刘祥胜
安徽省交通控股集团有限公司 安徽合肥 230001
摘要：合肥绕城高速公路拼宽项目中创新应用了装配式桩板式无土路基结构，本研究根据新型结构的特点设计现场试验，并对其结构性能进行测试与分析。现场试验主要包括静载试验和动载试验，根据规范进行车辆荷载加载，对结构主要受力位置的位移及应变进行测试。通过对比数值模型计算结果与现场试验实测结果，分析装配化桩板式无土路基结构的受力特性并提出优化建议。
关键词：桩板式无土路基；荷载试验；校验系数；冲击系数
1 引言
桩板结构路基是一种新型路基结构，相比于土质路基有施工后沉降小，整体刚度大的优点。桩板结构是处理深厚软土、松软土和深厚湿陷性黄土的有效方法[1]。典型的桩板式路基结构主要用于铁路路基工程[2]，国内京津城际铁路，武广客运专线，贵广客运专线等铁路工程均运用了桩板式结构。
本项目背景工程为合肥绕城高速公路拼宽项目，首次创新采用桩板式路基结构，其主要特点是上部承载板只与桩柱连接，省去了填土工序，且承载板沿纵向分片预制，可进行工业化建造。
本结构的上部结构采用预制钢筋混凝土板，标准跨径6m，7孔一联，标准联长42m，联端设无缝伸缩缝。桥梁设计范围内既有路基宽度约为26.6m，拼宽后路基总宽度为49m，两侧设置0.5m防撞护栏。设计范围内板总宽2.75m，分为预制及现浇两部分，现浇缝区域钢筋采用环形搭接。下部结构为预制高摩擦表面管桩[3]，桩板之间连接采用U形钢筋后浇并设置高模量改性聚合物弹性圆环垫片。
图1 桩板式路基结构拼接示意图
2 桩板式路基现场试验
2.1 试验研究总体思路
本项目依托于实际工程，将以结构试验为基础对结构进行承载能力测试以及性能测试，以了解结构的受力特性，研究桩板式路基在试验荷载作用下的实际工作状态，结合计算设计判断结构的实际使用状况，同时总结其工业化建造和装配化施工的技术特点。
桩板式路基结构的试验研究结合数值模拟进行开展，以荷载试验为主体内容进行分析，总体思路如图2。
图2 工况一结构的变形图和应力图
2.2 主要试验内容及工况
根据以上研究思路，现场荷载试验主要包括静载试验和动载试验。
为了保证荷载试验的效果，必须先确定试验的控制荷载。在选择试验荷载的大小和加载位置时采用的控制参数为静载试验效率。表示静载试验荷载作用下控制截面内力或变位计算值，表示计入冲击系数的控制荷载作用下控制截面最不利内力或变位计算值。
根据规范建议的静力试验荷载效率及主要控制截面的设计弯矩值，再考虑加载车辆的特性，建议选用35t级重车，车辆后轴重为，与规范一致。静载试验共包括六个加载试验工况。
对于桩板式路基动力特性的研究，主要是通过动荷载试验测试结构的冲击系数，动荷载采用一辆35t重车，以不同车速在路面行驶以及停止，测量不同工况下主跨结构控制断面的动应变时程信号，求得其最大动态增量。动载试验工况主要包括以下三种试验项目：跑车试验、刹车试验、跳车试验。
2.3 现场试验测试
桩板式路基结构现场试验主要测试结构变形量以及静载应变和动应变，相应测点布置情况示例如图3，第七跨跨中表示为S7-1，六七跨相接的桩顶截面则表示为S67，以此类推。PZ、PH、PS分别表示纵向、横向、竖向应变片。
图3 结构测点布置示例图
按照加载工况，选用3辆35t级重车进行试验，在试验前先进行预加载以保证测试系统正常工作。
按指定荷载位置对结构进行加载时，可得在试验荷载作用下结构的变位，试验效率系数的计算如表1。按照《公路桥梁承载能力评定规程》中的规定，静力荷载试验效率宜介于0.95~1.05之间，本桥静载试验效率采用跨中挠度计算值，可见桩板式路基静载试验的试验效率系数基本满足要求。
3 主要试验结果及其分析
3.1 计算模型与参数
本文以实际结构为对象进行数值模拟分析，包括桩柱、结构板以及桩板交叉钢筋连接。采用有限元分析软件ANSYS进行计算，建立三维有限元模型，结构板采用实体单元模拟。
根据试验工况，车辆荷载在结构板顶部相应位置进行加载，由表1可知结构模型计算结果与现场试验实测值有较好的对应关系，因此试验测试结果均可与模型计算值进行对比分析研究，进一步研究桩板式路基结构的相关性能。
3.2 静载试验结果分析
3.2.1 结构的总体变形
在各静载工况中对桩板式路基结构的6#和7#跨挠度进行测量，实验结果表明，6#和7#跨挠度校验系数大多分布在0.8~1.0之间，说明结构的整体性能良好，结构的刚度可以满足要求，但相比其他类型结构，桩板式路基结构的刚度偏小，可以通过调整板厚及设置横梁增加其刚度。
3.2.2 板的横向受力性能
对跨中及桩柱所在横截面进行横向应变数据分析，选取结构响应较大的两个工况进行计算，试验结果表明：跨中及桩柱顶横截面应变校验系数均小于1.0，且主要分布在0.7~1.0，说明结构的弹性工作性能良好，结构的整体性能满足要求。
3.2.3 板的纵向受力性能
对板肋及板间位置所在纵截面进行纵向应变数据分析，选取结构响应较大的两个工况进行计算，计算应变校验系数如图4，可以看出：应变校验系数均小于1.0，说明结构的弹性工作性能良好，结构板可以有效承受并传递荷载，结构的整体性能满足要求。
3 结论
本文介绍了桩板式无土路基的基本特点、实际工程结构的基本构造、开展现场试验的目的以及试验主要内容和工况。通过数值模拟分析以及现场测试，比较分析后得到以下结论：
1）静载试验中结构的挠度和应力校验系数基本都小于1.0，说明说明结构的弹性工作性能良好，整体性能较好，结构的刚度可以满足要求。但总体而言，桩板式路基结构的校验系数偏高。
2）动载试验中可以明显看出应变时程的变化，其中跳车试验变化幅度较大，桩柱测点的动应变变化较小，与动载工况基本无关。
3）动载试验最大冲击系数为1.206，计算时采用的冲击系数为1.20，说明结构动力性能整体良好。
4）通过综合分析，结构承载能力及安全性满足要求，在边跨可以通过调整板厚及设置横梁等措施增加其刚度，改善桩板式路基结构的刚度和动力性能。
参考文献：
[1]唐第甲. 郑西客运专线桩板结构路基激振试验研究[D]. 西南交通大学, 2009:14-15
[2]Zhan Yong-xiang, Yao Hai-lin, Jiang Guan-lu. Design method of pile-slab structure roadbed of ballastless track on soil subgrade[J]. Journal of Central South University, 2013, 20:2072-2082.
[3]岳仁辉，杨怀英. PHC桩板结构在软土地区应用的可行性研究[J]. 工程与建设. 2014(06).
论文作者:刘祥胜
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/10
标签：结构论文; 路基论文; 荷载论文; 板式论文; 工况论文; 系数论文; 应变论文; 《防护工程》2018年第14期论文;