摘要：以合肥绕城高速公路拓宽工程采用的桩板式无土路基结构为研究对象，对其运营期间因地基沉降产生的结构效应进行分析。由于桩板式路基属于多次超静定结构，不均匀沉降会产生比较明显的次内力效应，通过建立Ansys有限元计算模型，对各支撑部位单项沉降作用产生的结构响应进行计算，分析对结构产生最不利作用的部位，并与其他的荷载作用进行组合，验算结构在考虑沉降的组合效应下是否能够满足设计要求，也可以为之后的施工建造与监控提供参考依据。
关键词：装配化；无土路基；沉降；影响分析
0 引言
桩板式路基由下部桩基和上部钢筋混凝土面板组成，是一种新型的公路路基结构形式。这种新型结构形式相比于土质路基有工后沉降小，整体刚度大，适应性强的优点[1]，因此是处理深厚软土、松软土和深厚湿陷性黄土的有效方法，在不同区段可以灵活应用[2]。
在合肥绕城高速公路项目中，桩板式路基的主要功能是通过钢筋混凝土板与桩共同形成的支撑结构对老路进行拼宽。传统道路拼宽常用手段是通过填土的方法实现，该扩建方式可能会产生较大的沉降以及存在塌落滑移的风险[3，4]，而桩板式路基整体自重较轻，理论上不会产生较大的沉降。但与此同时，在工程建设中容易忽略沉降对结构的影响[5]，桩板式路基属于超静定结构，沉降变形等效应会产生比较明显的次内力，因此考虑沉降对结构的影响也十分重要[6，7]。
1 工程概况
合肥绕城高速陇西至路口段起点为陇西互通，南接芜合高速，终点为路口互通，北接合徐高速，是G3 京台高速和G40沪陕高速的共线段，也是安徽省内最为繁忙的高速公路之一。随着社会经济的快速发展，该路段双向四车道的容量已逐渐显现出难以满足交通增长的需求，为缓解高速公路的交通压力，对原既有高速公路的两侧进行拓宽以满足交通的实际需要。为改进高速公路施工工艺技术，提高工程质量和经济效率，减少建设用地，在肥东界内的S101桥（跨合蚌路分离立交桥）终点往北长 244 m路段采用桩板式无土路基，即在原高速公路两侧边拼宽的方式，将原来双向四车道扩建为双向十车道。
该路段拓宽段桩板式路基上部结构采用预制钢筋混凝土板，单孔跨径6m，7孔一联，标准联长42m，联端设无缝伸缩缝，缝宽2cm。下部结构为预制管桩，由HPC500AB型管桩和PRC-Ⅰ500C型管桩连接而成，上半部分HPC型管桩按照等长设置，长度为10m；下半部分PRC管桩入土长度约5m，整体长度根据设计高度和底面高程确定。管桩截面外径500m，壁厚100mm，桩顶1.4m范围内壁设置剪切钢筋，后浇筑C50微膨胀混凝土。桩板式路基结构标准横断面图如图1。
图1 标准横断面图（单位：mm）
2 计算分析模型建立
采用Ansys有限元计算程序软件进行计算分析。板梁采用solid45单元模型；自由桩长部分的桩利用solid45单元模拟，入土部分桩利用beam188单元模拟。
为了模拟桩土的相互作用，采用combin14单元建立横向和纵向的土弹簧。弹簧的刚度依据“m”法计算得到土的水平作用效应，其中土的水平抗力系数的比例系数取用10MN/m4。结构中老路的护栏立柱对板梁的纵向位移起到一定的约束作用，因此，在计算中采用beam188梁单元模拟护栏立柱，利用土弹簧模拟土质对护栏立柱的约束作用。
结构计算模型见图2所示。
图2 模型总图
3 计算结果与分析
结构可能发生沉降的部位主要包括两个部分：一是上部结构承载板与老路搭接部分，二是下部预制管桩的沉降。首先对各部分的单项沉降作用进行分析，找到对结构可能产生不利作用的部位，再结合其他的荷载工况进行组合，验算在考虑沉降的组合效应下结构是否能够满足承载力要求。
3.1 老路搭接部分沉降
按照老路搭接整体沉降2mm，5mm，8mm计算沉降单项工况对结构的影响。
（1）板的受力影响分析
老路搭接整体沉降2mm，5mm，8mm情况下，板的受力情况如图5所示。
（a）2mm老路搭接沉降板的横向应力
（b）5mm老路搭接沉降板的横向应力
（c）8mm老路搭接沉降板的横向应力
图3 老路搭接沉降工况下板的受力情况
从图中可以看出，内排桩肋板边缘上缘横向拉应力从0.694MPa增长到2.78MPa，下缘压应力从0.729MPa增长到2.92MPa。
从以上计算结果可知，老路搭接部分沉降对板受力影响最大的是肋条边缘部分的横向应力。而该部分在基本组合作用下，受到车辆荷载的影响，也是出现上缘受拉，下缘受压的受力状态。以该部分横向受力最不利，进行车辆荷载布置，计算在考虑沉降的基本组合作用下板的受力。
在基本组合作用下，从图4中可以看出该位置的上缘拉应力为10.4Mpa，下缘拉应力为10.5Mpa。计算弯矩为60.19kNm，设计抗力为64.82kNm。满足承载能力验算要求。
图4 考虑沉降的基本组合混凝土板横向应力
在考虑5mm沉降短期组合作用下，从图5（a）中可以看出该部位的上缘拉应力为6.02Mpa，下缘拉应力为5.89Mpa；在长期组合作用下，从图5（b）中可以看出该部位的上缘拉应力为5.7Mpa，下缘拉应力为5.0Mpa。计算裂缝宽度为0.199mm，满足设计规范要求的裂缝宽度小于0.2mm的要求。
（a）考虑沉降的短期组合作用混凝土横向应力
（b）考虑沉降的长期组合作用混凝土横向应力
图4 考虑沉降的长期及短期组合混凝土板横向应力
（2）桩的受力影响分析
以沉降8mm为例分析桩柱桩顶弯矩值。计算沉降单项工况对桩顶弯矩的影响，计算结果如图5所示。
（a）8mm老路沉降作用下桩顶弯矩值
（b）8mm老路沉降作用下桩顶轴力值
图6 老路搭接沉降工况下桩的受力情况
从上图计算结果可知，桩顶最大弯矩为9.88kNm，最大轴力为55.76kN。考虑其他荷载组合后，在老路搭接沉降工况下，基本组合桩顶最不利弯矩约为70kNm，小于抗力值247kNm；桩顶最不利轴力为1100kNm，小于抗力值3800kN。
即沉降对桩柱的受力影响较小，适量的沉降不会对桩柱承载力造成影响。
总体而言，在考虑老路搭接沉降工况的基本组合作用下，上部混凝土板的受力验算是能够满足极限承载力验算要求的。但是随着沉降的增大，板的应力增幅比较明显，可见沉降对结构的正常使用极限状态的影响是比较大的。特别是裂缝宽度，某些位置板的裂缝宽度，主要是支点附近的横向裂缝已经接近设计规范值，建议对结构建造和运营期间的沉降情况进行监控与分析。
3.2 桩柱沉降
桩柱的沉降计算考虑两种工况，工况一是第1、3、5排桩发生沉降5mm；工况二是第5、6排桩发生沉降5mm。计算工况示意图如图7所示。
图7 桩柱沉降工况示意图
（1）板的受力影响分析
在沉降工况一作用下，混凝土板受力计算情况如图8所示。从图中可以看出，在工况一的沉降作用与其在荷载作用的基本组合下，在4号桩柱顶混凝土截面应力最不利。上缘拉应力为16.4Mpa，下缘压应力为20.0Mpa。计算弯矩为411kN•m，设计抗力为415.75kN•m，满足承载能力验算要求。在短期组合作用下，板上缘拉应力为9.0Mpa，下缘压应力约11Mpa；在长期组合作用下，板上缘拉应力约为8Mpa，下缘压应力约10Mpa。计算裂缝宽度为0.20mm，钢筋拉应力约为172Mpa。满足正常使用极限状态验算要求。
图8 沉降工况一作用下混凝土板纵向应力
运用类似的计算方法，沉降工况二作用下混凝土板受力计算情况如图9所示。
图9 沉降工况二作用下混凝土板纵向应力
在考虑沉降工况二的基本组合作用下，在边跨跨中部分混凝土截面应力最不利。上缘拉应力为13Mpa，下缘压应力为19.7Mpa。计算弯矩为370kNm，设计抗力为434kNm，满足承载能力验算要求。在短期组合作用下，板上缘拉应力为4.01Mpa，下缘压应力约9.3Mpa；在长期组合作用下，板上缘拉应力约为2.7Mpa，下缘压应力约7.04Mpa。计算裂缝宽度为0.169mm，钢筋拉应力约为156Mpa。各计算结果均满足正常使用极限状态验算要求。
总体而言，虽然结构均满足承载能力、裂缝宽度等各项要求，但尤其在沉降工况一下，部分桩柱顶混凝土截面应力非常接近设计规范值，且裂缝宽度已经非常接近规范要求，因此可以看到桩柱的沉降仍然对板的受力产生了较大影响。
（2）桩的受力影响分析
在沉降工况一作用下，各桩的受力情况如图10所示。
（a）桩沉降工况一桩顶弯矩值
（b）桩沉降工况一桩顶轴力值
图10 沉降工况一作用下桩的受力情况
4 结论
本次计算考虑了沉降对结构的影响，老路搭接部分整体沉降对结构的作用，分别计算了老路整体下沉2mm、5mm、8mm的情况，计算结果表明，板的应力增幅受老路整体沉降的增大的影响比较明显，该沉降对板结构的影响是比较大的，而裂缝宽度随老路整体沉降的增大而增大尤为明显。然而，老路整体沉降却不会对桩柱承载力造成太大影响。
在桩柱的两种沉降工况下，虽然结构均满足承载能力、裂缝宽度等各项要求，上部钢筋混凝土板的受力也受到了较大影响。相反对于桩柱自身，即使考虑沉降最不利作用的影响，桩也处于较为安全的状态。
参考文献：
[1] 杜尚泽.高速公路路基沉降影响因素分析及预测[J].中国水运：理论版，2006，4（5）：67-68.
[2] 吴康宁.高速公路桩板式无土路基复合植入桩施工技术[J].山西交通科技，2017（2）：4-7.
论文作者:杨勇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/20
标签：工况论文; 应力论文; 组合论文; 老路论文; 结构论文; 路基论文; 受力论文; 《基层建设》2018年第20期论文;