樁基托換的動態(tài)力學(xué)行為及其荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制

■莊全貴

(福州地鐵集團(tuán)有限公司，福州 350108)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地鐵、高架橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)如火如荼，兩者近接施工的情況也愈發(fā)常見。因大部分地鐵線路規(guī)劃在城市中心區(qū)，而這些區(qū)域已有各類橋梁、建(構(gòu))筑物等，地鐵隧道施工中穿越橋梁、建筑物等結(jié)構(gòu)物的情況愈發(fā)常見[1-3]。樁基礎(chǔ)作為最普遍的建筑(構(gòu))物的基礎(chǔ)形式，其不僅障礙了隧道的施工，還增加了施工的難度，且對建筑物自身的安全威脅也不容忽視[4-6]。因此，須依據(jù)隧道與建筑物樁基的現(xiàn)場情況，采取有效的加固或托換措施，以保證隧道安全施工的同時不影響既有建筑物的安全及耐久性。

樁基托換的核心技術(shù)是安全地將既有建筑物原樁基所受荷載轉(zhuǎn)移至新的托換結(jié)構(gòu)上，并且要求在該轉(zhuǎn)移過程中及轉(zhuǎn)移之后，既有建筑物的應(yīng)力及變形等指標(biāo)均在限值范圍內(nèi)。要實現(xiàn)前述目標(biāo)，需要合理設(shè)計托換結(jié)構(gòu)體系，而掌握樁基托換過程中各構(gòu)件的動態(tài)力學(xué)行為及其荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制是合理設(shè)計的關(guān)鍵。當(dāng)前地鐵隧道施工的樁基托換的工程案例不少[7-10]，樁基托換技術(shù)也得到較大發(fā)展，但梳理發(fā)現(xiàn)仍缺乏對樁基托換過程中各構(gòu)件動態(tài)力學(xué)行為及其荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究。本文以福建某地鐵線區(qū)間隧道穿越某立交橋樁基為背景，結(jié)合已有相似工程實例，針對橋梁上部結(jié)構(gòu)-樁身-托換結(jié)構(gòu)體系，通過數(shù)值模擬分析不同施工步序下前述體系中各構(gòu)件的受力及位移變化，探究樁基托換過程中體系構(gòu)件的動態(tài)力學(xué)行為及其荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制，并利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，研究成果對樁基托換設(shè)計和施工具有重要的參考價值。

1 工程概況

福建某地鐵線盾構(gòu)隧道區(qū)間沿某橋西側(cè)引橋下穿過，該引橋的16根樁基受其影響需托換(涉及6處橋墩承臺和2處橋臺)，該橋為兩幅三跨 (分別為25.03m、30.0m和25.0m)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。托換橋墩(臺)與區(qū)間線路平面位置關(guān)系圖見圖1。擬被托換的樁均是φ1.2m鉆孔灌注樁，初步設(shè)計橋墩處采用4根φ1.5m鉆孔灌注樁作為托換樁，托換梁采用 “井字”形狀，主托換梁 (簡支)為2.5m×2.5m，次托換梁(固結(jié))為2.5m×2.0m。 由于墩柱底荷載大，托換梁跨度大，采用主動托換方式處理。橋墩最大頂升力共16432kN(每根托換樁上4108kN)，托換主梁最大撓度2.0mm、次梁3.5mm。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，本工程地層從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖、中風(fēng)化混合巖、微分化混合巖。地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，地下水位埋深約1.6m～3.6m；孔隙水主要賦存在表層人工填土層、沖洪積砂層和殘積的砂質(zhì)黏性土中，略具承壓性，基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化巖中，具承壓性。

圖1 托換橋墩(臺)與區(qū)間線路平面位置關(guān)系圖

2 樁基托換的動態(tài)力學(xué)行為及荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制

為了順利完成橋梁樁基托換，保證上部保留結(jié)構(gòu)的安全可靠性，須保證橋梁結(jié)構(gòu)在橋下基坑開挖、樁基托換施工過程中不至于產(chǎn)生過大的變形和較大的應(yīng)力，而掌握樁基托換的動態(tài)力學(xué)行為及荷載的轉(zhuǎn)移機(jī)制是進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)判的前提，為此本文擬通過三維數(shù)值計算對此進(jìn)行分析。

2.1 有限元計算模型

利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬，因托換施工涉及4處基坑條件相似，限于篇幅，本文僅分析2#基坑的托換模型。按工程設(shè)計尺寸建立的原樁、托換結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)模型見圖2，為便于后面分析，對樁基進(jìn)行編號(見圖2(d))，1-4為托換樁，6-8為原樁基礎(chǔ)，A-D為被托換樁，a和b為橋梁墩柱。將模型共劃分為81699個單元 (均為SOLID45)、42144個節(jié)點，模型主要參數(shù)見表1。在計算過程中作如下假設(shè)：①假定托換主梁正截面始終保持平面，且忽略鋼筋與混凝土間的滑移(整體式模型)；②選用混凝土單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變特征作為其本構(gòu)關(guān)系模型；③因鉆孔灌注樁嵌入基巖，為端承樁，假定下樁端固定；④忽略托換樁的沉降影響；⑤假設(shè)橋梁橋墩的沉降變形均已穩(wěn)定。

表1 模型主要計算參數(shù)

圖2 數(shù)值計算模型

因是簡化模型，計算僅考慮重力荷載，將橋梁上部結(jié)構(gòu)等效為荷載施加在橋墩柱上，見圖2(c)，樁基礎(chǔ)底部三向位移全約束。經(jīng)計算得每根墩柱的平均荷載為2717.325kN/m2。通過在托換樁底部施加向上位移值實現(xiàn)主動托換千斤頂?shù)捻斏?，該位移值通過被托換樁基礎(chǔ)應(yīng)力約為“0”或受較小的拉應(yīng)力時判定。為了還原托換前、托換后和樁基礎(chǔ)截除過程中被托換結(jié)構(gòu)的荷載傳遞和沉降變形規(guī)律，運(yùn)用“單元生死”功能，將整體過程劃分為4個載荷步：①托換前工況(Time1，將托換結(jié)構(gòu)單元“殺死”)；②托換結(jié)構(gòu)施工后頂升前工況(Time 2，讓托換結(jié)構(gòu)單元“出生”)；③托換結(jié)構(gòu)頂升后工況(Time 3)；④截樁后工況(Time4，“殺死”被托換樁基單元)。

2.2 樁基托換動態(tài)力學(xué)行為分析

通過多次試算發(fā)現(xiàn)，隨著頂升位移的增加，被托換樁A、B、C、D應(yīng)力值由負(fù)變?yōu)檎?，即由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，此時截樁對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響最小，圖3為各載荷步的豎向應(yīng)力云圖。分析發(fā)現(xiàn)，因托換樁基和原樁基的共同受力，Time 2時的被托換樁樁頂豎向應(yīng)力減小。為了減小截樁對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，通過試算不同頂升位移值，使Time 3時被托換樁樁頂應(yīng)力接近“0”或受較小的拉應(yīng)力；經(jīng)多次試算，確定1-4號托換樁的頂升位移值依次為1.5mm、1.2mm、1.3mm和1.5mm。圖3(c)為該頂升位移工況下的應(yīng)力云圖，可以看出此時被托換樁樁頂受較小的拉應(yīng)力。Time 4截樁后，被托換樁樁頂?shù)呢Q向應(yīng)力變化較小，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。托換樁頂升前、后及截樁后各樁樁頂豎向應(yīng)力最大值見表2。

圖3 各載荷步豎向應(yīng)力云圖

表2 托換前后各樁頂豎向應(yīng)力(MPa)

由表2可知，在頂升作用下，1-4號托換樁樁頂豎向應(yīng)力均增幅4倍以上；橋墩a柱底的豎向應(yīng)力減小6.7%，橋墩b柱底的豎向應(yīng)力則增加11.8%，總體來說橋墩柱所受應(yīng)力總和變化不大。當(dāng)各托換樁頂升位移達(dá)到預(yù)設(shè)值時，被托換樁樁頂豎向應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.70MPa，未超過《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中C30混凝土的抗拉強(qiáng)度1.43MPa，達(dá)到截樁條件。截樁后與頂升后的各樁樁頂豎向應(yīng)力變化不大，被托換樁處的樁因卸載作用豎向應(yīng)力略有減小。頂升作業(yè)對樁基豎向應(yīng)力影響最大，施工中應(yīng)格外關(guān)注。

2.3 托換作業(yè)樁基體系荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制

通過前述計算分析，在樁基主動托換過程中的荷載傳遞規(guī)律如圖4所示。原樁基體系中各橋梁樁基均受壓應(yīng)力；受頂升作業(yè)影響，橋梁樁基受力變拉應(yīng)力，橋梁上部荷載由托換樁體系承擔(dān)；待被托換樁截樁作業(yè)完成后，各樁基(托換樁基和剩余橋梁樁基)恢復(fù)受壓應(yīng)力。

2.4 托換作業(yè)樁基沉降規(guī)律

對樁梁式托換而言，不僅要從樁基承載力進(jìn)行分析，還需研究多跨托換的樁基沉降規(guī)律。因被動托換截樁后的豎向位移很大，影響橋梁的正常使用，故本工程采用主動托換技術(shù)。托換過程中樁基體系豎向位移變化情況見圖5，截樁前后各樁頂豎向位移和沉降差見表3。

圖4 托換作業(yè)樁基體系荷載傳遞規(guī)律示意圖

圖5 各載荷步豎向位移云圖

表3 截樁前后各樁頂豎向位移和沉降差(mm)

結(jié)合圖5和表3可知，原樁基礎(chǔ)在荷載作用下的豎向位移呈均勻分層，墩柱及承臺沉降較大，樁基沉降很小(小于1mm)。Time 2加入托換結(jié)構(gòu)后，被托換樁樁頂豎向位移略微增大；Time 3頂升后，被托換樁A-D樁頂豎向位移均出現(xiàn)大幅下降，且位移方向由沉降變?yōu)槁晕⑻?，表明被托換樁軸力、應(yīng)力已接近“0”，其處于輕微受拉狀態(tài)，有利于截樁后體系的穩(wěn)定。Time 4截樁后，被托換樁A-D樁頂豎向位移均增大，說明施加的頂升位移對被托換樁的卸荷作用明顯。總體而言，橋墩柱a和b頂面沉降較小且相近，可以保證橋面板的平順；截樁前后，被托換樁沉降差最大為1.00mm；截樁之后，1-4號托換樁最大壓縮形變值為0.78mm，說明主動托換沉降控制效果較好。頂升作業(yè)對樁基豎向位移影響最大，施工中應(yīng)格外關(guān)注。

3 施工流程及監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 施工流程

本工程樁基托換總體施工流程見圖6，圖7為截樁工序現(xiàn)場圖。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖6 樁基托換總體施工流程

圖7 截樁施工現(xiàn)場

托換結(jié)構(gòu)的施工、頂升和截樁作業(yè)等將引起樁基體系各構(gòu)件的受力、位移及變形狀況，在施工過程必須系統(tǒng)監(jiān)測，及時調(diào)控以保證橋梁的安全。因此，本項目在施工過程中對橋梁線形、托換梁變形、托換梁傾斜、托換梁應(yīng)力和被托換樁上部橋墩豎向位移等開展監(jiān)測。圖8為各樁樁頂豎向位移變化曲線圖，從圖中可以看出，整體變形控制較好；對比發(fā)現(xiàn)模擬分析規(guī)律與實測結(jié)果較為吻合，說明了前述數(shù)值計算的合理性。

4 結(jié)論

本文針對福建某地鐵線盾構(gòu)隧道穿越某橋樁基的工程案例，通過數(shù)值模擬分析不同施工步序下前述體系中各構(gòu)件的受力及位移變化，探究了樁基托換過程中體系構(gòu)件的動態(tài)力學(xué)行為及其荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制，主要結(jié)論如下：

圖8 2號基坑橋墩柱位移變化曲線

(1)在頂升作用下，各托換樁樁頂豎向應(yīng)力均增幅4倍以上，被托換樁樁頂豎向應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，橋墩柱所受應(yīng)力總和變化不大。截樁前后各樁樁頂豎向應(yīng)力變化不大?？傮w而言，頂升作業(yè)對樁基豎向應(yīng)力影響最大。

(2)托換作業(yè)樁基體系荷載轉(zhuǎn)移機(jī)制主要表現(xiàn)為原樁基體系中各橋梁樁基均受壓應(yīng)力，受頂升作業(yè)影響，橋梁樁基受力變拉應(yīng)力，橋梁上部荷載由托換樁體系承擔(dān)；待被托換樁截樁作業(yè)完成后，各樁基(托換樁基和剩余橋梁樁基)恢復(fù)受壓應(yīng)力。

(3)在頂升作用下，被托換樁豎向位移均出現(xiàn)較大下降，且位移方向由沉降變?yōu)槁晕⑻砻鞅煌袚Q樁軸力、應(yīng)力已接近“0”，其處于輕微受拉狀態(tài)，有利于截樁后體系的穩(wěn)定。截樁后，被托換樁樁頂豎向位移均增大，說明施加的頂升位移對被托換樁的卸荷作用明顯。頂升作業(yè)對樁基豎向位移影響最大。