论文指导

路桥过渡段CFG桩地基处理及参数优化研究

摘    要:为完善路网结构在城市中往往需要设置跨河或跨江桥梁,桥头跳车问题越来越受到关注。本文以玉林市金玉路桥为例,设计采用CFG桩对过渡段进行地基处理,采用有限元分析方法对关键的桩长及桩间距参数进行优化研究。研究结果表明:随着桩深度的增加有效应力逐渐加大,当深度最高即在桩顶位置时,有效应力值达到最大;最大竖向位移随着施工过程外力作用下产生变化,在施加CFG桩后竖向位移变小,土体沉降得到较好控制;随着行车荷载的施加,土体受压沉降增大,固结半年后最终整个模型位移趋于稳定。桩长并不是越长越好,而应该根据实际地质条件确定;随着桩间距的增加,桩身轴力随之增大,针对本工程,采用桩间距为1.2m为最佳参数,所得结论对于今后类似工程的设计提供参考。
 
关键词: CFG桩; 复合地基;过渡段;桥头跳车;优化;数值模拟;
 
Study on Foundation Treatment and Parameter Optimization of CFG Pile in Road-
Bridge Rransition Section
Zhai Lin
Chongqing Jiaotong University Engineering Design and Research Institute Co, Ltd, Yulin
Branch
 
Abstract:
In order to improve the road network structure, it is often necessary to set up cross-river or crossriver bridges in cities, and the problem of vehicle bumping at bridgehead has been paid more and more attention.In this paper, taking the Jinyu Road Bridge in Yulin City as an example,CFG piles are designed to treat the foundation of the transition section, and the finite element analysis method is used to optimize the key pile length and pile spacing parameters. The results show that the effective stress increases gradually with the increase of pile depth. When the depth is the highest, that is, at the top of the pile, the effective stress reaches the maximum; The maximum vertical displacement changes with the external force during the construction process. After the CFG pile is applied, the vertical displacement decreases and the soil settlement is well controlled; With the application of driving load, the compression settlement of soil increases, and the displacement of the whole model tends to be stable after consolidation for half a year. The pile length is not the longer the better, but should be determined according to the actual geological conditions; With the increase of pile spacing, the axial force of pile body increases. For this project, the pile spacing of 1.2m is the best parameter. The conclusions can provide reference for the design of similar projects in the future.
 
Keyword:
CFG pile; Composite foundation; Transition section; Bump at bridgehead; Optimization; Numerical simulation;
 
为完善路网结构在城市中往往需要设置跨河或跨江桥梁,极有可能在路桥过渡处出现沉降差,出现桥头跳车情况,产生严重安全隐患[1,2,3]。为此,诸多研究人员专门针对这类问题进行了分析,并提出不同类型的处置措施。卢兰萍等[4]为了减小路桥过渡段的差异沉降,缓解软土地区的桥头跳车问题,提出了一种采用CFG桩复合地基联合换填泡沫混凝土加固软基的方案。涂义亮等[5,6]为了解决因软土路基不均匀沉降引起的桥头跳车问题,提出了侧向粉喷桩变刚度非开挖处治方案及旋喷桩复合地基变刚度非开挖处治技术,采用三维数值模拟对设计方案进行了分析验证[6]。
 
综上所述,目前桥头跳车问题已引起诸多研究人员的关注,但由于不同工程地质条件造成实际处理措施的巨大差异,为此本文以玉林市金玉路桥为例,采用有限元分析方法对CFG桩复合地基处理及参数优化进行研究,以期对将来类似工程提供借鉴。
 
1 工程概况
1.1 工程背景
玉林市金玉路桥跨越南流江与江滨路和沿江东路相交。拟建桥梁为7墩(台)6跨,跨度在20~25m间,桥面为拱形,矢高约1.10m,桥两端桥面高程80m,桥中为81.10m,设计桥宽37m,为预应力小箱梁结构,拟采用灌注桩。两端引桥为按一般路基设计,设计路宽37m,北端引桥段设计路面标高:K0+000~K0+072.53为75.584m~75.187m,K0+072.53~K0+249.85段为75.187m~80.00m;南端引桥段设计路面标高:K0+390.85~K0+459.907为80.00m~77.712m。
 
根据航拍图(图1),金玉路规划线位处南流江江面较宽,为128.7m,河道岸口至北侧金玉路与规划江滨路交叉中心75.4m,北岸岸口距离江滨路有65-97m河滩,河道岸口至南侧金玉路与规划沿江东路交叉中心40.8m,南岸岸口距离沿江东路有31m河滩,周边地形较为平坦。为了满足行洪要求桥梁应适当拓宽桥梁附近河道宽度,以增大该处河道的过水断面面积,并适当加大桥梁长度确保过水断面满足防洪要求。
 
1.2 自然地理特征
道路沿线场地位于属溶蚀准平原上的河流阶地,金玉桥横跨南流江,两岸阶地较平缓,高程在74~78m间,河床切割深度约6~7m,河床底高程多在71~72m间,河水面宽约120m,水深1~3m不等,因下游较远处筑有水坝,水流缓慢,北岸坡较缓并植被茂盛,南岸坡已进行混凝土护坡(坡度约45度)。南北两岸为简易的混凝土路或土路,零星分布有低矮的民房。经钻探揭露,场地岩土层自上而下主要有素填土(1)、粉砂(2)、淤泥质黏土(3)、黏土(4)、石灰岩(5)、石灰岩(6)。
 
2 CFG桩复合地基有限元分析
2.1 CFG桩复合地基参数选择
采用CFG桩复合地基作为道路与桥梁过渡段的软基加固方案,桩身强度为C15,桩径为40cm,桩长选择12m,梅花型形布置,选取石灰岩(6)作路基持力层;桩间距为1.5m,褥垫层为0.5m。
 
2.2 有限元模型的建立
有限元分析所采用的参数见表1。计算路面宽30m,土体模型的横向取50m,竖向取40m。
 
计算模型均选用平面应变模型,模型约束条件取标准约束条件,即模型左右两边约束水平位移,底部限制两个方向的位移。采用摩尔-库伦模型,模型中CFG桩桩长为12m,桩间距为1.5m,按汽车标准轴载进行加载。该模型具有的单元总数为13936个,节点数为12541个,模型图见图2。
 
2.3 计算结果分析
图3为CFG桩复合地基施工完成后固结半年的竖向位移云图,由该图可以看出,路堤填土处的沉降是最大的,从上至下的沉降逐渐减小,符合实际工程现状。与此同时,经计算,地层初始状态最大竖向位移为26.4cm,施做CFG桩后最大竖向位移为0.691cm,施加行车荷载后最大竖向位移为5.41cm,固结半年后最大竖向位移为6.08cm。可见,最大竖向位移随着施工过程外力作用下产生变化,在施加CFG桩后竖向位移变小,土体沉降得到较好控制;随着行车荷载的施加,土体受压沉降增大,固结半年后最终整个模型位移趋于稳定。
 
3 CFG桩参数优化研究
3.1不同桩长处理效果分析
为了分析不同桩长处理效果,分别对9m、12m、15m、18m和21m五种不同桩长进行模拟分析。五种不同桩长采用的桩间距均为1.5m。加载条件、模型约束条件、地质参数以及建模方法与3.2节中相同。由图4可以发现,随着桩长的增加,桩身轴力逐渐增大,轴力沿着桩身的变化趋势保持一致,先是沿桩身逐渐受压增大,至桩身一定深处时达到最大,随后突然减小;与此同时,可以看出,随着桩长的增大,桩土应力比逐渐增大,但桩长在9m增加至12m时桩土应力比增加幅度最大,后续桩长的增加变化幅度相对平缓。因此可以看出,桩长并不是越长越好,而是应该根据实际地质条件确定,当桩长长度已经深入坚硬持力层时,轴力变化幅度不大,桩土应力比变化幅度也缓和。
 
3.2 不同桩间距处理效果分析
为分析不同桩间距在过渡段处理的效果,分别对1.2m、1.5m、1.8m和2.0m四种不同桩间距进行模拟分析。四种不同桩间距均采用的桩长均为12m,加载条件、模型约束条件、地质参数以及建模方法与3.2节中相同。由图5可以发现,随着桩间距的增加,桩身轴力随之增大,轴力沿着桩深的变化趋势保持一致,沿着桩深增加,轴力首先逐渐受压增大,至桩深约11m处时达到最大,随后下部轴力突然转折减小;与此同时,可以看出,随着桩间距的增大,桩土应力比逐渐增大,桩间距为1.2m时最小,其余桩间距工况桩土应力比相差幅度不大。由此可见,针对本工程,采用桩间距为1.2m更为合理。
 
4结论
本文以玉林市金玉路桥为例,采用有限元分析方法对CFG桩复合地基处理关键参数进行优化研究,得出以下结论:
 
4.1随着桩深度的增加有效应力逐渐增大,当深度最高即在桩顶位置时,有效应力值达到最大;最大竖向位移随着施工过程外力作用下产生变化,在施加CFG桩后竖向位移变小,土体沉降得到较好控制;随着行车荷载的施加,土体受压沉降增大,固结半年后最终整个模型位移趋于稳定。CFG桩复合地基处理能够有效处置桥头跳车问题。
 
4.2变化桩长及桩径这两个关键因素对CFG桩复合地基加固进行参数优化,发现桩长并不是越长越好,而应该根据实际地质条件确定;随着桩间距的增加,桩身轴力随之增大,针对本工程,采用桩间距为1.2m为最佳参数。
 
参考文献
[1] 李玉华.桥头跳车对路面结构的冲击效应研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2022,41(02):76-83.
[2] 张科超,王博,刘海强.桥头跳车现象对车辆乘员舒适性的影响[J].公路交通科技,2022,39(01):146-151.
[3] 张丽伟.道路与桥梁连接处的施工技术要点[J].工程机械与维修,2021,296(01):58-59.
[4] 卢兰萍,张宇超,李明勋.CFG桩+泡沫混凝土解决软基桥头跳车的联合应用研究[J].河北工业科技,2021,38(06):528-534.
[5] 涂义亮,方忠,徐建强,柴贺军,李海平.侧向粉喷桩变刚度处治桥头跳车效果研究[J].地下空间与工程学报,2021,17(04):1201-1208.
[6]涂义亮,王星驰,柴贺军徐建强,李海平,余佳玉.旋喷桩复合地基变刚度处治桥头跳车效果[J]东南大学学报(自然科学版),2021,51(04):588- 595.