开兰特大桥临时支架复合地基优化设计

李青，叶朝良，赵任龙

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043)

开兰特大桥临时支架复合地基优化设计

李青，叶朝良，赵任龙

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043)

郑徐客专开兰特大桥采用临时支架进行混凝土箱梁现浇梁体施工。箱梁具有高度大、截面面积大、自重大的特点，且天然地基承载力低，无法满足承载力及变形控制要求。为确保桥梁线形控制和施工安全，拟采用高压旋喷桩对临时支架地基进行加固处理。在初步设计的基础上按沉降控制设计理论，分析了设计参数对地基沉降量的影响规律，并对设计参数进行优化，最终选取高压旋喷桩桩径为600 mm，桩长14 m，桩间距为1.8 m。

临时支架 地基处理 高压旋喷桩 优化设计

临时支架法现浇预应力混凝土连续箱梁在桥梁工程中是一种较为常见的施工方法，最近几年，随着公路、铁路交通基础设施建设的高速发展，采用临时支架法进行桥梁施工也越来越普遍［1］。临时支架地基处理对桥梁施工及线形控制极其重要，严格控制地基沉降的同时还应保证地基处理方案的技术可靠性和经济合理性。高压旋喷桩是利用高压脉冲泵将水泥浆从水平方向的喷嘴喷出，形成喷射流喷向土体，以此切割土体使其与水泥浆拌合形成水泥土加固体。其以经济实用的性能，简单灵活的设计方法，以及施工中基本不产生环境污染等优点，在工程中得到了越来越广泛的应用［2］。其设计力求在满足复合地基承载力及沉降控制要求的前提下做到工程造价最低。因此，初步设计方案的进一步优化极其重要。复合地基优化设计是一种在满足强度及变形要求的前提下，把桩工程量作为目标函数，经过分析计算，找出最小工程量的桩分布方法。目前，对于复合地基优化设计的研究多针对水泥土搅拌桩［3-5］或CFG桩［6-8］。

沉降控制设计方法的基本思想是:将复合地基的沉降控制在设定的容许沉降之内，同时满足承载力要求，从而达到使经济效益最优、各种参数组合合理的目的［5］。基于沉降控制的设计理论，各设计参数对高压旋喷桩复合地基沉降的影响规律分析具有十分重要的意义。本文结合具体工程，计算了不同桩长、桩径、桩间距下的地基沉降量，按照变形控制理念进行了参数优化，取得了良好的处理效果。

1 工程概况

郑徐客专开兰特大桥位于开封至兰考段内，桥址范围内地势较为平坦。为了缩短工期，采用临时支架进行梁体的现浇施工。临时支架剖面如图1。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。箱梁顶宽13.4 m，底宽7.0 m，高5.20～9.20 m，重度26.0 kN/m3。梁体具有高度大、截面面积大，自重大的特点。

图1 开兰特大桥临时支架剖面(单位:cm)

临时支架采用钢筋混凝土矩形基础，宽度为18.8 m，长度根据不同梁高和分段梁体重量分别采用6，8，10 m三种。基础埋深0.3 m，基底均布压力为160 kPa。地基土层多由粉土、粉质黏土、细砂组成，地下水位高，在地表下0.6～2 m左右，导致地基承载力低，沉降变形大，无法满足承载力及变形控制要求。

2 设计方法

2.1 设计参数的初步确定

高压旋喷桩复合地基设计参数:桩长L、桩径D、桩间距s。根据地基土层情况初步选定桩径D= 600 mm，桩长L=20 m。采用三角形的布桩形式，按复合地基承载力要求确定桩间距s。

复合地基承载力计算公式［9］

式中:fspk为复合地基承载力特征值;λ为单桩承载力发挥系数，取0.7～0.9;m为面积置换率;Ra为单桩竖向承载力特征值;Ap为单桩截面面积;β为桩间土承载力发挥系数，取1.0～1.1;fsk为桩间土承载力特征值。

根据地基承载力要求，确定置换率m＞0.055，即桩间距s＜2.4 m，初步取s=2.1 m。

2.2 地基沉降量计算

将加固区按天然地基土层分层，分别计算各层复合土体的压缩量，按式(2)求得加固土层沉降量S1。下卧土层沉降量S2按天然地基用应力面积法进行计算。

式中:Pzi为第i层复合土层顶面的附加应力值;Espi为第i层复合土层的压缩模量。

地基总沉降量S

初步设计参数下地基沉降量计算:S1为26.08 mm，S2为12.54 mm，地基总沉降量S为38.62 mm。临时支架可调节高度为50 mm。初步设计方案满足沉降控制要求。

3 初步设计方案优化

3.1 参数的调整

为降低工程造价，在满足地基承载力要求的前提下，调整方案的初步设计参数，计算各参数下地基沉降量，分析设计参数对地基沉降量的影响规律，力求得到满足工程要求前提下的最优设计参数。复合地基的桩长和桩间距对控制复合地基的变形起着重要作用［1］。桩径为600 mm时，各参数(桩长、桩间距)下地基沉降量及单位工程量如表1。

表1 不同参数下地基沉降量及单位工程量

图2 地基沉降量随桩长变化曲线

3.2 参数对沉降的影响分析

1)桩长对沉降的影响

图2为桩径600 mm时，不同桩间距情况下，地基沉降量随桩长变化曲线。由图2可看出:①不同桩间距情况下，地基沉降量随桩长的变化趋势相同。随着桩长的不断增加，复合地基沉降量逐渐减小。②桩长越大，复合地基沉降量减小得幅度越小;③当桩长超过14 m时，增加桩长对沉降量的影响较小，一味地增加桩长来减小地基沉降量是不可取的。

2)桩间距对沉降的影响

图3为桩径600 mm时，不同桩长情况下，地基沉降量随桩间距变化曲线。

由图3可知:桩长相同时，随着桩间距的减小，地基沉降量逐渐减小。这是因为桩长相同，桩间距减小时，置换率增大，复合土层压缩模量增大，加固区土体的压缩量减小，地基沉降量减小。从图中曲线上各点斜率可看出，当桩间距＜1.8 m时，桩间距的减小对地基沉降量的影响降低。

通过参数对地基沉降量的影响分析和计算的各参数下复合地基的沉降量和单位工程量，选出满足沉降控制要求且工程量较低的两种组合:①桩长14 m、桩间距1.8 m，地基沉降量40.14 mm，单位工程量1.40 m3;②桩长16 m、桩间距2.1 m，地基沉降量41.44 mm，单位工程量1.18 m3。从工程量考虑，组合②较优，但综合考虑桩长对施工难易程度及工程造价的影响，最终选取桩长14 m、桩间距1.8 m为最优组合。既满足沉降控制50 mm的要求，并且桩工程量相对较低。

3)桩径对沉降的影响

桩长14 m、桩间距1.8 m时，复合地基沉降量随桩径的变化曲线如图4。

图3 地基沉降量随桩间距变化曲线

图4 地基沉降量随桩径变化曲线

从图4可看出:①增大桩径，复合地基沉降量明显减小。这是因为桩长、桩间距一定时，增大桩径，置换率增大，复合土层压缩模量增大，加固区土体的压缩量减小，地基沉降量减小;②桩径＞600 mm后，增大桩径对地基沉降量减小的幅度较小;③桩长为14 m、桩间距1.8 m时，600 mm为复合地基沉降量满足沉降控制要求的最小桩径。因此，高压旋喷桩桩径取600 mm。

3.3 最优设计参数

通过桩长、桩间距、桩径对复合地基沉降的影响规律分析，并结合沉降控制要求和各参数下工程量的计算值，最终选取高压旋喷桩复合地基的最优设计参数如表2。

表2 最优设计参数

4 结语

本文结合开兰特大桥临时支架地基处理工程实际，对高压旋喷桩复合地基进行了优化设计。在满足地基承载力要求的前提下，按沉降控制设计理论，通过调整设计参数，试算地基沉降量，分析了设计参数对地基沉降量的影响规律。得出如下结论:

1)不同桩间距情况下，地基沉降量随桩长的变化趋势相同。随着桩长的增加，复合地基沉降量逐渐减小。但桩长越大，复合地基沉降量减小的幅度越小。

2)桩长相同时，随着桩间距的减小，地基沉降量逐渐减小。但当桩间距超过某一值时，桩间距的减小对地基沉降量的影响降低。

3)桩长和桩间距一定，桩径较小时，桩径的增大将使复合地基沉降量明显减小。但桩径超过某一值时，桩径的增大对地基沉降量的影响较小。

通过对设计参数的优化。最终选取高压旋喷桩桩径为600 mm，桩长14 m，桩间距为1.8 m。既满足承载力及沉降控制要求，又达到经济效益最优。

［1］刘东海，杨健，方军.复杂地形条件下满堂支架法现浇箱梁的应用［J］.桥隧工程，2013(11):362-365.

［2］李青，叶朝良，赵任龙.开兰特大桥临时支架地基处理方案优选［J］.铁道建筑，2015(4):31-33.

［3］李茂英，曾庆军，莫海鸿，等.高速公路拓宽工程沉降控制复合地基优化设计［J］.岩土力学，2008，29(2):535-540.

［4］王金山，唐小兵，杨永谦.复合地基的优化设计［J］.船海工程，2001(增2):120-126.

［5］黄广龙，惠刚，梅国雄，等.沉降控制复合地基设计与测试研究［J］.岩土力学，2008，29(4):911-915.

［6］曾巧.CFG桩复合地基设计计算与工程应用［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［7］温世聪.基于沉降控制的高速铁路CFG桩复合地基优化设计研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

［8］赵亮.山区高速公路CFG桩复合地基的试验研究与优化设计［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［9］中华人民共和国建设部.JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

(责任审编赵其文)

TU472.3+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.12

1003-1995(2015)05-0047-03

2014-05-15;

2015-03-05

李青(1988—)，女，河北石家庄人，硕士研究生。