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1高陡横坡条件下桩柱式桥梁设计与施工技术研究1研究背景和任务来源随着国家西部开发战略的大力实施,西部高速公路建设发展迅速。而山区的地形地貌、工程水文地质条件十分复杂,为满足公路线形的需要以及保护自然环境,高陡横坡地段多采用桩柱式桥梁,此时由于高陡横坡与桥梁基础的复杂作用,给桥梁设计施工带来巨大的困难,而相应的施工与设计尚缺乏相应的规范指导。高陡横坡段桥梁基础的复杂性主要表现在基桩受荷系统、基础与桥墩承载机理的及高陡边坡与桥梁的相互作用上:①各基桩不仅要承受侧向岩(土)的水平抗力,同时须承受来自上部的轴向与水平荷载作用,属于典型的轴、横向共同受荷桩(或倾斜受荷桩);②由于受力环境的特殊及桩岩(土)体系相互作用的复杂性,高陡横坡桩基的承载及桩柱式桥墩承载机理十分复杂,主要体现在桩侧摩阻力和桩端阻力的影响因素及发挥机理上;③同时桩侧岩(土)的抗力分布规律的复杂性,特别是由于陡坡的存在,外侧岩(土)体对桩身水平抗力的形成机理、分布规律及影响范围十分复杂;④由于高陡边坡与桥梁的相互作用,高陡边坡由于在施工与运营过程中承受复杂动静荷载反复作用,从而使得其变形将出现非线性及大变形特性,可能出现滑坡等危害,从而危及桥梁基础甚至上部结构的正常运营,故高陡横坡段桩基的防护与加固也是急需解决的问题。2项目研究目标通过本课题的研究将解决高陡横坡段桩柱式桥梁基础的桩-桩及桩-岩(土)之间的相互作用机理、基桩内力与位移计算方法、边坡的破坏模式及防护加固设计、桩柱式桥墩设计以及工程质量监控等关键问题,从而形成山区高陡横坡段桩柱式桥梁设计与施工关键技术体系,为我国山区公路桥梁建设提供技术支持。3项目完成情况本课题组对高陡横坡条件下桩柱式桥梁展开了深入研究,课题从室内模型试验、理论分析、现场依托工程三方面入手,全面分析了高陡横坡段桩柱式桥梁桩基在复杂荷载下的2荷载传递过程、桩-桩及桩-岩(土)之间的相互作用机理、边坡的破坏模式以及桩柱式桥墩的承载模式,从而得出合理的高陡横坡桥梁桩基的内力计算方法、边坡防护与加固技术、桥梁结构的施工控制与质量检测技术。经过三年的辛勤努力,项目组圆满地完成了任务书中的各项工作。本研究项目的实施与完成,将在很大程度上改变目前存在的设计施工缺乏相应指导的现状,项目研究成果对我国西部山区类似的桥梁建设将具有相当重要的参考和指导意义。同时,由于高陡边坡的普遍性,本项目研究成果除可在山区公路领域推广应用外,也可被铁路、城市建设广泛借鉴,应用领域和前景十分广阔。4取得的研究成果4.1高陡横坡条件下桥梁桩基承载机理本课题深入探讨陡坡段桥梁基桩承载机理和受力特性,对陡坡段桥梁基桩的承载机理进行研究,并针对该类陡坡段桥梁基桩所处复杂环境的影响因素进行分析其受力分析应把握以下几个方面:(1)高陡横坡段桩基多为公路沿河谷岸行进建在岸坡上的基桩,边坡的侧向土压力作用于刚度较小的横桥向,桩顶约束的减弱使得桩基的受力更加的不利。边坡上覆土层强度较弱,且极易受到扰动而破坏,在受力分析时,应对“稳定岩层厚度”以上地基抗力进行折减或忽略,以提高相应安全储备。(2)由于双排桩结构复杂的桩土相互作用,桩土的整体受力分析非常困难,可考虑对边坡侧向土压力进行合理的假定,对桩间土作用力进行一定的简化,变“被动桩”为“主动桩”,采用弹性地基梁法进行计算,考虑部分的桩土相互作用,使得计算分析过程得以简化。(3)边坡稳定性及桩基竖向荷载大小的不同,使得它们相互影响产生的受力性状也有很大的区别。在确定基桩竖向承载力时,应同时考虑边坡的稳定性及桩基的承载性状,使两者都得到满足。4.2高陡横坡条件下桥梁桩基础计算方法充分考虑桩土的位移协调以及桩土受力体系自身的内力分配与平衡,建立了基桩受力分析模型,如图1所示。3进而得到前、后桩各特征桩段的平衡微分方程:前、后桩嵌固段:422335442ddd()0dddxxxkzkzxxzzz利用有限差分法及幂级数法对基桩各特征桩段平衡微分方程进行求解可得到双桩结构内力与位移分析的最终解答。hH任意分布的滑坡推力主动土压力弹簧主动土压力后桩前桩P0P1Q0Q1xzx-dxzdzMP(z)QP(z)+dPM+dMQ+dQqzp(x,z)图1双桩与桩周土相互作用模型及微元受力分析4.3高陡横坡条件下桩柱式桥墩稳定性分析及优化设计山区高陡横坡条件下桥梁桩基一般采用嵌岩桩,在外力作用下基础的变形非常小,故可将墩下的桩基础视为固结。而墩顶处,需要分别考虑施工阶段和成桥阶段两种情况:(1)在施工阶段。桥墩相当于一悬臂结构,墩顶处位移和转角均未受约束,可认为是自由端,故高陡横坡条件下桥梁桩基可以简化为下端固结、上端自由的轴向受压杆模式;(2)在成桥阶段。设置在梁体与墩顶之间的板式橡胶支座或者四氟滑板式橡胶支座一般具有较大的摩阻系数,使得墩顶的主要约束为支座对墩顶的水平位移和转角位移的约束,桥墩处可认为是某种弹簧支承的形式,则高陡横坡条件下桥梁桩基可以简化为下端固结、上端弹性约束的轴向受压杆模式。本课题针对高陡横边坡条件下桩柱式桥墩稳定性分析研究,结合模型试验与理论分析,分析其失稳模式,确定失稳条件与极限荷载,并通过对比分析不同墩柱高度、边界约束条件、墩桩刚度、横系梁位置等参数下桥墩的承载性能,提出合理的设计参数。4.4高陡横坡条件下桩柱式桥梁模型试验及现场试验4.4.1模型试验4依托张花高速公路某双排桩柱式桥梁基桩,设计并完成了不同坡度、墩柱高度等条件下的高陡横坡段桥梁双桩结构室内模型试验。通过量测受荷过程中桩身内力分布和桩周地基抗力的分布规律,分析不同坡度及荷载条件下双桩结构的承载机理和变形特性。油压千斤顶反力架嵌固层加载砝码坡体百分表后桩前桩2l1lh前柱后柱坡面12345应变片12cm12cm12cm15cm15cm系梁滑轮双排桩柱坡顶加载百分表图2室内模型试验示意图153045607590105120-60-40-2002040600.6m-后柱0.9m-后柱1.2m-后柱0.6m-前柱0.9m-前柱1.2m-前柱墩柱弯矩/N.m测试点到墩柱顶距离/cmy=96.00x2-84.75x+42.12R2=1.00y=96.00x2-90.01x+40.86R2=1.00y=-7.34x-35.96R2=1.00y=-7.61x-38.97R2=0.99-60-40-2002040600.50.751柱桩长度比(h/l)墩柱顶、底弯矩/N.m后柱底前柱底前柱顶后柱顶图3室内模型试验结果曲线4.4.2现场试验在张花高速公路泗溪河一桥6#墩中的桥梁桩基中埋设了土压力盒、钢筋应力计以及在桩侧埋设了测斜管以观测前、后桩桩身内力、变形及桩侧土压力的变化发展规律。根据工程进度不定期的采集了多组数据,并及时分析讨论,反馈给施工现场,为其提供技术指导。5图4泗溪河一桥6#墩现场概况图56-1#桩侧测斜管变形4.5高陡横坡条件下桩柱式桥梁桩基三维数值模拟分析针对高陡横坡段桥梁双桩结构的空间效应及桩土相互作用的复杂性,采用ADINA有限元软件,在考虑桩土接触的非线性及桩周岩土体弹塑性的基础上,进行三维数值建模和计算。图6有限元分析模型图7竖向荷载下边坡竖向应力场4.6高陡横坡条件下桩柱式桥梁防护加固技术高陡横坡段桥梁桩基的安全防护方案设计应区别于高陡横坡安全防护设计与普通桩基设计,高陡横坡安全防护设计重点是保证边坡在自身条件或加固条件下安全系数能够满6足工程设计规范要求,同时应做好坡面防护工作,普通桩基设计则应在考虑桩身强度与地基承载力基础上使其在竖向与横向两个方面满足承载力与变形要求,而高陡横坡段桥梁桩基设计除应同时满足上述两者设计要求外,尚需考虑边坡剩余下滑力及桩周土压力等对基桩产生的水平推力,以及由于坡面非水平而导致的土体水平抗力的弱化等一系列问题。(1)不计桩侧抗力土层深度h的确定根据基桩受力特性及国内外已有桩侧土体抗力影响范围试验资料集工程实际经验,通常可认为桥梁桩基距离陡坡临空面距离大于3d时,桩前岩(土)体可对基桩产生有效的水平抗力,而当距离小于3d时,桩前岩(土)体难以对基桩提供可靠的水平抗力。因此,设计时将原地表面(即埋深计算起始面)进行适当降低,降低至桩侧距坡面水平距离为3d的位置,则上部埋深h=3dtan的范围内视为临空面,在计算基桩水平承载力时不予计入其抗力,而应从埋深h处计算基桩埋置深度。(2)桥位以上陡坡高度H的确定针对本报告分析的重点是桥梁桩基所处边坡段,则相应的桥位以上陡坡高度H可取基桩计算埋深截面处至基桩所处边坡段的顶部或出现缓坡处,其能在体现不计桩基下侧h=3dtan深度范围内土体抗力基础上,同时反映桩基在高陡横坡段所处位置不同对计算分析与安全防护方案确定的影响。此外,对于所分析的高陡横坡段桥位以下的边坡应根据桥梁桩基所处上、中、下位置的不同进行适当调整。(3)桩基下坡面弃土堆载对基桩产生影响的深度确定高陡横坡段桥梁桩基在施工过程中可能对桩基周围一定范围内的边坡产生一定程度的破坏,此外,桥梁桩基下侧边坡可能堆积一定厚度的施工弃土,若弃土处于陡坡段底部,则其对桩基安全稳定性影响较小,若弃土距离桩基较近,则其一旦失稳可能对桩基稳定产生较大影响。根据桥梁桩基大量计算结果可知,钢筋混凝土桩的桩-土变形系数一般在0.3~0.6之间,而横向受荷桩在地面以下4.0/处桩身的内力和位移几乎为零,即相当于在地面以下13.3~6.7m处基桩与边坡的相互作用影响几乎不存在。因此,本设计原则中取基桩与边坡的相互影响深度为基桩计算表面以下10m,对于高陡横坡,若从基桩与坡面交点处O点算图8陡坡段桥梁桩基计算图示7起,则基桩下部坡面有弃土堆载时,会对基桩产生影响的深度为(3dtan+10)m,其沿坡面的长度可通过坡度计算得到。(4)高陡横坡段不同部位的桥梁桩基安全防护分析原则桥梁桩基在陡坡中所处位置不同,其相应的受力与安全防护设计也不同,当桥梁桩基处于陡坡上部时,桩基下侧边坡不仅对基桩水平抗力影响较大,而且其稳定性直接影响基桩的稳定性和安全性,一旦失稳将可能导致桥梁桩基出露、临空,此时应加强对桩基下侧边坡的安全防护措施,在一般高速公路边坡防护等级基础上提高一个等级;当桥梁桩基处于陡坡中部时,桩基上侧受陡坡推力较大,而下侧稳定性对其水平抗力影响较大,此时应加强桩基附近的上、下侧边坡的安全防护措施,防护等级分别提高一个等级;当桥梁桩基处于陡坡下部时,桩基上侧边坡应加强防护,以防止因上侧边坡失稳而影响公路通行,并同时对基桩产生较大附加推力,因此对桩基上侧边坡安全防护等级应进行适当提高,下侧边坡可按一般高速公路边坡安全防护等级进行设计。(5)高陡横坡段不同部位的桥梁桩基安全防护分析原则根据《公路路基设计规范》,高速公路路堑边坡安全系数取值标准如表8.1所示,本报告中涉及到的一般高速公路边坡安全防护等级即根据表8.1进行确定,并且主要考虑正常工况下的边坡安全系数取值,且安全系数取1.25。根据前述各参数与分析状态确定原则,对高陡横坡段桥梁桩基进行安全防护时边坡安全系数最小值不应小于1.25,在此基础上提高一个防护等级,边坡安全系数最小值不应小于1.30,并结合具体工程情况进行适当提高。~30m12#墩1:1.5粉质粘土中风化白云质灰岩图9二十一合同段K87+997泽壁高架桥12#墩防护设计示意图4.7高陡横坡条件下桩柱式桥梁设计计算方法高陡横坡段桥梁桩基的设计参数,主要包括桩径、桩长及嵌岩深度等。其参数的确定与常规桩基一样,必须满足承载力要求。高陡横坡段桥梁桩基承受的荷载不仅包括竖向荷8载,还包括横向荷载及倾斜偏心荷载等。(1)桩径确定方法对于高陡横坡段桥梁桩基,其主要形式为由两根单桩组成的单排桩形式,其桩径大小与其上柱式桥墩紧密相关,一般而言,其初步确定方法为:直径大小比柱式桥墩的直径大20~30cm左右。(2)桩长确定方法高陡横坡段桥梁桩基的竖向承载力主要由桩侧摩阻力与桩端阻力组成,其主要有按承载力确定和按沉降量确定。(3)嵌岩深度确定方法嵌岩深度参数一般可结合桩长计算及工程地质勘查报告综合确定。一般而言,对于中风化基岩,嵌岩深
本文标题:高陡横坡条件下桩柱式桥梁设计与施工技术研究
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