装配化公路桩板式无土路基沉降影响分析

装配化公路桩板式无土路基沉降影响分析

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