CFG桩+泡沫混凝土解决软基桥头跳车的联合推广探讨

发布时间:2022-05-03 17:15:00 论文编辑:vicky

本文是一篇工程硕士论文,论文针对软土地区的路桥过渡段由于差异沉降造成的桥头跳车问题,提出用CFG 桩复合地基加固软基,联合台后换填泡沫混凝土的方案,以达到缓解桥头跳车问题的目的。通过有限元模拟的方法验证该方案的可行性和有效性。基于福州市一个路桥过渡段工程,分别建立道路纵断面的天然地基与 CFG 桩复合地基模型进行加载分析,并将沉降模拟结果与道路横断面模型以及工程沉降监测值进行对比。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景

改革开放以来,随着国民经济的快速增长,公路系统越发彰显了作为经济大动脉的作用。伴随日益增长的交通出行需求,我国的高速公路建设在飞速发展,但是,从现有统计资料来看,在公路建设工程中存在着不少的问题,其中路桥过渡段出现的桥头跳车问题最为常见。该问题主要表现为车辆高速通过时会产生颠簸,严重时甚至会发生跳跃。桥头跳车问题不仅威胁乘车的舒适性和安全性,同时,车辆在通过时的跳跃对道路施加了额外的冲击载荷,也会导致路桥结构的磨损加快,增大了道路养护成本。据统计,在美国存在桥头跳车问题的桥梁占总数的 1/4,由此导致的每年的维修费用高达 1 亿美元[1]。桥头跳车问题目前已经是困扰工程界的一大难题,造成该问题的原因主要包括以下几方面:

(1)地基的固结沉降

路面的沉降主要包括路基填料的压缩沉降与地基的沉降变形。桥头跳车问题多发生于河谷,海滨等地形区域,且多为软土地基,具有高压缩性,高含水率的特点,在施工过程中,上部路堤的自重会造成地基的沉降变形,在通车运行后,在车辆荷载作用下,地基还会继续固结沉降,且持续较长时间,使桥台与路面的差异沉降逐渐加大。

(2)路基的压缩变形

台背路基的变形受填料的性质、施工过程中台后的压实程度等因素的影响,台后填料若是自重大、抗压缩性弱的材料,那么对地基的附加应力也大,在后期行车荷载与自重作用下的沉降变形也会变大;在施工过程中可能由于台后回填范围较小,机械压实作业面狭小,会有一定的压实盲区,使台后填料达不到要求的固结度。

(3)结构物的刚度差异

路桥过渡段的差异沉降主要表现在桥台结构物与路面的沉降差,这是由于桥台属刚性结构物,相对于路基路面刚度极大,因此桥台自身发生的变形极小,且桥梁结构对基础要求很高,一般桥台下都有桩柱基础支撑,保证桥台的稳定性,相对来说路基路面本身的刚度较小,土体松散属柔性体,在相同车辆荷载作用下,沉降变形不等,路面的沉降较大,导致了桥台与路面的差异沉降。


1.2 国内外研究现状

1.2.1 桥头跳车问题的处理措施研究

在一些地区,由于地质条件的差别,一些桥梁,道路等构筑物建立在软土或者其他承载力弱的不良土层上,那么如何保证坐落在上面的构筑物的安全和稳定,避免桥头跳车等问题的出现,是国内外学者一直在重视研究的问题。经阅读文献统计,对于软基桥头跳车的治理,多从以下几方面进行研究。

(1)软基处理

据研究统计,软基的加固方法包括排水固结法、强夯加固法以及复合地基法等。徐宏、邓学均等[2]通过工程试验、理论计算与有限元模拟相结合对比分析,研究总结了采用真空预压法提高软土强度的规律。陈兰云、朱建才、谢弘帅等[3][4]通过工程现场的检测结果,验证了真空-堆载联合预压加强软基强度的可行性和有效性。陈超等[5]采用 abaqus,建立三维模型模拟,研究了强夯加固回填土地基的振动影响范围,并且研究结果与实测数据相吻合。滕前良等[6]建立二维模型,进行动力有限元模拟,研究得出了强夯加固的有效范围、最佳锤击次数。LI  M  Y[7]采用数值模拟的方法,针对新旧路堤的沉降问题,分析了不同参数的深层搅拌桩复合地基对路基的沉降影响。LEI  J[8]采用模拟与现场检测相结合的方法,研究了京沪高铁 CFG 桩加固区工程,并进行桩参数的影响分析,结果显示桩径和桩长的合理设置,能更好的减小路基的沉降量。Shang Y 等[9]理论与实践相结合,研究桩网复合地基加固路段的沉降变形,以及上部施加荷载时,桩基应力,孔隙水压力的变化规律。Xiong  B 等[10]以公路拓宽工程中的桩基工程为背景,进行数值模拟,分析桩参数以及地基弹模参数的影响,结论显示桩长需控制在一个关键的范围,不应过大,增大桩的弹性模量,同时相应减小桩距,可以使沉降的减小趋势平缓。李然、王凡俊等[11][12]建立路桥过渡段模型,分析水泥搅拌桩复合地基对桥头跳车的影响,具体分析了桩各个参数、桩长变化率对于桥头跳车的影响。 

(2)轻质回填

桥台台背路基填料对桥头跳车的影响颇大,其自重与本身的压缩变形能力对桥头跳车问题的严重性有决定性的影响,因此对于填料的研究主要是优化其自重与自身的抗压缩性能。现在多用泡沫混凝土(又名轻质混凝土)、轻质聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene 简称 EPS)块体材料或土工织物材料、粉煤灰等轻质材料换填处理。沈正等[13]采用 abaqus 建立软基路桥过渡段模型,台后填筑固化粉煤灰与粉质粘土,观察工后沉降变形,结果显示轻质材料固化粉煤灰在台后的应用,可以减少工后路面沉降以及搭板与引道的差异沉降。Raju  Acharya 等[14]在路基中添加轻质 EPS 土工织物进行数值模拟,并且进行实践监测,验证了该种方法的有效性。Tae-Hyung  Kim  等[15]在道路扩建工程中采用轻质混凝土进行填筑实践,根据试验段的检测结果显示,其工后沉降远小于工后允许沉降值。Yoshiaki Kikuch 等[16]在熊本港口工程中,分别填筑泡沫轻质土和 EPS 材料,进行沉降对比分析,验证它们的可实施性,并且结果显示泡沫轻质土的可实施性更高。Watabe Yoichi 等[17]以机场跑道工程为试验场,在其中填筑泡沫混凝土,而后研究其路面沉降与时间的关系,发现了泡沫混凝土可作为很好的填筑材料。


第 2 章 基本理论概述


2.1 CFG 桩复合地基

CFG 桩,全称为水泥粉煤灰碎石桩(Cement  Fly-ash  Gravel  pile),CFG 桩复合地基是由 CFG 桩桩体、桩间土和褥垫层组成,共同发挥作用的,如下图 2-1 所示[45]。

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2.1.1 加固机理分析

CFG 桩复合地基对软土地基的加固,一般通过以下几方面来实现。

(1)桩体作用

复合地基承载时,应力会随着土体的变形集中于桩体上,因此大部分荷载会被桩体承担,沿桩体直接作用在桩端持力土层上,CFG 桩桩体的弹性模量与强度都远高于桩间土,其抗变形性能也更强,此时桩间土分担的荷载减少,地基沉降变形得到抑制。

(2)排水固结

CFG 桩桩体施工时,会形成细小的排水管道,对于桩间土有良好的排水作用,加速土体的沉降固结。并且褥垫层的渗透性良好,进一步加速土体排水,提高土体稳定性。

(3)桩对土的约束作用

在天然土体中打入 CFG 桩桩体后,CFG 桩会对桩间土体产生一定的约束力,大大降低土体的横向变形,增强土体的抗侧向变形能力,同时也减小了桩间土的竖向变形,提高了地基的承载能力。


2.2 泡沫混凝土

泡沫混凝土作为一种新型轻质材料,是一种典型的多孔隙土工材料,具有自重轻、保温性能好、隔音、减震、环保等多方优点,近年来在建筑工程领域得到了广泛的应用[50]。

2.2.1 泡沫混凝土在路基沉降中的应用机理分析

(1)减重效应

在道路工程中,常见的预防桥头跳车的方法是加固地基,或者搭设桥头搭板,但是随着道路投入使用的时间加长,桥头跳车问题依然会发生,甚至还可能产生二次跳车问题。而后期的桥头跳车问题的修复,多是在差异沉降的位置加铺路面,平衡沉降差,但是同时也产生了新的附加应力,使地基的承载加大,出现新的不均匀沉降,采用这种方法治理桥头跳车问题,无疑是一个恶性循环。而泡沫混凝土最大的一个优点就是自重轻,对地基产生的附加荷载相对普通填料小得多,因此过渡段的沉降差会减小,进而有效缓解桥头跳车问题。

(2)刚度修正效应

桥头跳车问题主要是路基与桥台的刚度差异导致的,因此对于桥头设置搭板的方法,从机理上分析其实是一种刚度过渡的方法,搭板其实是介于其二者之间的一个刚度材料,在过渡段起到一个暂时平缓纵坡变化的作用。但是随着车辆的反复冲击,搭板的断裂问题、搭板末端的沉降而产生的二次跳车问题接连出现,使得需治理的问题更多,投入也加大。而采用泡沫混凝土填筑过渡段路基时,是现场阶梯状浇筑的,同时每层的厚度递减,以此保证每层的有效刚度是递减的,达到路桥刚柔过渡的效果。


第 3 章 CFG 桩复合地基的有限元分析 ...................................... 15

3.1 岩土工程有限元分析的适用性 ......................... 15

3.2 工程概况 ............................... 16

3.3 有限元模型的建立 .......................... 17 

第 4 章 台后换填泡沫混凝土有限元分析 ................................. 27

4.1 台后换填的必要性 ................................. 27

4.2 CFG 桩+泡沫混凝土有限元模型的建立 .............................. 28

4.3 有限元模拟结果分析 .................................. 29

第 5 章 CFG 桩+泡沫混凝土的参数影响分析................................ 35

5.1 CFG 桩复合地基的参数影响分析 ................................ 35

5.1.1 桩长的影响分析 .......................................... 35

5.1.2 桩径的影响分析 ........................................ 40 


第 5 章 CFG 桩+泡沫混凝土的参数影响分析


5.1 CFG 桩复合地基的参数影响分析

5.1.1 桩长的影响分析

所建模型依据的是福州市的一个 CFG 桩复合地基工程,经过工程土层性质、承载力要求以及沉降要求,确定本工程选用的是 16.5m 的桩长,现在控制桩长为单一变量,由于在福建地区工程中常用的灌注设备,能灌注的最大深度为 18m,故桩长最大参数选择 17.5m,令选用桩长 16m、16.5m、17m 进行建模对比分析,设计方案见下表 5-1 所示,方案编号为 1、2、3、4。

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由于桩长较小时,CFG 桩加固的地基土体较浅,加固范围也较小,而随着桩长的增大,CFG 桩加固的土体深度随之增大,此时桩对于土体的挤密范围也会扩大,进而提高地基的承载力,减小土体的竖向沉降。但是通过分析可知,随着桩长的增大,沉降的减小变化越来越弱,可知一味的增大桩长对于土体沉降的治理效果不是一直叠加的,需合理的选取桩长,在保证加固地基减小沉降的基础上,避免工程成本的增加,材料的浪费。


结论与展望


结论

论文针对软土地区的路桥过渡段由于差异沉降造成的桥头跳车问题,提出用CFG 桩复合地基加固软基,联合台后换填泡沫混凝土的方案,以达到缓解桥头跳车问题的目的。通过有限元模拟的方法验证该方案的可行性和有效性。基于福州市一个路桥过渡段工程,分别建立道路纵断面的天然地基与 CFG 桩复合地基模型进行加载分析,并将沉降模拟结果与道路横断面模型以及工程沉降监测值进行对比,验证 CFG 桩复合地基的有效性和有限元模拟的可靠性,然后建立台后换填泡沫混凝土的土体模型,添加相同载荷,验证所提方案的优越性,并且研究了相关参数对于沉降的影响,最后进行了动力响应分析及参数影响分析。基于上述研究,得出以下结论:

(1)CFG 桩复合地基对软基的加固效果良好,相较于天然地基的工期沉降降低了 86%,工后沉降降低了 78%,并且与该路桥过渡段的横断面加载模型进行沉降对比,相同载荷条件下,相同节点处的沉降值相差极小,且与该工程一年的观测沉降值相比,在通车前两个月沉降偏大,可能是由于道路通车初期车流量较小,模拟时荷载预估偏大的原因,在之后的沉降逐渐贴合实际监测结果,整体误差在接受范围之内,表明有限元模拟的结果具有一定的参考性。但是观察近桥台端的错台高度为 2.98cm,车辆通过时仍有颠簸感,跳车问题并没有有效缓解。

(2)基于 CFG 桩复合地基模型,在台后呈阶梯形换填泡沫混凝土,按规范道路使用年限模拟加载 15 年,相较于台后回填普通填土,桥台与路面的台阶型沉降值大约减小了一半,且最终的错台高度控制在了 1.5cm 之内,车辆通过时几乎无颠簸感,且台后路面沉降随着离桥台的距离加大,而逐渐增大,无突变沉降,道路纵坡符合规范要求,桥头跳车问题控制良好。

(3)选取不同的桩长、桩径、桩间距进行单一变量分析,结果显示,土体沉降会随桩长、桩径的增大而减小,但是沉降减小趋势越来越小,说明桩长和桩径增大到一定量值,对沉降的影响会越来越小,在施工中只会造成资源的浪费和成本的增加,而随着桩间距的增大,工后沉降与路面沉降会呈现增大的趋势,且增长趋势是先缓再陡再缓,在工程中要选取合适的桩间距,以确定合适的桩体数量,在保证地基承载力的同时,也要考虑工程的成本造价。

参考文献(略)

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