頂進箱涵鉆孔樁加固后背梁設(shè)計

徐　新，申　昊

(1.中交隧道工程局有限公司，北京　100102；2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京　100037)

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頂進箱涵鉆孔樁加固后背梁設(shè)計

徐新1，申昊2

(1.中交隧道工程局有限公司，北京100102；2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037)

摘要：既有鐵路頂進箱涵時需要可靠穩(wěn)固的后背設(shè)備。當施工空間限制或箱涵頂進力過大時，常見后背形式不能滿足穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強度要求，需要在后背設(shè)備下加設(shè)鉆(挖)孔樁加固。對鉆(挖)孔樁加固后背設(shè)備的計算方法進行探討，對某實際工程進行了驗算，可用于指導(dǎo)設(shè)計施工。

關(guān)鍵詞：頂進法；后背；鉆孔樁；加固設(shè)計

1概述

既有鐵路頂進箱涵時需要可靠穩(wěn)固的后背梁設(shè)備，它承擔著頂進時的水平頂力，要求有足夠的穩(wěn)定性和剛度。常用的后背形式有樁板式后背、重力式后背、拼裝式后背。重力式后背通常采用漿砌片石或鋼筋混凝土，由于材料來源廣泛，建造方便，應(yīng)用最為廣泛，但當施工空間限制或箱涵頂進力過大時，常見重力式后背不能滿足穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強度要求。樁板式后背可以承受1 000～15 000 kN/m的頂力，但樁板式后背需要占用大量鋼材，并且需要打樁設(shè)備，一般情況下造價很高。實際工程實踐中，當重力式后背設(shè)備限于場地條件、頂進推力不能滿足箱涵頂進的要求時，往往通過在后背設(shè)備下加設(shè)鉆(挖)孔樁進行加固來滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求。這種鉆(挖)孔樁——后背梁結(jié)構(gòu)體系在箱涵頂進施工中應(yīng)用逐漸增多，但對其設(shè)計、檢算方法尚缺少系統(tǒng)研究，多根據(jù)經(jīng)驗判斷。本文對鉆(挖)孔樁——后背梁結(jié)構(gòu)體系的驗算方法進行探討，提出切實可行的驗算思路，可用于指導(dǎo)設(shè)計施工。

2工程背景及后背概況

新建道路下穿某既有鐵路站場，依據(jù)設(shè)計公路縱斷面，設(shè)計頂進箱涵全長24 m，參考現(xiàn)場頂進設(shè)備，原設(shè)計采用分節(jié)頂進方案，全涵共劃分為3個箱涵節(jié)段，采用中繼間法頂進。

但實際施工中，為減小工作坑開挖、放坡對車站設(shè)備及生活用房的影響，管理方要求對原重力式后背予以改進優(yōu)化，減小尺寸或采用樁板式后背?？紤]現(xiàn)場設(shè)備及施工條件，最終決定對頂進后背采用鉆孔樁加固以減小后背梁尺寸及基坑開挖面積。頂進后背下部結(jié)構(gòu)采用6根10 m深直徑800 mm的鋼筋混凝土灌注樁作為后背基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土后背，尺寸為9.6×2.7×2 m。為保證分配梁抗剪，采取下部埋深1.2 m，滑板上1.5 m高的結(jié)構(gòu)布置方式，分配梁與滑板整體澆筑。頂進后背布置及工作坑情況詳見圖1。

圖1　后背梁及樁基加固布置

3結(jié)構(gòu)受力分析

(1)框架最大頂力計算；

(2)后背結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算；

(3)后背梁內(nèi)力計算；

(4)樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算；

(5)樁身及后背梁強度驗算。

3.1后背結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析

后背結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算應(yīng)當對兩個主要施工階段進行檢算：(1)基坑開挖后尚未施加頂進力時穩(wěn)定驗算；(2)相對最大箱涵頂力時后背結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算。由于樁基長細比較小，通?？梢圆捎脛傂詷都俣?，計算簡圖分別如圖2所示。

圖2　后背整體穩(wěn)定驗算圖示

由于后背梁僅1.5 m位于地面以上，樁身及后背梁多嵌固于地面以下，圖示a)工況不控制設(shè)計，僅對b)中參數(shù)詳細介紹。

(1)Pmax——最大頂力，參考《橋規(guī)》。

Pmax=K[N1f1+(N1+N2)f2+2Ef2+RA]

根據(jù)本工程實際參數(shù)計算得到，Pmax=32 652 kN。

(2)Ep——后背承擔被動土壓力合力。

假設(shè)后背梁、樁基與填土間內(nèi)摩擦角為0，依據(jù)朗肯被動土壓力理論,基坑開挖6 m，樁基長度10 m時有。

后背梁被動土壓力合力

EP1=B×H×0.5×(e1+e2)

樁基被動土壓力合力

EP2=N×b0×L×0.5×(e1+e2)

為了保證最大頂推力時，后背結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體穩(wěn)定性破壞，需要同時滿足下列兩個條件

Ep1+Ep2=39 750 kN>Pmax+Ea1

Ep1h1+Ep2h2=325 732 kN·m>Pmaxh3+Ea1h4

h1～h4分別為合力作用點至樁底截面距離。

3.2鉆孔樁——后背梁體系傳力途徑

后背梁與樁基組成了空間結(jié)構(gòu)，建立空間分析模型進行后背梁及樁基檢算計算復(fù)雜，且計算內(nèi)力對土層參數(shù)的敏感性較強，甚至偏于不安全。通常采用如下簡化分析方法。

與重力式后背結(jié)構(gòu)不同，由于輕型后背梁截面尺寸較小，在水平面內(nèi)，后背梁可簡化為彈性支撐在樁基頂部的連續(xù)深梁，將最大頂力傳遞至樁基頂部。

豎向平面內(nèi)，樁基可以簡化為群樁受力體系，此時后背梁可以簡化為作為群樁系統(tǒng)的承臺。簡化后的兩個驗算體系如圖3所示。

圖3　后背梁水平面內(nèi)受力簡圖

3.3后背梁內(nèi)力計算及強度驗算

由于實際施工中，頂進設(shè)備后設(shè)置剛度較大的頂鐵，Pmax近似均勻傳遞至后背梁上，如圖3。

對圖4-a所示結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力，得到分配梁橫向彎矩M=8 946.1 kN/m。主筋N1鋼筋選用φ28@100，采用容許應(yīng)力法截面檢算。

受拉鋼筋重心處應(yīng)力為

σg=281.5 MPa<[σs]=297.0 MPa

混凝土最大壓應(yīng)力為

σh=7.1 MPa≤[σb]=14.3 MPa

3.4樁基內(nèi)力計算及強度檢算

后背梁樁基檢算是分配梁——鉆孔樁體系計算驗算中的重點，依據(jù)現(xiàn)有收集到的資料，此類工程多采用剛性樁體系思路進行樁基內(nèi)力計算及配筋設(shè)計。隨著土力學(xué)及樁基工程的發(fā)展，這種設(shè)計思路暴露出越來越多的缺陷，現(xiàn)行國家標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》JGJ 120-2012引入考慮土的彈性抗力的彈性樁計算方法進行基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。本工程采用彈性樁內(nèi)力計算思路進行樁基計算是必要的。

豎向平面內(nèi)，上部分配梁作為樁基系統(tǒng)的剛性承臺，將6根鉆孔樁結(jié)合成為群樁，共同承擔水平向的最大頂推力，內(nèi)力及變形趨勢如圖4。

計算簡圖4中，單根樁基水平彈簧剛度

Kh=mhb0Δh

圖4　水平頂力作用下群樁模型及變形

其中：m為地基系數(shù)的比例系數(shù)，同時考慮《鐵路地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的構(gòu)件折減系數(shù)k；b0為樁基計算寬度0.9×(d+1)；h為水平地基彈簧中心距原地面點距離；Δh為上下兩層彈簧中心間的高差。

同時應(yīng)考慮承臺側(cè)面及承臺底土彈簧產(chǎn)生的對承臺的彈性反力的有利作用

Ph=khΔ

其中Δ為承臺(分配梁)中心水平位移。并且Ph不應(yīng)大于后背梁承擔的最大被動土壓力Ep1。

由圖4所示，實虛線分別為變形前后的后背梁及樁基，僅在水平頂力作用下，樁基不僅產(chǎn)生順頂力方向的樁身彎曲，基坑內(nèi)側(cè)樁基尚且產(chǎn)生了較大的上拔力。此時A樁不應(yīng)被拔出地面，成為后背梁——鉆孔樁體系整體穩(wěn)定的控制條件。對于本工程，當頂推力達到最大時，即有Pmax=38 652 kN，A樁樁頂及樁身截面內(nèi)力如下。

表1　頂進荷載荷載A樁身內(nèi)力表

由于A號樁僅在施工短期荷載下存在上拔力，工程中常用Nmin<(1.2～1.4)[P拉]作為樁基施工階段不被拔出的條件，本文推薦采用該標準作為后背梁——鉆孔樁體系不發(fā)生整傾覆穩(wěn)定破壞的條件，本工程。

1.2[P拉]=1.2×0.3U∑αifili=1 520kN>Nmin

因此后背梁不發(fā)生穩(wěn)定破壞。

得到樁身內(nèi)力N及M后，采用容許應(yīng)力法進行截面配筋設(shè)計，由于此類結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生樁身彎矩大，實際設(shè)計中普通采用2～3根鋼筋組成的束筋，必要時可以采用舊鋼軌插入樁身，保證樁身足夠的強度，對于本工程最不利截面位于樁頂

σg=291.5 MPa<[σs]=297.0 MPa

4結(jié)論

(1)鉆(挖)孔樁加固分配梁方案作為框架橋頂進時的后背設(shè)施具有施工便捷，場地開挖面積小，單位長度提供頂力大的優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于既有鐵路箱涵的頂進施工。

(2)分配梁——鉆孔樁后背體系需要滿足兩類穩(wěn)定性，即：最大頂力作用不大于樁后提供足夠被動土壓力，基坑外側(cè)不發(fā)生土體破壞；最大頂力作用下鉆孔樁不發(fā)生抗拔破壞，后背體系不產(chǎn)生整體傾覆。

(3)后背梁既作為擋土墻承擔被動土壓力，同時作為樁基分配梁，處于雙向受力狀態(tài)。

(4)豎直平面內(nèi)樁基系統(tǒng)的內(nèi)力計算采用考慮土的彈性抗力的彈性樁計算方法，可以依據(jù)規(guī)范查表采用解析法完成或通過圖4有限元模型直接求解。

參考文獻：

[1]彭新發(fā). 利用挖孔樁固定后背橫梁頂進箱涵[J].鐵道建筑,1995,(8):20-22.

[2]建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程(JGJ 120-2012)[S].中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(TB 10002.5-2005)[S].中國鐵道出版社,2005.

收稿日期：2015-09-28

作者簡介：徐新(1963-)，工程師。

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)05-0107-02