樁基托換的動態力學行為及其荷載轉移機制

■莊全貴

(福州地鐵集團有限公司，福州 350108)

0 引言

隨著城市化進程的推進，地鐵、高架橋梁等基礎設施的建設如火如荼，兩者近接施工的情況也愈發常見。因大部分地鐵線路規劃在城市中心區，而這些區域已有各類橋梁、建(構)筑物等，地鐵隧道施工中穿越橋梁、建筑物等結構物的情況愈發常見[1-3]。樁基礎作為最普遍的建筑(構)物的基礎形式，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，須依據隧道與建筑物樁基的現場情況，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是安全地將既有建筑物原樁基所受荷載轉移至新的托換結構上，并且要求在該轉移過程中及轉移之后，既有建筑物的應力及變形等指標均在限值范圍內。要實現前述目標，需要合理設計托換結構體系，而掌握樁基托換過程中各構件的動態力學行為及其荷載轉移機制是合理設計的關鍵。當前地鐵隧道施工的樁基托換的工程案例不少[7-10]，樁基托換技術也得到較大發展，但梳理發現仍缺乏對樁基托換過程中各構件動態力學行為及其荷載轉移機制的研究。本文以福建某地鐵線區間隧道穿越某立交橋樁基為背景，結合已有相似工程實例，針對橋梁上部結構-樁身-托換結構體系，通過數值模擬分析不同施工步序下前述體系中各構件的受力及位移變化，探究樁基托換過程中體系構件的動態力學行為及其荷載轉移機制，并利用現場實測數據進行驗證，研究成果對樁基托換設計和施工具有重要的參考價值。

1 工程概況

福建某地鐵線盾構隧道區間沿某橋西側引橋下穿過，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)連續梁結構。托換橋墩(臺)與區間線路平面位置關系圖見圖1。擬被托換的樁均是φ1.2m鉆孔灌注樁，初步設計橋墩處采用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)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。

根據地質資料顯示，本工程地層從上至下依次為素填土、粉質黏土、砂質黏土、全風化混合巖、強風化混合巖、中風化混合巖、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黏性土中，略具承壓性，基巖裂隙水賦存于強風化及中等風化巖中，具承壓性。

圖1 托換橋墩(臺)與區間線路平面位置關系圖

2 樁基托換的動態力學行為及荷載轉移機制

為了順利完成橋梁樁基托換，保證上部保留結構的安全可靠性，須保證橋梁結構在橋下基坑開挖、樁基托換施工過程中不至于產生過大的變形和較大的應力，而掌握樁基托換的動態力學行為及荷載的轉移機制是進行準確預判的前提，為此本文擬通過三維數值計算對此進行分析。

2.1 有限元計算模型

利用ANSYS軟件進行模擬，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。按工程設計尺寸建立的原樁、托換結構和整體結構模型見圖2，為便于后面分析，對樁基進行編號(見圖2(d))，1-4為托換樁，6-8為原樁基礎，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個節點，模型主要參數見表1。在計算過程中作如下假設：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力-應變特征作為其本構關系模型；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假設橋梁橋墩的沉降變形均已穩定。

表1 模型主要計算參數

圖2 數值計算模型

因是簡化模型，計算僅考慮重力荷載，將橋梁上部結構等效為荷載施加在橋墩柱上，見圖2(c)，樁基礎底部三向位移全約束。經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主動托換千斤頂的頂升，該位移值通過被托換樁基礎應力約為“0”或受較小的拉應力時判定。為了還原托換前、托換后和樁基礎截除過程中被托換結構的荷載傳遞和沉降變形規律，運用“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，將托換結構單元“殺死”)；②托換結構施工后頂升前工況(Time 2，讓托換結構單元“出生”)；③托換結構頂升后工況(Time 3)；④截樁后工況(Time4，“殺死”被托換樁基單元)。

2.2 樁基托換動態力學行為分析

通過多次試算發現，隨著頂升位移的增加，被托換樁A、B、C、D應力值由負變為正，即由受壓狀態變為受拉狀態，此時截樁對橋梁上部結構的影響最小，圖3為各載荷步的豎向應力云圖。分析發現，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力減小。為了減小截樁對橋梁上部結構的影響，通過試算不同頂升位移值，使Time 3時被托換樁樁頂應力接近“0”或受較小的拉應力；經多次試算，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力云圖，可以看出此時被托換樁樁頂受較小的拉應力。Time 4截樁后，被托換樁樁頂的豎向應力變化較小，結構趨于穩定。托換樁頂升前、后及截樁后各樁樁頂豎向應力最大值見表2。

圖3 各載荷步豎向應力云圖

表2 托換前后各樁頂豎向應力(MPa)

由表2可知，在頂升作用下，1-4號托換樁樁頂豎向應力均增幅4倍以上；橋墩a柱底的豎向應力減小6.7%，橋墩b柱底的豎向應力則增加11.8%，總體來說橋墩柱所受應力總和變化不大。當各托換樁頂升位移達到預設值時，被托換樁樁頂豎向應力由壓應力變為拉應力，最大拉應力為0.70MPa，未超過《鐵路隧道設計規范》中C30混凝土的抗拉強度1.43MPa，達到截樁條件。截樁后與頂升后的各樁樁頂豎向應力變化不大，被托換樁處的樁因卸載作用豎向應力略有減小。頂升作業對樁基豎向應力影響最大，施工中應格外關注。

2.3 托換作業樁基體系荷載轉移機制

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

2.4 托換作業樁基沉降規律

對樁梁式托換而言，不僅要從樁基承載力進行分析，還需研究多跨托換的樁基沉降規律。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。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 托換作業樁基體系荷載傳遞規律示意圖

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)

結合圖5和表3可知，原樁基礎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加入托換結構后，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大幅下降，且位移方向由沉降變為略微抬升，表明被托換樁軸力、應力已接近“0”，其處于輕微受拉狀態，有利于截樁后體系的穩定。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。頂升作業對樁基豎向位移影響最大，施工中應格外關注。

3 施工流程及監測結果分析

3.1 施工流程

本工程樁基托換總體施工流程見圖6，圖7為截樁工序現場圖。

3.2 監測結果分析

圖6 樁基托換總體施工流程

圖7 截樁施工現場

托換結構的施工、頂升和截樁作業等將引起樁基體系各構件的受力、位移及變形狀況，在施工過程必須系統監測，及時調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、托換梁應力和被托換樁上部橋墩豎向位移等開展監測。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；對比發現模擬分析規律與實測結果較為吻合，說明了前述數值計算的合理性。

4 結論

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

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力均增幅4倍以上，被托換樁樁頂豎向應力由壓應力變為拉應力，橋墩柱所受應力總和變化不大。截樁前后各樁樁頂豎向應力變化不大。總體而言，頂升作業對樁基豎向應力影響最大。

(2)托換作業樁基體系荷載轉移機制主要表現為原樁基體系中各橋梁樁基均受壓應力，受頂升作業影響，橋梁樁基受力變拉應力，橋梁上部荷載由托換樁體系承擔；待被托換樁截樁作業完成后，各樁基(托換樁基和剩余橋梁樁基)恢復受壓應力。

(3)在頂升作用下，被托換樁豎向位移均出現較大下降，且位移方向由沉降變為略微抬升，表明被托換樁軸力、應力已接近“0”，其處于輕微受拉狀態，有利于截樁后體系的穩定。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。頂升作業對樁基豎向位移影響最大。