對(duì)新建異型橋梁承臺(tái)樁基托換受力的分析

王高飛WANG Gao-fei

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 200001）

0 引言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市群和都市圈人口劇增，交通壓力持續(xù)增長(zhǎng)，城市地上空間有限，為緩解不斷增長(zhǎng)的交通擁堵規(guī)模，人們逐步向地下發(fā)展交通。但地鐵區(qū)間規(guī)劃避免不了與地面原有構(gòu)筑物如橋梁、房屋等產(chǎn)生空間沖突。

原有施工建設(shè)中普遍采取拆除地面原有構(gòu)筑物，原地重建的方式，但工程成本巨大，進(jìn)度緩慢，社會(huì)影響較大，地面交通不易保障暢通和盡快恢復(fù)?？梢圆捎玫罔F樁基托換技術(shù)，既不影響地面交通，又可大幅縮減工程成本，提高工程進(jìn)度。樁基托換技術(shù)一般用于改造建筑物地下基礎(chǔ)，是進(jìn)行地基處理和加固的一種方式，主要解決既有建筑物的地基加固問(wèn)題、既有建筑物基礎(chǔ)下需要修建地下工程及新建建筑工程影響到既有建筑物安全時(shí)需要處理等問(wèn)題。采用樁基托換技術(shù)可以節(jié)省工期進(jìn)度，減少項(xiàng)目的投資，保證城市交通體系正常運(yùn)行，對(duì)周邊環(huán)境影響較小。

在實(shí)際施工過(guò)程中較少涉及異形結(jié)構(gòu)承臺(tái)的樁基托換技術(shù)。本文結(jié)合廈門地鐵6號(hào)線集華區(qū)間盾構(gòu)工程，采用有限元軟件分析異形橋臺(tái)樁基托換過(guò)程中的受力情況，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

1 工程概述

廈門地鐵6號(hào)線集華區(qū)間盾構(gòu)工程施工中，某區(qū)間穿越一高架橋，如圖1所示。地鐵盾構(gòu)空間與高架橋Z3橋墩樁基發(fā)生沖突。因此需對(duì)該高架橋Z3橋墩樁基進(jìn)行托換，以便盾構(gòu)工程正常施工。原橋墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)。

經(jīng)專家論證后采用新建承臺(tái)樁基托換既有下部承臺(tái)樁基。新建承臺(tái)寬5.5m，長(zhǎng)13.8m，高3m，為異形結(jié)構(gòu)承臺(tái)，既有承臺(tái)置于新建承臺(tái)上方（如圖1所示）。新建承臺(tái)樁基直徑1.5m，最小樁間距3.8m，最大樁間距12.25m。

2 樁基托換技術(shù)簡(jiǎn)介

施工時(shí)考慮區(qū)間正穿Z3橋樁基礎(chǔ)，所以暫時(shí)擬對(duì)Z3進(jìn)行托換處理。

新建承臺(tái)形式為：樁基托換新建基坑深度約為5.045m（地面以下），坑中坑深度為2m，為異型橋臺(tái)。

3 有限元分析

3.1 兩種模型

為保證樁基托換中既有橋梁的穩(wěn)定性，分別采用MIDAS/FEA與MIDAS/CIVIL建立三維模型和梁?jiǎn)卧Ｐ?，?duì)新建異型樁基承臺(tái)受力情況進(jìn)行對(duì)比分析。MIDAS/FEA是材料非線性和細(xì)部應(yīng)力分析軟件，可以方便地建立實(shí)體單元、板單元、桿單元模型。MIDAS/CIVIL主要對(duì)桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，無(wú)法進(jìn)行細(xì)部分析。

由圖2、圖3可知：對(duì)于異形承臺(tái)而言，采用MIDAS/FEA三維模型能夠分析單位面積內(nèi)的應(yīng)力變化，而MIDAS/CIVIL三維模型則是進(jìn)行整體分析，無(wú)法看出微小部分的應(yīng)力變化。

3.2 彎矩、樁基反力及剪力

橋梁自重和橋上車輛、行人的荷載均使承臺(tái)產(chǎn)生向下的彎曲變形。新建承臺(tái)的彎矩采用梁?jiǎn)卧Ｐ秃腿S模型計(jì)算的最大彎矩分別為32068.2與31000kN·m，MIDAS/CIVIL三維模型結(jié)果偏大約3.4%左右，計(jì)算結(jié)果稍偏安全。

MIDAS/CIVIL梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算樁基反力結(jié)果差距較大，MIDAS/FEA三維模型顯示樁基反力相差較小。因其距離梁中心及既有承臺(tái)中心位置距離相差不大，MIDAS/FEA三維模型計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更相符。取MIDAS/FEA三維模型維計(jì)算反力結(jié)果作為樁基承載力計(jì)算依據(jù)。

剪力對(duì)比分析可知，MIDAS/FEA三維計(jì)算模型與MIDAS/CIVIL梁?jiǎn)卧?jì)算模型，新建承臺(tái)剪力結(jié)果總體吻合。各項(xiàng)荷載分項(xiàng)系數(shù)均取1的情況下，梁?jiǎn)卧畲蠹袅χ禐?3314.2kN，三維模型最大剪力值11900，梁?jiǎn)卧?jì)算剪力結(jié)果偏大約12%左右。梁?jiǎn)卧?jì)算結(jié)果稍偏安全。

綜上所述，對(duì)新建異型承臺(tái)彎矩、剪力計(jì)算分析時(shí)采用MIDAS/CIVIL梁?jiǎn)卧?jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)算，上部結(jié)構(gòu)荷載模擬、樁基反力計(jì)算時(shí)采用MIDAS/FEA三維計(jì)算結(jié)果作為承載力計(jì)算依據(jù)。

3.3 永久作用與可變作用

樁基主要平衡2個(gè)方向的力，一是向上的摩檫力，二是承臺(tái)下半部分向下的荷載。為防止樁側(cè)摩阻力變化產(chǎn)生位移，需分析永久作用下與可變作用下樁基承臺(tái)的位移變化。永久作用包括結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、土側(cè)壓力、混泥土收縮與徐變作用、基礎(chǔ)變位作用等，可變作用包括汽車荷載、汽車沖擊力、汽車離心力、汽車引起的土側(cè)壓力、汽車制動(dòng)力、人群荷載、疲勞荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、支座摩檫力等。

3.3.1 永久作用

MIDAS/FEA建立的三維模型在上部樁基結(jié)構(gòu)自重、承臺(tái)自重及覆土重力等作用下，結(jié)構(gòu)變形如圖4所示。

由圖4可知：樁基承臺(tái)受永久作用后的最大位移為0.841mm，位于距中心點(diǎn)水平距離6.7m節(jié)點(diǎn)處。

MIDAS/FEA建立的三維模型在收縮、徐變作用下，結(jié)構(gòu)位移如圖5所示。

由圖5可知：收縮、徐變作用下樁基承臺(tái)的最大位移為2.347mm，位于距中心點(diǎn)水平距離7.1m節(jié)點(diǎn)處。

3.3.2 可變作用

MIDAS/FEA建立的三維模型在可變作用下，結(jié)構(gòu)位移變形如圖6所示。

由圖6可知：在可變作用下，樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大位移為0.420mm，位于距中心點(diǎn)水平距離x=6.6m節(jié)點(diǎn)處。

樁基主動(dòng)托換完成后，后期承臺(tái)變形主要由收縮徐變與可變荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移形成，最大位移為3.608mm，小于控制值5mm，滿足規(guī)范要求。

3.4 新建承臺(tái)抗沖切計(jì)算

新建承臺(tái)受盾構(gòu)區(qū)間線路的影響，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為異形承臺(tái)，需計(jì)算其抗沖切性能，保證其穩(wěn)定性。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第5.6.1條要求，抗沖切承載需滿足

式（1）中：R0為樁基重要性系數(shù)，F(xiàn)1為作用于沖切破環(huán)錐體上的沖切力設(shè)計(jì)值，A為沖切系數(shù)，F(xiàn)為承臺(tái)混泥土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Um為沖切破環(huán)錐體一般效應(yīng)有效高度處的周長(zhǎng)，H0為承臺(tái)沖切破壞錐體的有效高度。

經(jīng)計(jì)算得：R0×F1=49480.2kN。

因此，需確定合理的承臺(tái)厚度，保證受力轉(zhuǎn)換過(guò)程中的橋梁穩(wěn)定性。

4 監(jiān)控量測(cè)

4.1 監(jiān)控量測(cè)的意義

在樁基托換過(guò)程，由于地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、地下構(gòu)筑物的受力狀態(tài)和力學(xué)機(jī)理、施工條件及外界其他復(fù)雜因素的影響，巖土工程仍是一門不完善的科學(xué)技術(shù)，很難單純從理論上計(jì)算和預(yù)測(cè)工程中可能遇到的問(wèn)題，理論預(yù)測(cè)值不能全面而準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。因此，在理論分析指導(dǎo)下，對(duì)敏感位置布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是十分必要的。

通過(guò)對(duì)工程主體結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素：由于隧道周邊介質(zhì)及環(huán)境較復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，自然環(huán)境因素不可預(yù)測(cè)，須借助監(jiān)測(cè)手段作為必要的補(bǔ)充，及時(shí)獲取相關(guān)信息，確保隧道的穩(wěn)定、地表建筑物和管線的安全。

監(jiān)測(cè)工作可驗(yàn)證設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工：通過(guò)監(jiān)測(cè)可以了解隧道結(jié)構(gòu)及周邊土體的實(shí)際變形和應(yīng)力分布，用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案與實(shí)際情況的吻合程度，并根據(jù)變形和應(yīng)力分布情況來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)和施工，為施工提供有價(jià)值的指導(dǎo)性意見(jiàn)。

施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可保障相關(guān)社會(huì)利益：區(qū)間掘進(jìn)對(duì)周邊建筑物、道路和地下管線等產(chǎn)生一定的影響，稍一疏忽很可能出現(xiàn)安全問(wèn)題，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人身危險(xiǎn)。跟蹤掌握在土方開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種不利現(xiàn)象，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)、施工工序及是否要采取應(yīng)急措施等提供技術(shù)依據(jù)，對(duì)保障相關(guān)社會(huì)利益不受損害具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體、周邊建（構(gòu)）筑物、道路、地下管線等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、整理和綜合分析，了解各監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)際變形情況及施工對(duì)周邊環(huán)境的影響程度，分析區(qū)域性巖土變形特征及支護(hù)方式，為以后類似工程的設(shè)計(jì)與施工積累現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置及監(jiān)測(cè)結(jié)果

沉降類監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置：地表沉降布置在周邊地表，橋墩沉降布置在橋墩上方，橋面沉降布置在橋面，管線沉降等，主要設(shè)備為電子水準(zhǔn)儀。

位移類監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置：地表豎向位移布置在周邊地表，地下管線豎向位移布置在地下管線上，建筑物豎向位移布置在建筑物上，橋墩豎向位移布置在橋墩上，墻體深層次水平位移布置在墻體上，主要設(shè)備為施工全站儀。

鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)主要在每斷面位置上的主筋上埋設(shè)不少于4只傳感器，主要設(shè)備為應(yīng)力傳感器。監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表1、表2可知各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移、軸力及應(yīng)力均均符合設(shè)計(jì)要求，證明樁基托換技術(shù)合理有效。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

借助有限元軟件MIDAS/FEA與MIDAS/CIVIL建立模型，對(duì)比分析異型承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)受力和變形，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)驗(yàn)證了兩種模型分析能滿足相應(yīng)規(guī)范要求。采用有限元軟件進(jìn)行受力結(jié)構(gòu)分析比采用圖解受力分析法更準(zhǔn)確直觀，可為設(shè)計(jì)施工提供可靠數(shù)據(jù)參考。