透水性混凝土桩在桥头跳车处治中的适用性研究

于一凡，张宏博，黄大伟，宋修广

(1.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061;2.山东省路基安全工程技术研究中心，山东济南 250061)

桥头跳车是由于线桥过渡段的差异沉降使路面纵坡出现台阶引起车辆的跳跃现象。如何降低桥头跳车的危害一直是工程界关注的问题。工程中常用的一些方法，诸如设置桥头搭板［1］、强夯［2-3］、堆载预压［4-5］，以及碎石桩、搅拌桩、CFG桩等［6-8］均有一定成效;但由于上述方法各有各的适用条件，施工工期、施工成本也不尽相同，工程设计中仍期待线桥过渡段地基处理的新方法。本文结合济(南)东(营)高速公路的建设，对透水性混凝土桩在桥头跳车处理中的适用性进行了研究。

1 工程地质条件

济(南)东(营)高速沿线主要为黄河冲积平原区，该地区地势平坦，土层深厚，河滩高地与河间洼地纵横交错，河网密布，地表排水不畅。通过现场调查与资料分析发现:该地区地基土质以粉土、粉质黏土和粉砂等为主，地下水位一般为1.5～3.5 m，已修筑的高速公路工后沉降量较大，台背路基的工后基准期沉降量大都会超过15 cm，高填土路段甚至高达40 cm，引起较为严重的不均匀沉降。《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ 017—96)中规定，桥头的不均匀沉降应控制在10 cm以内［9］。正在修建的济东高速基本为填方路基，路基填筑高度一般在5 m以上，少数路段高达10 m;设计使用透水性混凝土桩处治桥头地基，因此有必要对透水性混凝土桩的承载力、布置方式及处置效果进行研究。

典型路段工程地质条件如表1所示［10］。

表1 济东路桩号K88+208位置处地质条件

2 透水性混凝土桩性能分析

2.1 透水性混凝土桩

透水性混凝土是由特定级配的集料、水泥、外加剂、增强剂和水等按特定比例和工艺制成的多孔混凝土。在实际工程中，透水性混凝土桩的成桩可使用振动沉管法。桩体抗压强度10～20 MPa，渗透系数一般介于0.1～1.5 cm/s之间。透水性混凝土桩桩体强度高，透水性强，兼具散体桩和刚性桩的优点，一方面利用其自身强度提高浅层地基的承载力，减小软土地基的总沉降量;另一方面，形成竖向排水通道，缩短排水路径，有利于压缩层在施工期的排水固结，尽可能多地消除工后沉降。

通过室内试验，在综合考虑桩体强度、透水性和水下抗分散性的前提下，设计出透水性混凝土桩的最佳配合比如表2所示。按此配合比拌合的透水性混凝土孔隙率可达到22%以上，透水效果较好，28 d抗压强度在10 MPa以上。透水性混凝土成桩及透水性试验示意如图1。

表2 透水性混凝土桩推荐配合比 kg/m3

图1 透水性混凝土桩室内成桩及透水性测试

2.2 透水性混凝土桩单桩承载特性试验［11］

在济东高速公路现场选取40 m×20 m区域，采用振动沉管法成透水性混凝土桩9根，桩径50 cm，桩长10 m，桩距5 m。成桩3月后，选取2根质量较好的桩做单桩承载力试验，以确定其单桩承载力极限值。

单桩承载力试验采用锚桩法，分别在选取的2根试验桩周围对称打4根锚桩，锚桩为钻孔灌注桩，桩径0.5 m，桩长10 m。

试验流程:试验进行分级加载，每一级荷载为40 kN，其中第一级取80 kN;每级荷载施加后按第5，15，30，45，60 min测读桩顶沉降量，以后每隔30 min测读一次;每小时内的桩顶沉降量不超过0.1 mm，并连续出现2次，可加下一级荷载。

当出现下列现象之一时，可终止加载:①沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围的土明显地出现隆起。②沉降急剧增大，压力—沉降(Q－S)曲线出现陡降段，或压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6%，或不小于100 mm。③当不出现极限荷载，而最大加载量已达到设计要求的2倍。

试验中当加载至第7级荷载时，2根试桩的竖向位移均陡然增大，因此终止加载，其压力—沉降(Q－S)平均值曲线如图2所示。

图2 单桩承载力Q－S曲线

由图2可知，透水性混凝土桩单桩Q－S曲线在荷载为240 kN之前，桩体竖向位移缓慢增大，240 kN时竖向位移约为2 cm。当荷载增大至280 kN时，竖向位移突增至4.3 cm，Q－S曲线发生陡降，曲线明显向下弯曲，240 kN位置为Q－S曲线的转折点，故可判断透水性混凝土桩(桩长10 m、桩径0.5 m)的单桩竖向抗压极限承载力为240 kN。

3 处治效果计算分析

3.1 建立模型

以济东高速桩号K88+208位置处的地质条件为例，使用理正岩土软件建立透水性混凝土桩地基处治模型，对该新桩型的布置方式及处置效果进行设计计算，分析其在小桥涵及大中桥桥头处治中的适用性。K88+208位置处路基设计高度为6 m，设计顶宽28 m，设计坡度1∶1.5。

图3 透水性混凝土桩平面布置(单位:m)

设计透水性混凝土桩的布置形式为等边三角形，桩径0.5 m，布置宽度为路基两侧坡脚各向外延伸1 m，布置范围为桥涵底部及两侧地基各30 m范围内，地基的30 m范围划分为A，B，C 3个过渡区，每个区的长度为10 m，如图3所示。加固区主固结沉降计算方法采用复合模量法，基底压力计算方法按多层土实际重度计算，计算时考虑弥补地基沉降引起的路堤增高量，透水性混凝土桩排水体当量直径折减系数为0.3，单桩承载力取240 kN，控制工后沉降在20 cm以内，差异沉降在10 cm以内。按此标准来设计桩长与桩间距，用理正软件建立的模型如图4所示。

图4 用理正软件建立的模型(单位:m)

3.2 小桥涵处治结果(表3)

从表3的处治结果中可以看出，透水性混凝土桩处治小桥涵的结果满足规范规定，即最大工后沉降15.8 cm(＜20 cm)，最大差异沉降4.8 cm(＜10 cm)，可以较好地控制桥头跳车问题。最大桩长12 m，振动沉管施工并不困难。由于小桥涵区域的换算密度较路基区域偏小，所以在桩距相同的情况下，过渡区A使用的桩长偏大。

表3 小桥涵处治结果(6 m高路基)

3.3 大中桥处治结果(表4)

从表4的处治结果来看，工后沉降及差异沉降同样满足规范规定。

表4 大中桥处治结果(6 m高路基)

3.4 不同路基填高小桥涵区处治结果(表5)

表5 不同路基填高小桥涵区处治结果

根据桩号K88+208位置处的地质条件，分析路基填高不同时，透水性混凝土桩处治桥头跳车的结果。

从表5可知，对于不同路基填高，透水性混凝土桩处治桥头跳车的结果满足规范规定，最大差异沉降仅为4.8 cm。但当路基填高为8 m时，最大桩长已增至15 m，此时振动沉管施工已比较困难，且易造成断桩，若考虑增大桩径又不经济;所以，透水性混凝土桩适宜处治8 m以下路基填高的桥头跳车问题。

4 结论

1)透水性混凝土桩兼具散体桩和刚性桩的优点，可提高地基的承载力，加速压缩层在施工期的排水固结，减小工后沉降。

2)透水性混凝土桩可有效控制8 m以下路基填高的小桥涵与桥头路基的差异沉降，但对于大中桥下部地基处治并不适用，可用于处治大中桥桥头地基。

3)透水性混凝土桩相比同等直径与桩长的浆喷桩、碎石桩，其单桩承载力明显偏大，对于软土地基及地下水位较高的湿陷性黄土地基处的小桥涵修建十分适用。

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