以某高速公路预制板桥梁的拓宽施工为研究背景，从新旧桥梁的沉降差异和收缩徐变差异的角度，提出增大桩径、堆载预压、湿接缝材料选择和新旧桥拼接施工的合理时间等控制措施，为后续类似施工提供参考。关键词：预制板式桥梁；拓宽施工；基础沉降；收缩徐变图1 基础沉降过程曲线图2 新桥桩基础荷载-沉降曲线加荷后经历时间荷载/P沉降沉降CM&M 2023.0137目各项条件进行考虑。通过“Pile 7.2”软件进行桩基沉降计算，所依据理论为建筑桩基技术规范5。计算时仅对新桥的桩基作用进行考虑，而忽略新旧桩基间的相互影响。桩基建模参数为 C30 混凝土，以钻孔灌注桩进行施工。基于初步拟定的桩径，在确保单桩承载力得到满足的情况下，初步计算某高速公路桥梁的桩长如表 1 所示。2.1.1 沉降随桩长变化分析在确保单桩竖向承载力满足的情况下，根据长期效应组合对桩顶反力进行计算，以此作为控制桥梁桩基的沉降荷载，随着不断增长的桥梁桩长，其沉降的变化如图 3 所示。限于篇幅，本文仅列出部分数据。从图 3 可以看出：在设计桩顶力作用下，随着不断增加的桩长，除了 B 桥之外，桩基沉降量不断降低。但随着不断增加的桩长，沉降降低幅度不断减小。由此表明，通过增大桩长的方式降低新旧桥差异沉降有明显效果，但两者不存在线性联系，降低沉降的效果也有限。B 桥桩基再2530m 时，其沉降量有所增大，原因在于 B 桥 2530m 的地层有软弱下卧层存在。当软弱下卧层中有桩端作用时，桩端下土层为主要压缩层，因此有较大沉降。30m 以上的地下有相同土层，桩基沉降随着不断增加的桩长而不断减小。A、C、D 桥在确保单桩竖向承载力符合要求时有1.43.0mm 的沉降量，比沉降容许值要小。因此针对该类有着较好地质条件的桥梁而言，在确保桩基承载力得到满足的条件下，可不再增加桩长。2.1.2 沉降随荷载的变化分析B 桥在桩长为 25m 和 35m 时，桩基在不同荷载组合下与仅有恒载作用下的变化如图 4 所示。从图 4 可以看出，当设计桩长一定时，桩基沉降量随着不断增加的荷载而不断变大。在相同的作用荷载下，相比于 25m 桩长的工况，35m 桩长的工况有更大的桩基沉降量。因此若有软弱下卧层出现在桩端下方时，应确定该层厚度和相关状况，并进行沉降分析以确定是否需要将桩长进一步伸长。B 桥在 25m 和 35m 的桩长下，在不同荷载条件下的沉降差如下图 5 所示。从图 5 可以看出，当设计桩长一定时，表 1 新拼宽桥梁桩基参数桥梁名称跨径组合/m墩台类型墩台高/m最大桩顶力/kN桩径/m桩数桩长/mA716柱式墩831301.3222柱式台425851.3220肋式台719001.1416B516柱式墩831301.3224柱式台425851.3221C413柱式墩824851.228D110薄壁墩426501.2220图3 A桥增加桩长桩基沉降变化情况图5 不同桩长随荷载增加时的沉降差变化图4 随荷载变化桩基沉降曲线桩长/m桩基总沉降/mm桩基总沉降/mm桩基总沉降/mm桩基总沉降/mm荷载荷载荷载25m桩沉降变化曲线25m桩沉降变化曲线35m桩沉降变化曲线35m桩沉降变化曲线与恒载左右下的沉降差与恒载左右下的沉降差恒恒恒恒+1/4活恒+1/4活恒+1/4活恒+1/2活恒+1/2活恒+1/2活恒+2/3活恒+2/3活恒+2/3活恒+活恒+活恒+活b 35m桩长a 25m桩长38工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工表 2 不同荷载下桩基沉降计算结果下部结构类型土层类型桩长/m恒载+活载总沉降/mm不堆载预压三个月/mm堆载预压 1/2 活载三个月/mm恒载沉降剩余沉降恒载+堆载沉降剩余沉降16m 空心板桥墩粉质黏土设计值 2216.28.37.812.14.03112.76.46.29.53.13611.55.85.68.62.8中砂设计值 276.33.92.35.70.5365.13.11.94.60.4414.62.81.74.20.3粉质黏土设计值 1913.56.86.610.13.313m 空心板桥墩2810.25.25.07.62.5339.14.64.46.82.2中砂设计值 235.33.31.94.80.4324.12.51.63.70.3373.72.21.43.40.2粉质黏土设计值 216.53.43.04.81.610m 空心板薄壁桥台314.72.42.23.51.1354.22.12.03.11.0中砂设计值 252.51.50.92.30.1341.81.10.61.60.1391.60.90.61.50.1粉质黏土设计值 1711.45.85.58.52.813m 空心板柱式桥台268.44.24.16.32.0317.43.73.65.51.8中砂设计值 204.62.81.74.20.3293.42.01.33.10.2343.11.81.22.80.2桥梁在运营期间随着不断增加的活载，桩基沉降量表现出线性关系。当桩长为 25m 时，相比于恒载的工况，恒载加活载工况下的沉降量上升约 2.3mm。同样，当桩长为 35m时沉降量约有 4.3mm 的增长。B 桥所处地质主要为粉质黏土，为此有较长时间的恒载沉降。考虑到成桥后的 90d 再进行拼接施工，当桩长为 25m时，拼接后有 4.5mm 的剩余沉降，相比于 6mm 的容许沉降值要小；当桩长为 35m 时，拼接后有 9mm 的剩余沉降，相比于 6mm 的沉降容许值要小。因此在具体施工时，对于较差地质环境的情况，不仅需要使桩长增加以降低沉降，还需开展进一步的堆载预压，使桥梁运营时的活载沉降有所减小。此外，针对勘察阶段钻孔深度不满足要求的路段，需进行钻孔资料的补充，以确定软弱下卧层的具体深度，并将桩端嵌入有较大压缩模量的土层，以使桩端沉降有所减小。2.1.3 典型地质条件下摩擦桩沉降控制分析鉴于全线地质资料有较大的离散性，为对桩长与摩擦桩沉降间的联系作出进一步研究，决定以 10m 跨径板桥桥台桩基、13m 和 16m 跨径空心板桥桥墩与桥台桩基作为研究对象。不同荷载下桩基沉降计算结果如表 2 所示。其中设计值代表符合竖向承载力时的桩长。从表 2 可以看出：在粉质黏土中，在设计桩长下，13m和 16m 的空心板桥墩台桩基无法满足沉降要求，需在此基础上提升桩长或进行堆载预压，以对沉降进行控制。在增大桩长后可以将堆载预压质量减少。在设计桩长下，10m空心板桥台桩基可以满足沉降要求，根据理论计算成果可以不增大桩长或堆载预压。在中砂地质环境中，在设计桩长下，3 种桩长的空心板桥墩台桩基沉降均可满足要求，根据理论计算结果可以不增大桩长或堆载预压。在设计时，需要结合现场土层参数确定控制沉降的措施，并进行桩长的拟定。在初步设计时，建议基于竖向承载力计算结果，结合地质资料将桩长适当增加。针对粉质黏土中的摩擦桩，需将加长保持在 10m 以下，中砂中的摩擦桩则应将加长保持在 6m 以下。2.2 堆载预压沉降控制为满足工期和交通要求，拼宽处的新桥梁和旧桥进行CM&M 2023.0139参考文献1 邓学军.高速公路改扩建工程桥梁拼宽关键技术的调研 J.北 方交通,2013(3):67-69.2 杜惠东.基于混凝土收缩徐变和基础沉降理论的桥梁扩建方案 研究 D.昆明:昆明理工大学,2017.3 张福强.旧桥加宽桩基础沉降控制技术研究 D.西安:长安大 学,2008.4 王利民.公路改扩建工程桥梁加宽方案技术研究 J.价值工程,2019,38(29):91-93.5 王蒙蒙.高速公路改扩建工程梁桥加宽桩基础沉降差控制技术 研究 D.西安:长安大学,2019.6 韩波.公路旧桥加宽拼接方式对桥梁整体受力性能的影响 J.公路交通科技(应用技术版),2018,14(9):239-241.拼接前仅有较短的沉降时间，若地基质量较差，则只通过结构自重的短期沉降，难以符合要求。一般需要采取一定的处置措施，通过加载预压场地或上部结构等方式排除土体孔隙水，使其固结，以确保新桥在和旧桥拼接前就已经基本完成地基沉降。当预压时沉降满足要求后进行卸载，再拼接新旧桥。在地基加固中，堆载预压是最为常见的方式。综合上述分析及现有施工经验，笔者认为，对于端承桩而言，因其沉降较小，为此在施工时应加强对钻孔工艺和沉渣厚度的控制，并延长拼接接缝时间，尽早实施新桥的二期恒载，以控制沉降。对于摩擦桩而言，因其沉降相对较大，为此在施工时要加强对钻孔工艺和沉渣厚度的控制，在进行拼接之前应该尽早实施桥面铺装、护栏和堆载预压等施工，以对沉降做出有效控制。此外，还应加强对堆载期的观测，若上述措施作用下桩基沉降仍然不符合要求，则可通过在桩侧、桩端注浆的方式进行控制。3 新旧桥梁混凝土收缩徐变差控制3.1 湿接缝混凝土材料的选择在该高速公路桥梁拼宽时，通过浇筑 UEA 补偿收缩混凝土进行湿接缝的连接。结果显示，该湿接缝有较好的连接质量，搭接位置未出现裂纹，搭接底部无渗水情况出现。从现有的文献研究发现6，增大 UEA 膨胀剂掺量到一定值时，其强度随着不断增大的掺量会有所减小，因此掺量不宜过大，一般应控制在 15%以下。在（202）的水中进行 UEA 混凝土的养护时，该混凝土体积会由快到慢的不断膨胀，并在 14d 之后稳定在最大值（此时出现最大自应力值）。之后，再将其放置到有 60%70%相对湿度的环境里进行养护，其体积会不断收缩，自应力不断减小，直到保持稳定。通过微膨胀混凝土早期水养膨胀值，对后期干燥收缩值进行补偿，可以对混凝土变形性能进行改善。UEA 掺量不同时检测混凝土限制膨胀结果如图 6 所示。从图 6 可以看出，在 14d 内出现了 90%以上的限制膨胀，即该范围为补偿收缩的主要作用期，说明其具有快硬和早强的特点。鉴于此，推荐将 UEA 补偿收缩混凝土作为连接新旧桥湿接缝。3.2 确定合理拼接时间初期混凝土有较快的收缩徐变，6 个月时间便可以达到约 75%的徐变最终值，后续的增长较为平稳，在 3 年后保持稳定。因此，在确保工期和交通要求得到满足的前提下，为使收缩徐变对桥梁受力造成的影响尽可能减小，应尽可能延长桥梁拼接时间，推荐在新桥完工 6 个月后再连接新旧桥梁。此外，要加强早期养护，确保施工养护条件良好。4 结语本文以某高速公路预制板桥梁的拓宽施工为研究背景，从新旧桥梁的沉降差异和收缩徐变差异的角度，提出增大桩径、堆载预压、湿接缝材料选择和新旧桥拼接施工的合理时间等控制措施，得出以下结论：在控制新旧桥基础差异沉降时，嵌岩桩可通过增加接缝拼接时间、尽早施加二期恒载的方式控制沉降。而摩擦桩除了需要使用以上措施之外，还需适当增加桩长，在有较大压缩模量的土层中嵌入桩端，以控制沉降。对于处于较差土层特性的桥梁，还应同时进行堆载预压，并跟踪观测堆载期的沉降，以确定拼接的时间。针对初设时的摩擦桩桩长，建议在满足竖向承载力计算桩长的前提下，适当增大桩长。针对粉质黏土中的摩擦桩，应将其增加尺寸保持在 10m 以下。针对中砂中的摩擦桩，应将其增加尺寸保持在 6m 以下。通过 UEA 补偿收缩混凝土进行湿接缝的施工，可以控制混凝土的收缩徐变。在拼接时，若工期允许，应尽量保持新旧桥梁的连接在新桥完工的 6 个月之后。图6 UEA掺量不同时混凝土的限制膨胀混凝土限制膨胀率/（10-4）