頂進(jìn)箱涵鉆孔樁加固后背梁設(shè)計(jì)

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(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京　100037)

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頂進(jìn)箱涵鉆孔樁加固后背梁設(shè)計(jì)

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(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037)

摘要：既有鐵路頂進(jìn)箱涵時(shí)需要可靠穩(wěn)固的后背設(shè)備。當(dāng)施工空間限制或箱涵頂進(jìn)力過(guò)大時(shí)，常見(jiàn)后背形式不能滿足穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，需要在后背設(shè)備下加設(shè)鉆(挖)孔樁加固。對(duì)鉆(挖)孔樁加固后背設(shè)備的計(jì)算方法進(jìn)行探討，對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行了驗(yàn)算，可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

關(guān)鍵詞：頂進(jìn)法；后背；鉆孔樁；加固設(shè)計(jì)

1概述

既有鐵路頂進(jìn)箱涵時(shí)需要可靠穩(wěn)固的后背梁設(shè)備，它承擔(dān)著頂進(jìn)時(shí)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(lái)源廣泛，建造方便，應(yīng)用最為廣泛，但當(dāng)施工空間限制或箱涵頂進(jìn)力過(guò)大時(shí)，常見(jiàn)重力式后背不能滿足穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jià)很高。實(shí)際工程實(shí)踐中，當(dāng)重力式后背設(shè)備限于場(chǎng)地條件、頂進(jìn)推力不能滿足箱涵頂進(jìn)的要求時(shí)，往往通過(guò)在后背設(shè)備下加設(shè)鉆(挖)孔樁進(jìn)行加固來(lái)滿足強(qiáng)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(jìn)施工中應(yīng)用逐漸增多，但對(duì)其設(shè)計(jì)、檢算方法尚缺少系統(tǒng)研究，多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。本文對(duì)鉆(挖)孔樁——后背梁結(jié)構(gòu)體系的驗(yàn)算方法進(jìn)行探討，提出切實(shí)可行的驗(yàn)算思路，可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(chǎng)，依據(jù)設(shè)計(jì)公路縱斷面，設(shè)計(jì)頂進(jìn)箱涵全長(zhǎng)24 m，參考現(xiàn)場(chǎng)頂進(jìn)設(shè)備，原設(shè)計(jì)采用分節(jié)頂進(jìn)方案，全涵共劃分為3個(gè)箱涵節(jié)段，采用中繼間法頂進(jìn)。

但實(shí)際施工中，為減小工作坑開(kāi)挖、放坡對(duì)車(chē)站設(shè)備及生活用房的影響，管理方要求對(duì)原重力式后背予以改進(jìn)優(yōu)化，減小尺寸或采用樁板式后背。考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及施工條件，最終決定對(duì)頂進(jìn)后背采用鉆孔樁加固以減小后背梁尺寸及基坑開(kāi)挖面積。頂進(jìn)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(jìn)后背布置及工作坑情況詳見(jiàn)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(jì)算；

(2)后背結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算；

(3)后背梁內(nèi)力計(jì)算；

(4)樁基結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算；

(5)樁身及后背梁強(qiáng)度驗(yàn)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(yàn)算應(yīng)當(dāng)對(duì)兩個(gè)主要施工階段進(jìn)行檢算：(1)基坑開(kāi)挖后尚未施加頂進(jìn)力時(shí)穩(wěn)定驗(yàn)算；(2)相對(duì)最大箱涵頂力時(shí)后背結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗(yàn)算。由于樁基長(zhǎng)細(xì)比較小，通常可以采用剛性樁假定，計(jì)算簡(jiǎn)圖分別如圖2所示。

圖2　后背整體穩(wěn)定驗(yàn)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(jì)，僅對(duì)b)中參數(shù)詳細(xì)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(shí)際參數(shù)計(jì)算得到，Pmax=32 652 kN。

(2)Ep——后背承擔(dān)被動(dòng)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(dòng)土壓力理論,基坑開(kāi)挖6 m，樁基長(zhǎng)度10 m時(shí)有。

后背梁被動(dòng)土壓力合力

EP1=B×H×0.5×(e1+e2)

樁基被動(dòng)土壓力合力

EP2=N×b0×L×0.5×(e1+e2)

為了保證最大頂推力時(shí)，后背結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體穩(wěn)定性破壞，需要同時(shí)滿足下列兩個(gè)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(diǎn)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(jìn)行后背梁及樁基檢算計(jì)算復(fù)雜，且計(jì)算內(nèi)力對(duì)土層參數(shù)的敏感性較強(qiáng)，甚至偏于不安全。通常采用如下簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)化為群樁受力體系，此時(shí)后背梁可以簡(jiǎn)化為作為群樁系統(tǒng)的承臺(tái)。簡(jiǎn)化后的兩個(gè)驗(yàn)算體系如圖3所示。

圖3　后背梁水平面內(nèi)受力簡(jiǎn)圖

3.3后背梁內(nèi)力計(jì)算及強(qiáng)度驗(yàn)算

由于實(shí)際施工中，頂進(jìn)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(duì)圖4-a所示結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算及強(qiáng)度檢算

后背梁樁基檢算是分配梁——鉆孔樁體系計(jì)算驗(yàn)算中的重點(diǎn)，依據(jù)現(xiàn)有收集到的資料，此類(lèi)工程多采用剛性樁體系思路進(jìn)行樁基內(nèi)力計(jì)算及配筋設(shè)計(jì)。隨著土力學(xué)及樁基工程的發(fā)展，這種設(shè)計(jì)思路暴露出越來(lái)越多的缺陷，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ 120-2012引入考慮土的彈性抗力的彈性樁計(jì)算方法進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本工程采用彈性樁內(nèi)力計(jì)算思路進(jìn)行樁基計(jì)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(tái)，將6根鉆孔樁結(jié)合成為群樁，共同承擔(dān)水平向的最大頂推力，內(nèi)力及變形趨勢(shì)如圖4。

計(jì)算簡(jiǎn)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(shí)考慮《鐵路地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的構(gòu)件折減系數(shù)k；b0為樁基計(jì)算寬度0.9×(d+1)；h為水平地基彈簧中心距原地面點(diǎn)距離；Δh為上下兩層彈簧中心間的高差。

同時(shí)應(yīng)考慮承臺(tái)側(cè)面及承臺(tái)底土彈簧產(chǎn)生的對(duì)承臺(tái)的彈性反力的有利作用

Ph=khΔ

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

由圖4所示，實(shí)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(shí)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(duì)于本工程，當(dāng)頂推力達(dá)到最大時(shí)，即有Pmax=38 652 kN，A樁樁頂及樁身截面內(nèi)力如下。

表1　頂進(jìn)荷載荷載A樁身內(nèi)力表

由于A號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)，由于此類(lèi)結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生樁身彎矩大，實(shí)際設(shè)計(jì)中普通采用2～3根鋼筋組成的束筋，必要時(shí)可以采用舊鋼軌插入樁身，保證樁身足夠的強(qiáng)度，對(duì)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(jìn)時(shí)的后背設(shè)施具有施工便捷，場(chǎng)地開(kāi)挖面積小，單位長(zhǎng)度提供頂力大的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于既有鐵路箱涵的頂進(jìn)施工。

(2)分配梁——鉆孔樁后背體系需要滿足兩類(lèi)穩(wěn)定性，即：最大頂力作用不大于樁后提供足夠被動(dòng)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(dān)被動(dòng)土壓力，同時(shí)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(jì)算采用考慮土的彈性抗力的彈性樁計(jì)算方法，可以依據(jù)規(guī)范查表采用解析法完成或通過(guò)圖4有限元模型直接求解。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2015-09-28

作者簡(jiǎn)介：徐新(1963-)，工程師。

中圖分類(lèi)號(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2016)05-0107-02