沖擊鉆成孔施工對(duì)既有橋梁樁基的影響分析

沖擊鉆成孔施工對(duì)既有橋梁樁基的影響分析摘要：新建橋梁與既有橋梁距離較近，新建橋梁樁基采用沖擊鉆成孔工藝，沖孔過程中可能會(huì)對(duì)鄰近橋樁產(chǎn)生影響。通過Plaxis程序進(jìn)行建模計(jì)算，模擬最不利落距情況下，沖擊錘在不同深度位置施工時(shí)對(duì)臨近既有橋梁基樁的影響，包括既有樁基的樁頂沉降、樁身最大側(cè)移、最大彎矩及最大軸力。

關(guān)鍵詞：沖擊成孔；鄰近橋樁；影響分析；不同深度；Plaxis程序；

1概述

東莞長(zhǎng)安至深圳南山高速公路（廣深沿江高速公路深圳段）二期第4合同段，主線為已建的廣深沿江高速公路保稅區(qū)特大橋。擬新建的互通匝道橋樁基距離現(xiàn)有的保稅區(qū)特大橋樁基較近，最近為7m左右。互通匝道樁基采用沖擊成孔工藝，最高落錘高度達(dá)6m，沖擊荷載會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生擾動(dòng)，可能會(huì)對(duì)鄰近橋樁產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)沖擊鉆成孔施工對(duì)既有樁基的影響進(jìn)行分析。

本文通過PLAXIS3D軟件模擬重量為4.5噸沖擊錘，最高落距在6m的情況下，沖擊錘在10m、20m、30m深度位置施工時(shí)對(duì)臨近既有橋梁樁基的影響，包括樁頂沉降、樁身最大側(cè)移、最大彎矩及最大軸力，以分析沖擊鉆成孔施工對(duì)臨近既有樁基的影響效果。

2計(jì)算模型及模型參數(shù)

2.1計(jì)算模型

采用Plaxis程序進(jìn)行計(jì)算建模。Plaxis程序是荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件，能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定分析，為能夠高效解決大多數(shù)巖土工程問題。

根據(jù)擬建互通匝道橋設(shè)計(jì)資料，選取鄰近廣深沿江高速公路保稅區(qū)特大橋102#墩附近的擬新建互通A匝道橋樁基施工過程進(jìn)行計(jì)算，并選取臨近的地質(zhì)資料，建立模型如下。

橋梁樁基及鄰近圍墾模型示意圖（a）橋梁樁基及鄰近圍墾模型示意圖（b）

圖3橋梁樁基及鄰近圍墾模型示意圖

2.2參數(shù)取值

（1）模型參數(shù)取值

土層物理力學(xué)參數(shù)見下表。數(shù)值模擬考慮地下水的影響，地下水位以下取浮重度；土體材料采用摩爾庫倫模型，樁身為線彈性材料，并且考慮樁-土接觸面的接觸-滑動(dòng)-脫開。

表1土層物理力學(xué)參數(shù)

保稅區(qū)特大橋102#墩樁基直徑為1.8m，樁底標(biāo)高為-25.7m，樁頂標(biāo)高為1.3m，承臺(tái)頂標(biāo)高為3.3m，承臺(tái)尺寸為9.6m*3.0m*2.0m（長(zhǎng)*寬*厚）。A匝道-01#橋墩樁徑為1.4m，樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-31.2m，承臺(tái)頂標(biāo)高為3.3m，承臺(tái)尺寸為5.9m*3.0m*1.5m（長(zhǎng)*寬*厚）。樁基模型中單元參數(shù)取值見下表2中參數(shù)所示。

表2樁模型材料參數(shù)

名稱

彈性模量E（MPa）

泊松比υ

密度ρ（kg/m3）

混凝土（樁）

30000

0.2

2500

（2）荷載取值

廣深沿江高速橋梁處于正常運(yùn)營(yíng)階段，建模分析考慮樁頂荷載，結(jié)合設(shè)計(jì)圖，單樁荷載取1000t，則102#橋梁兩根樁合計(jì)20000kN，荷載施加在承臺(tái)上。

對(duì)于沖擊錘荷載，沖擊錘重量為4.5噸，最高落距約為6m，新建匝道橋樁基樁徑為1.4m，沖擊錘落孔后的沖擊荷載作用面積為直徑為1.4m的圓截面，作用時(shí)間假設(shè)為1s。根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者B.Φ.別斯帕得金計(jì)算，每沖擊一次，沖擊鉆頭有效破碎時(shí)間為0.003s～0.005s，相當(dāng)于總時(shí)間的1/240～1/360。因此，根據(jù)不同落距換算得到?jīng)_擊荷載峰值如下表3所示。假設(shè)落錘到孔底后1s內(nèi)衰減至零。

表3沖擊荷載取值

落錘高度/m

能量

時(shí)間/s

沖擊力/kN

面積荷載/kPa

6

270

0.005

54000

35079

3沖擊鉆施工不同工況分析

3.1工況選取

分別計(jì)算在10m、20m、30m不同深度成孔施工對(duì)鄰近橋梁樁基的影響。選取工況如下：

(1)工況一：沖擊至10m深度，最大落錘高度6m；

(2)工況二：沖擊至20m深度，最大落錘高度6m；

(3)工況三：沖擊至30m深度，最大落錘高度6m。

3.2計(jì)算結(jié)果

通過上述分析，可統(tǒng)計(jì)得到不同施工階段既有樁基樁身變形和內(nèi)力如表5所示。

表5不同施工階段既有樁身最大變形和最大內(nèi)力結(jié)果

從上表結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)條件和施工方式綜合分析可知：

（1）隨著沖擊鉆孔深度的增加，樁頂沉降、樁身最大側(cè)移、最大彎矩及最大軸力均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，表明隨著沖擊鉆孔深度的增加，對(duì)鄰近樁基影響逐漸減??；

（2）深度10m位置樁身最大測(cè)移為3.6mm，滿足小于5mm的要求，表明在最不利條件下（沖擊錘重量為4.5噸，最高落距約為6m），不會(huì)對(duì)原有基樁造成影響；

（3）應(yīng)避免多樁同時(shí)沖擊鉆孔施工，減少累加作用對(duì)樁基的影響。

4結(jié)論和建議

通過PLAXIS3D軟件模擬重量為4.5噸，最高落距約為6m的沖擊錘在10m、20m、30m深度位置施工時(shí)對(duì)臨近既有橋梁基樁的樁頂沉降、樁身最大側(cè)移、最大彎矩及最大軸力的影響分析，主要結(jié)論和建議如下：

（1）隨著沖擊鉆孔深度的增加，土質(zhì)越來越好，沖擊荷載對(duì)鄰近保稅區(qū)特大橋橋樁的影響越來越小，在較淺位置沖擊施工時(shí)，對(duì)鄰近橋梁樁基的樁頂沉降、樁身最大側(cè)移、最大彎矩及最大軸力影響均較小，不會(huì)對(duì)原有基樁造成破壞性影響。

（2）由于不同深度沖擊對(duì)鄰近橋樁的位移可能存在部分不可恢復(fù)性，雖然某一深度的沖擊對(duì)原有橋梁樁基影響較小，但是要充分考慮沖擊鉆施工的累積效應(yīng)影響，綜合考慮鉆孔沖擊荷載對(duì)橋樁的影響。

（3）在沖擊鉆成孔施工過程中，需要加強(qiáng)對(duì)既有鄰近保稅區(qū)特大橋橋樁的位移進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)控；

（4）當(dāng)鄰近保稅區(qū)特大橋既有橋樁較近時(shí)，新建橋梁同一樁位處沖擊成孔應(yīng)逐根進(jìn)行，不能兩樁或多樁施同時(shí)施工，以最大程度降低打樁效應(yīng)的疊加影響對(duì)既有樁基的不利影響。同時(shí)控制沖擊錘在任何情況下的落錘高度不大于6m；

（5）由于場(chǎng)地淺部存在深厚軟土，需要引起注意，及時(shí)進(jìn)行護(hù)筒跟進(jìn)，在防止縮孔的同時(shí)也可以減小沖擊對(duì)既有保稅區(qū)特大橋樁基的不利影響；

（6）如有可能，在基樁成孔施工方式上有條件時(shí)可適當(dāng)嘗試組合成孔：上部土層施工可考慮旋挖鉆成孔，下部深厚巖層采用沖擊鉆比較適宜。

（7）以上分析結(jié)果可供類似工程參考。

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