山區(qū)跨溝橋梁回填地基沉降對(duì)滿堂支架穩(wěn)定性影響分析

梁洪永 鄧濤 簡波 李鎮(zhèn) 龔洪葦 周越良

【摘 要】?山區(qū)跨溝橋梁支架現(xiàn)澆施工時(shí)，采用回填地基作為支架基礎(chǔ)，為研究地基不均勻沉降對(duì)支架穩(wěn)定性的影響，文章以山區(qū)某半徑為60 m的小半徑曲線現(xiàn)澆箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用Midas/Civil軟件建立滿堂支架有限元模型，探討受地基不均勻沉降引起的六種支架脫空工況下支架支撐體系受力特性及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著地基不均勻沉降引起滿堂支架與地基脫空范圍的增大，立桿最大反力和位移以及各構(gòu)件最大組合應(yīng)力均相應(yīng)增大，滿堂支架整體穩(wěn)定性隨之減小。據(jù)此提出了回填地基上保證支架穩(wěn)定的措施建議，可為今后類似山區(qū)跨溝橋梁工程施工提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】跨溝橋梁; 地基沉降; 滿堂支架; 支架脫空; 穩(wěn)定性

支架現(xiàn)澆是公路橋梁施工常用的施工方法，山區(qū)橋梁現(xiàn)澆施工受山區(qū)地形地勢(shì)的影響需要用回填地基作為支架的基礎(chǔ)，但回填地基沉降會(huì)影響支架穩(wěn)定性給施工安全帶來隱患。在施工過程中，由于降雨入滲等因素的影響，地基局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生了較大的不均勻沉降，受此影響，地基表面混凝土層發(fā)生了斷裂導(dǎo)致支架與地基脫空，見圖1。

建筑施工支架作為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工的重要承載部件和施工作業(yè)平臺(tái)，承擔(dān)著各類施工荷載[1]，其受力特點(diǎn)及穩(wěn)定性受到模板、次分配梁、主分配梁、水平桿、立桿及剪刀撐等各組成構(gòu)件力學(xué)與幾何特性的影響[2-3]，且與地基承載力密切相關(guān)[4-7]，而支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及地基承載能力直接影響工程的施工安全和工程質(zhì)量。因此，在實(shí)際工程中針對(duì)不同影響因素對(duì)支架支撐體系進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

針對(duì)支架支撐體系的穩(wěn)定性，一直是國內(nèi)外研究人員所關(guān)注的關(guān)鍵問題，多年來眾多學(xué)者通過大量的理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)分析對(duì)支架進(jìn)行了穩(wěn)定性分析[8-12]，研究成果較為豐富成熟。但在工程施工過程中，由于地基處理不當(dāng)或者水害問題導(dǎo)致地基沉降甚至與支架產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，對(duì)支架支撐體系穩(wěn)定承載能力有很大影響。對(duì)此，劉海闊[13]通過對(duì)滿堂支架在不同地基沉降工況下穩(wěn)定性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地基沉降對(duì)于支架支撐體系的穩(wěn)定承載力有很大的影響，在施工過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制支架支撐體系的地基沉降，防止支撐體系底部脫空;顧芳[14]利用有限元軟件，建立了滿堂腳手架體系模型，計(jì)算分析了沉降量大小對(duì)模板支架內(nèi)力的影響。

綜上所述，地基沉降對(duì)于支架支撐體系穩(wěn)定性的影響少有研究，而微小的變形都會(huì)敏感反映在結(jié)構(gòu)的受力特性上，因此，地基沉降對(duì)支架受力特性及穩(wěn)定性的影響是一個(gè)值得研究的問題，也是保證支架支撐體系施工安全性的關(guān)鍵。本文以山區(qū)某跨溝現(xiàn)澆箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究由于地基不均勻沉降引起的支架不同脫空范圍?duì)滿堂支架支撐體系穩(wěn)定性的影響，為此類工程施工提供參考。

1 工程概況

山區(qū)某跨溝橋上部結(jié)構(gòu)采用4×20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，如圖2，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用U型實(shí)體臺(tái)，橋墩采用雙柱式墩，基礎(chǔ)墩臺(tái)均采用灌注樁基礎(chǔ)，見圖3。橋址區(qū)屬中山地貌，地形起伏大，橋梁跨越小規(guī)模支溝，溝兩岸為斜坡地形，地面坡度約35°，坡體表面為厚約20 m的粉土質(zhì)礫，岸坡整體穩(wěn)定。

2 支架設(shè)計(jì)方案及參數(shù)選取

2.1 方案設(shè)計(jì)

2.1.1 支架模板方案

在施工過程中，選取0#墩與1#墩之間邊跨現(xiàn)澆段采用碗扣式鋼管滿堂支架，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[15]要求，采用公稱直徑為48 mm碗扣鋼管（壁厚3 mm），立桿間距為0.6 m，水平桿步距1.2 m。頂托上安裝10 cm×10 cm方木，縱向鋪設(shè)48×3.0 mm鋼管作為背楞，通過鐵釘在方木上固定，間距30 cm，底模接頭位置與鋼管平行放置一根5 cm×9 cm的定位長方木條，作為固定膠合板用，模板用鐵釘固定在定位木條上，為防止漏漿，模板接縫間貼5 mm厚的雙面膠帶，如圖4所示。

箱梁外模板采用1.5 cm厚定尺膠合模板，側(cè)模每隔20 cm用48×3.0 mm鋼管做背楞。安裝時(shí)，以外側(cè)模底腳外包并緊貼底板模外側(cè)，滿堂支架翼板底模頂面標(biāo)高仍采用可調(diào)托撐進(jìn)行調(diào)節(jié)。

內(nèi)模包括肋板內(nèi)側(cè)模、頂板底模和底板內(nèi)模。內(nèi)模采用可拆除的活動(dòng)木模，面板采用1.5 cm厚的膠合板，背楞采用48×3.0 mm鋼管，間距為20 cm。采用10 cm×10 cm的方木作為背檁，內(nèi)側(cè)模與外側(cè)模背檁之間，設(shè)置PVC管穿心拉壓桿，確保肋墻厚度且不得脹模。頂板底模采用8 cm×10 cm的方木或鋼管做立桿支撐，在立桿或鋼管下面，墊木楔作為調(diào)整標(biāo)高和脫模用，如圖5所示。

2.1.2 地基處理

在支架基礎(chǔ)位置，采用裝載機(jī)和人工清除表面的雜草和浮土，對(duì)軟弱基礎(chǔ)或含水量大不易壓實(shí)的基礎(chǔ)，采用合格的填料進(jìn)行換填，換填深度應(yīng)不小于80 cm;土方地基用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓密實(shí)。要求處理過的地基承載力不小于200 kPa。在夯實(shí)后的土地基上，土方地基鋪一層不小于30 cm厚級(jí)配良好的石渣或者碎石土作為墊層基礎(chǔ)，采用人工攤鋪平整，并用18 t壓路機(jī)碾壓密實(shí)。對(duì)距立柱較近和原來立柱開挖基坑位置，采用人工進(jìn)行夯實(shí)，石渣層攤鋪寬度超出箱梁翼緣板100 cm，且縱向超出蓋梁50 cm。在夯實(shí)后的碎石土層頂面滿澆20 cm厚C20混凝土，澆筑寬度超過翼緣板80 cm。

2.2 基本參數(shù)

2.2.1 材料參數(shù)

所用材料基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2.2 荷載取值

本次建模均以面荷載方式加載，經(jīng)計(jì)算，腹板荷載為39 kN/m2，翼緣板荷載為5.2～11.7 kN/m2線性遞增，頂、底板荷載為17.4 kN/m2均衡布置，為建模方便，支架水平直線布設(shè);模板自重軟件自動(dòng)計(jì)算，人員、機(jī)具荷載及混凝土沖擊荷載按2.5 kN/m2考慮。荷載臨界系數(shù)取4.0，靜載的安全系數(shù)取1.2，活載的安全系數(shù)取1.4。

3 滿堂支架穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)文獻(xiàn)[16-18]可知，地基沉降量與回填土厚度成正相關(guān)，當(dāng)回填土厚度不同時(shí)，回填地基沉降量與支架脫空范圍也相應(yīng)不同。在實(shí)際工程中，現(xiàn)場(chǎng)狀況復(fù)雜難以詳細(xì)測(cè)定，為簡化模型，定義滿堂支架支撐體系的不均勻沉降工況如下（圖6）：

工況一：回填地基未產(chǎn)生不均勻沉降;

工況二：回填地基靠近橋墩處3 %范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致一排支架發(fā)生脫空;

工況三：回填地基靠近橋墩處6 %范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致兩排支架發(fā)生脫空;

工況四：回填地基靠近橋墩處9 %范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致三排支架發(fā)生脫空;

工況五：回填地基靠近橋墩處12 %范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致四排支架發(fā)生脫空;

工況六：回填地基靠近橋墩處15 %范圍內(nèi)產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致五排支架發(fā)生脫空。

3.2 建模計(jì)算分析

本文根據(jù)支架搭設(shè)方案，采用有限元軟件Midas/Civil滿堂支架支撐體系地基沉降計(jì)算模型，模板采用板單元，其他桿件采用梁單元，共計(jì)11 489個(gè)節(jié)點(diǎn)，17 368個(gè)單元，計(jì)算模型如圖7所示。

3.3 滿堂支架整體穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

滿堂支架支撐體系在六種工況下計(jì)算分析結(jié)果如表2、圖8所示。

由表2、圖8（a）可知，隨著支架與地基脫空范圍的增大，立桿最大反力呈指數(shù)性增長，且最大反力出現(xiàn)位置向滿堂支架脫空處靠近，這是由于支架脫空之后，靠近橋墩處由連續(xù)結(jié)構(gòu)變成了懸臂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致靠近懸臂段的支座相對(duì)需要分配更多的荷載;如圖8（b）、圖8（c）所示，立桿最大位移及立桿、主分配梁、次分配梁的最大組合應(yīng)力脫空一排與未脫空時(shí)幾乎無變化，說明當(dāng)脫空范圍很小時(shí)，對(duì)各桿件的應(yīng)力影響較小，之后隨著脫空范圍的增大呈線性增大變化，脫空范圍達(dá)到一定程度，各桿件應(yīng)力開始相繼大于其容許強(qiáng)度，發(fā)生破壞，但面板最大組合應(yīng)力并未隨著支架與地基脫空發(fā)生明顯變化;由圖8（d）可見，滿堂支架的穩(wěn)定性隨著脫空范圍增大而減小，其數(shù)值近似呈線性關(guān)系，當(dāng)脫空范圍達(dá)到四排時(shí)，其穩(wěn)定性系數(shù)小于4，開始不滿足設(shè)計(jì)要求。

4 工程問題解決措施建議

當(dāng)在施工過程中，已經(jīng)出現(xiàn)或需預(yù)防出現(xiàn)地基產(chǎn)生較大不均勻沉降甚至支架脫空現(xiàn)象，可以采取以下措施進(jìn)行解決：

4.1 回填土地基沉降預(yù)防及處理

短期出現(xiàn)地基沉降的影響因素有很多，例如土的密實(shí)度不夠、回填土填料質(zhì)量不合要求、降雨入滲等。針對(duì)這些原因，可在施工時(shí)選擇質(zhì)量良好的填土材料，并采取合理物理及化學(xué)方法增大土的密實(shí)度。當(dāng)在雨季施工時(shí)，應(yīng)做好排水措施，例如在建筑物周圍設(shè)置排水溝，防止雨水入滲。

4.2 采用可調(diào)節(jié)支架

前文已分析到支架脫空會(huì)導(dǎo)致靠近脫空區(qū)域的立桿相應(yīng)分配更多的荷載，這對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是極為不利的。對(duì)此，可采用可調(diào)節(jié)支架，使脫空區(qū)域的立桿與地基重新接觸受力分配荷載，增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性。

4.3 支架與地基的實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)

在工程施工中，有些結(jié)構(gòu)變化緩慢，僅靠人眼及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)難以察覺判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，已經(jīng)造成事故或者錯(cuò)過了最好的解決時(shí)機(jī)，因此，及時(shí)了解工程實(shí)際狀況就顯得尤為重要。在施工現(xiàn)場(chǎng)合理安裝支架與地基的實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)裝置，可有效地向負(fù)責(zé)人及施工人員反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)狀況，及時(shí)解決工程問題，保證了施工質(zhì)量與安全。

5 結(jié)論

（1）在施工過程中，由于降雨入滲的影響，地基局部區(qū)域產(chǎn)生了較大的不均勻沉降，甚至地基上部混凝土層發(fā)生了斷裂導(dǎo)致出現(xiàn)了支架與地基脫空的現(xiàn)象。

（2）隨著滿堂支架與地基脫空范圍的增大，立桿的最大反力和位移以及各構(gòu)件的最大組合應(yīng)力均相應(yīng)增大，但面板的最大應(yīng)力并未發(fā)生明顯變化，且滿堂支架整體穩(wěn)定性系數(shù)隨之減小，即支架愈不穩(wěn)定。

（3）本次研究僅考慮了支架與地基脫空范圍對(duì)支架受力變化及穩(wěn)定性影響的研究，但在實(shí)際工程中工況及影響因素更為復(fù)雜，例如脫空位置、填土材料、風(fēng)荷載等，今后可進(jìn)一步研究各影響因素對(duì)支架穩(wěn)定性的敏感性及規(guī)律。

（4）預(yù)防及解決工程問題的措施可從回填土地基沉降預(yù)防及處理、采用可調(diào)節(jié)支架、支架與地基的實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)等方面進(jìn)行考慮。

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