柱式桥台前坡改造土中骨架结构加固机理及稳定性研究

摘要

路基宽度不足是被交路升级改建中立体交叉路段的关键制约因素之一。由于环境条件和建设成本等原因，柱式桥台被大量应用在立体交叉路段的立交桥中，在被交路提升等级改建时，利用上跨公路柱式桥台能够为被交路提供通行空间的潜力，在不拆除重建、不中断交通、不影响通行安全的前提下，挖除台前填土，增设挡墙成为最经济途径。但在施工及运营过程中，不能回避的问题是，由于台前填土、锥坡的挖除和挡墙基坑的开挖，桥台填土外露面垂直，坡度大、边坡高，在路基与路面结构自重、行车荷载、桥头跳车的作用下，失稳破坏造成安全事故的危险较高。
　　针对特殊的工程条件和施工要求，开展室内模型试验，在研究袖阀管劈裂注浆加固路基荷载响应特性，探察微桩与劈裂土体的浆液在土中形成层状骨架结构的基础上，利用解析和有限元数值计算的方法对土中骨架结构的轮载静、动力特性以及加固参数、边坡稳定性进行扩展分析;以工程实例为背景，开展边坡填土分段分级顺序挖除、台前台后注浆加固的数值模拟和分析，并经现场验证;采用数值计算和现场检测相结合的方法研究锚拉式挡墙墙后土压力、墙体应力与位移、锚杆轴力在施工和运营过程中的分布及演变规律。提出了对台背填土及台前地基土进行袖阀管劈裂注浆加固，分段分级挖除填土并采用锚拉式钢筋混凝土挡土墙进行支护的柱式桥台改建方法。
　　本课题取得了如下创新性研究成果:
　　(1)通过室内路基模型的毛细水上升试验、分级循环加载试验、袖阀管劈裂注浆加固试验，研究其在4级荷载作用下稳定性衰减的原因和规律，微桩及浆液在土中的形态和分布。结果表明:粉土具有强烈的毛细水作用，导致路基土体含水率增大，潜水位以上60cm为近饱和状态，饱和区含水率达27.5％，毛细水作用区比新建路基时的含水率平均高出7.2％，土体的抗剪强度下降，路基的总体刚度降低70％，超载作用下路基顶面竖向塑性累积变形随着荷载的增大而快速增加，呈破坏趋势;衰减路基模型的竖向应力分量减小而水平应力分量增大，应力分量的变化反应了路基模型边坡有侧滑破坏的趋势;袖阀管劈裂注浆加固路基模型中土体的竖向应力及水平应力都显著减小，浆液劈裂土体水平成层，并不与被加固粉土路基土体渗透掺混，成层的凝固浆液不仅阻断了土中毛细水上升的通道，而且与微桩形成土中骨架结构，这种土中骨架结构可使衰减路基的总体刚度提高到新建路基的116％。
　　(2)土中骨架结构的劈裂层及微桩采用混凝土损伤塑性模型、土体采用Mohr-Coulomb模型，通过分离建模嵌入技术模拟劈裂层的加固作用，实现对刚度相差较大的土中骨架结构轮载响应的弹塑性数值分析;土中骨架把荷载分散传递到土体的深部，路面与土体的整体刚度增大，弯沉变形减小;顶部桩间土体竖向应力在加固前、后相差大约50％，加固深度应大于轮载产生的附加应力的影响范围，大约10m。土中骨架结构轮载动力分析时位移值变小，基层层底拉应力降低，但波动影响范围增大，土基以上各路面结构层在移动荷载下的竖向位移时程曲线一致，其中沥青面层位移值最大为0.16mm，小于静力下的0.26mm;位移峰值延后应力峰值0.005s，土中骨架结构荷载响应快。加固参数的分析表明，劈裂层间距越大，顶面弯沉值就越大，从1.0m至2.0m的变化对弯沉值的影响较大，劈裂层间距应控制在1.0m以内。土中骨架结构加固边坡的稳定性分析表明，边坡点的水平位移在强度折减系数3.80时突变（数值计算收敛），而加固前为1.85（数值计算不收敛），边坡的稳定安全系数提高了一倍多。
　　(3)数值模拟台前填土不同挖除顺序的施工过程，分析开挖土体的稳定性和成拱效应，得到一定高度下跳槽开挖最大宽度为12m;以极限破坏状态时对应的PEMAG塑性区域分布和滑裂面的位置为参考确定施工加固区域。现场验证了柱式桥台前坡挡墙化改造方法，台后主动土压力区和台前被动土压力区的注浆加固，有效提高了加固区土体的抗剪强度和抗变形能力，挖除施工过程中无坍塌、掉落、滑移等现象，施工中上跨高速公路通行正常。
　　(4)锚拉式挡墙在施工过程中的静力、桥头跳车冲击动力的数值模拟及现场锚杆拉拔、墙体位移、锚杆拉力监测和工后检测分析表明:墙后土压力沿墙高自上而下逐渐增大，但土压力的分布受锚杆影响，下层锚杆影响区土压力最大，上层次之，中层最小;墙后土压力沿墙宽从中到边逐渐减小，挖除对墙后土压力分布影响较大;注浆加固后墙后土体的侧压力系数降低。相邻节段挖除过程中，墙顶水平位移不断增大，从第1级至第4级墙顶水平位移增大了0.66mm，与检测结果(0.65mm)相符。锚杆轴力在墙高方向底层最大，中层次之，顶层最小;在墙宽方向，锚杆轴力分布不均，墙中最小，墙1/4处最大。锚拉式挡墙在施工过程中柔性变形，墙后土压力的分布复杂，不能按静止土压力理论计算。锚杆在试验拉拔力范围内与锚固土体粘结良好，拉拔力与伸长值呈线性相关，处于弹性范围内。试验锚杆在施工期处应力松驰阶段，锚杆拉力没有突然变化，说明墙后土体整体稳定;墙顶位移随时间逐渐增大，而后趋于平缓，位移增长期主要是施工期，最大位移为1mm。运营过程中各锚杆呈应力松驰状态而后趋于稳定，不同位置的锚杆拉力降低幅值也不一样，拉力降低最多的是行车道挡墙的下层锚杆，其次为上层锚杆，而内侧超车道挡墙锚杆拉力降低幅值基本一致，这说明行车道的墙后土体有向侧前方滑移变形的趋势，而超车道墙后土体侧向变形小。工后检测表明，墙土结构稳定。
　　最后，对后续研究工作的方向进行了简单的讨论。