柱式橋臺(tái)前坡改造土中骨架結(jié)構(gòu)加固機(jī)理及穩(wěn)定性研究.pdf

1、路基寬度不足是被交路升級(jí)改建中立體交叉路段的關(guān)鍵制約因素之一。由于環(huán)境條件和建設(shè)成本等原因，柱式橋臺(tái)被大量應(yīng)用在立體交叉路段的立交橋中，在被交路提升等級(jí)改建時(shí)，利用上跨公路柱式橋臺(tái)能夠?yàn)楸唤宦诽峁┩ㄐ锌臻g的潛力，在不拆除重建、不中斷交通、不影響通行安全的前提下，挖除臺(tái)前填土，增設(shè)擋墻成為最經(jīng)濟(jì)途徑。但在施工及運(yùn)營(yíng)過程中，不能回避的問題是，由于臺(tái)前填土、錐坡的挖除和擋墻基坑的開挖，橋臺(tái)填土外露面垂直，坡度大、邊坡高，在路基與路面結(jié)構(gòu)自重、

2、行車荷載、橋頭跳車的作用下，失穩(wěn)破壞造成安全事故的危險(xiǎn)較高。
　　針對(duì)特殊的工程條件和施工要求，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，在研究袖閥管劈裂注漿加固路基荷載響應(yīng)特性，探察微樁與劈裂土體的漿液在土中形成層狀骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用解析和有限元數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)土中骨架結(jié)構(gòu)的輪載靜、動(dòng)力特性以及加固參數(shù)、邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行擴(kuò)展分析;以工程實(shí)例為背景，開展邊坡填土分段分級(jí)順序挖除、臺(tái)前臺(tái)后注漿加固的數(shù)值模擬和分析，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證;采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)

3、合的方法研究錨拉式擋墻墻后土壓力、墻體應(yīng)力與位移、錨桿軸力在施工和運(yùn)營(yíng)過程中的分布及演變規(guī)律。提出了對(duì)臺(tái)背填土及臺(tái)前地基土進(jìn)行袖閥管劈裂注漿加固，分段分級(jí)挖除填土并采用錨拉式鋼筋混凝土擋土墻進(jìn)行支護(hù)的柱式橋臺(tái)改建方法。
　　本課題取得了如下創(chuàng)新性研究成果:
　　(1)通過室內(nèi)路基模型的毛細(xì)水上升試驗(yàn)、分級(jí)循環(huán)加載試驗(yàn)、袖閥管劈裂注漿加固試驗(yàn)，研究其在4級(jí)荷載作用下穩(wěn)定性衰減的原因和規(guī)律，微樁及漿液在土中的形態(tài)和分布。結(jié)果表明

4、:粉土具有強(qiáng)烈的毛細(xì)水作用，導(dǎo)致路基土體含水率增大，潛水位以上60cm為近飽和狀態(tài)，飽和區(qū)含水率達(dá)27.5％，毛細(xì)水作用區(qū)比新建路基時(shí)的含水率平均高出7.2％，土體的抗剪強(qiáng)度下降，路基的總體剛度降低70％，超載作用下路基頂面豎向塑性累積變形隨著荷載的增大而快速增加，呈破壞趨勢(shì);衰減路基模型的豎向應(yīng)力分量減小而水平應(yīng)力分量增大，應(yīng)力分量的變化反應(yīng)了路基模型邊坡有側(cè)滑破壞的趨勢(shì);袖閥管劈裂注漿加固路基模型中土體的豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力都顯著減小

5、，漿液劈裂土體水平成層，并不與被加固粉土路基土體滲透摻混，成層的凝固漿液不僅阻斷了土中毛細(xì)水上升的通道，而且與微樁形成土中骨架結(jié)構(gòu)，這種土中骨架結(jié)構(gòu)可使衰減路基的總體剛度提高到新建路基的116％。
　　(2)土中骨架結(jié)構(gòu)的劈裂層及微樁采用混凝土損傷塑性模型、土體采用Mohr-Coulomb模型，通過分離建模嵌入技術(shù)模擬劈裂層的加固作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛度相差較大的土中骨架結(jié)構(gòu)輪載響應(yīng)的彈塑性數(shù)值分析;土中骨架把荷載分散傳遞到土體的深部，路

6、面與土體的整體剛度增大，彎沉變形減小;頂部樁間土體豎向應(yīng)力在加固前、后相差大約50％，加固深度應(yīng)大于輪載產(chǎn)生的附加應(yīng)力的影響范圍，大約10m。土中骨架結(jié)構(gòu)輪載動(dòng)力分析時(shí)位移值變小，基層層底拉應(yīng)力降低，但波動(dòng)影響范圍增大，土基以上各路面結(jié)構(gòu)層在移動(dòng)荷載下的豎向位移時(shí)程曲線一致，其中瀝青面層位移值最大為0.16mm，小于靜力下的0.26mm;位移峰值延后應(yīng)力峰值0.005s，土中骨架結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)快。加固參數(shù)的分析表明，劈裂層間距越大，頂面彎

7、沉值就越大，從1.0m至2.0m的變化對(duì)彎沉值的影響較大，劈裂層間距應(yīng)控制在1.0m以內(nèi)。土中骨架結(jié)構(gòu)加固邊坡的穩(wěn)定性分析表明，邊坡點(diǎn)的水平位移在強(qiáng)度折減系數(shù)3.80時(shí)突變（數(shù)值計(jì)算收斂），而加固前為1.85（數(shù)值計(jì)算不收斂），邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)提高了一倍多。
　　(3)數(shù)值模擬臺(tái)前填土不同挖除順序的施工過程，分析開挖土體的穩(wěn)定性和成拱效應(yīng)，得到一定高度下跳槽開挖最大寬度為12m;以極限破壞狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的PEMAG塑性區(qū)域分布和滑裂

8、面的位置為參考確定施工加固區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了柱式橋臺(tái)前坡?lián)鯄脑旆椒?，臺(tái)后主動(dòng)土壓力區(qū)和臺(tái)前被動(dòng)土壓力區(qū)的注漿加固，有效提高了加固區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度和抗變形能力，挖除施工過程中無坍塌、掉落、滑移等現(xiàn)象，施工中上跨高速公路通行正常。
　　(4)錨拉式擋墻在施工過程中的靜力、橋頭跳車沖擊動(dòng)力的數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔、墻體位移、錨桿拉力監(jiān)測(cè)和工后檢測(cè)分析表明:墻后土壓力沿墻高自上而下逐漸增大，但土壓力的分布受錨桿影響，下層錨桿影響區(qū)土壓力

9、最大，上層次之，中層最小;墻后土壓力沿墻寬從中到邊逐漸減小，挖除對(duì)墻后土壓力分布影響較大;注漿加固后墻后土體的側(cè)壓力系數(shù)降低。相鄰節(jié)段挖除過程中，墻頂水平位移不斷增大，從第1級(jí)至第4級(jí)墻頂水平位移增大了0.66mm，與檢測(cè)結(jié)果(0.65mm)相符。錨桿軸力在墻高方向底層最大，中層次之，頂層最小;在墻寬方向，錨桿軸力分布不均，墻中最小，墻1/4處最大。錨拉式擋墻在施工過程中柔性變形，墻后土壓力的分布復(fù)雜，不能按靜止土壓力理論計(jì)算。錨桿在試

10、驗(yàn)拉拔力范圍內(nèi)與錨固土體粘結(jié)良好，拉拔力與伸長(zhǎng)值呈線性相關(guān)，處于彈性范圍內(nèi)。試驗(yàn)錨桿在施工期處應(yīng)力松馳階段，錨桿拉力沒有突然變化，說明墻后土體整體穩(wěn)定;墻頂位移隨時(shí)間逐漸增大，而后趨于平緩，位移增長(zhǎng)期主要是施工期，最大位移為1mm。運(yùn)營(yíng)過程中各錨桿呈應(yīng)力松馳狀態(tài)而后趨于穩(wěn)定，不同位置的錨桿拉力降低幅值也不一樣，拉力降低最多的是行車道擋墻的下層錨桿，其次為上層錨桿，而內(nèi)側(cè)超車道擋墻錨桿拉力降低幅值基本一致，這說明行車道的墻后土體有向側(cè)前方