張博恒

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

基于MIDAS GTS探討沖擊鉆對(duì)臨近橋的影響

張博恒

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074）

本文新橋由于施工條件限制而采用沖擊鉆的成孔方式進(jìn)行樁基施工。沖擊鉆對(duì)舊橋擾動(dòng)較大，對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生安全影響。通過有限元數(shù)值模擬，采用時(shí)程分析模擬沖擊荷載，定義相應(yīng)時(shí)程點(diǎn)得出沖擊鉆作用下舊橋的響應(yīng)，得出結(jié)論。根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的施工建議。

時(shí)程分析；沖擊荷載；有限元數(shù)值模擬；施工建議

1 引言

伴隨國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國內(nèi)交通蓬勃發(fā)展，如今，交通量的快速增長(zhǎng)造成既有交通設(shè)施的服務(wù)能力捉襟見肘。大量超載、過載車輛的通行對(duì)現(xiàn)有橋梁造成嚴(yán)重破壞，大大降低了橋梁承載能力以及服務(wù)能力。近年來，橋梁改造工程逐漸增多，在舊橋旁邊修建新橋越來越普遍。新橋樁基施工必然會(huì)對(duì)舊橋產(chǎn)生一定的安全影響。

在橋梁基礎(chǔ)中，樁基占相當(dāng)大的比例，施工方法也經(jīng)歷了從打入法、靜壓法到鉆孔灌注法的發(fā)展。在橋梁的鉆孔灌注法中，沖擊鉆成孔和旋挖鉆成孔是兩種主要的成孔方式。在環(huán)境影響方面，沖擊鉆振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境影響比旋挖鉆機(jī)要大，沖擊振動(dòng)對(duì)周圍擾動(dòng)較大。

2 沖擊鉆成孔

沖擊鉆錐鉆孔的特點(diǎn)是靠沖錐的重量和沖擊功能直接沖擊、破碎土、石，用泥漿懸浮鉆渣。使沖擊鉆能正常沖擊到新的土（巖）層，然后用掏渣筒取出鉆渣的成孔方法。此工法適宜用于亞粘土、砂類土、礫石、卵石、漂石、軟巖石，硬巖石等絕大多數(shù)地層。

3 工程概況

重慶潼南涪江大橋位于成渝高速公路的省道，是連接潼南南北交通干線的一座重要公路橋梁。原橋橋型為 4×60m+2×120m(等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱)+40m（等截面懸鏈線石砌板拱），于1994年8月竣工通車。通車后，由于國家建設(shè)形勢(shì)發(fā)生了重大變化，該橋?yàn)樗煊彖F路、遂渝高速公路、潼南新縣城的建設(shè)做出重大貢獻(xiàn)的同時(shí)，超速、超載車輛也嚴(yán)重危及著該橋的安全。經(jīng)論證，在原橋址上需新建涪江大橋。新橋橋址位于老橋橋址上，因工程需要先進(jìn)行新橋打樁再進(jìn)行舊橋拆除，新橋主橋墩位于老橋120m跨下方，新橋樁基距老橋橋墩最短距離為 31m。各樁均為鉆孔灌注樁，2#、3#、5#、6#、8#、9#樁基位于涪江大橋舊橋拱圈正下方且凈空尺寸無法滿足旋挖鉆工作高度的要求，故采用沖擊鉆孔施工方案。

4 有限元數(shù)值模擬

4.1 模型計(jì)算條件

（1）將巖土視為各向同性的理想彈性-塑性材料，并采用 Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

（2）巖土模型邊界條件：底邊為豎向位移約束，兩側(cè)為水平法向位移約束，前后也為前后水平約束，模型頂面為自由面。

（3）拱橋模型邊界：橋墩、拱腳為固結(jié)約束，上部結(jié)構(gòu)兩端為豎向約束。

（4）土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)以及前期勘察資料綜合取值。

（5）巖體物理性質(zhì)指標(biāo)：巖體物理性質(zhì)指標(biāo)直接使用巖石相應(yīng)指標(biāo)平均值。（6）巖體變形指標(biāo)：巖體彈性模量由巖石的室內(nèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.7后提供。

4數(shù)值模擬

4.2 沖擊鉆荷載

沖錘以一定速度沖擊地基土，由于土體相對(duì)沖錘剛度較小，沖錘會(huì)沖入土體一定深度，速度迅速降低為零，并發(fā)生較小反彈。由于作用時(shí)間很短，將會(huì)產(chǎn)生較大沖擊力。

假設(shè)：（1）沖錘為剛性體，與土介質(zhì)碰撞過程中不變形；（2）碰撞過程中沖錘與土不分離，且不考慮兩者之間的摩擦作用；（3）半空間是線彈性的，土體的最大位移仍在彈性范圍內(nèi)；（4）僅考慮主要的第一脈沖作用；（5）忽略重力作用。

沖擊荷載F與沖錘質(zhì)量，沖錘的密度，沖錘地點(diǎn)起算位移，沖錘觸底時(shí)刻起算的時(shí)間，介質(zhì)的彈性模量和泊松比有關(guān)?；谏鲜黾僭O(shè)沖擊荷載F可以用三角形荷載近似。其表達(dá)式為：

本依托項(xiàng)目，鉆頭質(zhì)量M=10000kg, 密度7800kg/m3，鉆頭行程s取1m?；A(chǔ)分為卵石層、泥巖層以及砂巖層，其彈性模量取值分別為 500MPa，2483.6MPa，1321MPa，帶入各巖層的彈性模量和泊松比，即可得到?jīng)_擊各巖層所產(chǎn)生的荷載波形。

4.3 有限元模型

本模型巖土部分范圍采取新橋與老橋橋墩連線上向前后各延伸 35m，垂直于連線方向兩側(cè)各延伸35m。巖土部分總尺寸長(zhǎng)寬高分別為：120m、79m、58m。橋梁部分采取受振動(dòng)較為敏感的橋梁中間部分 2×60m+2×120m跨。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

4.4 結(jié)算結(jié)果

在橋梁上取 4個(gè)時(shí)程觀測(cè)點(diǎn)，記錄在各施工工況下的橋梁速度曲線。測(cè)點(diǎn)1為橋墩墩頂位置，測(cè)點(diǎn)2為120m跨跨中位置，測(cè)點(diǎn)3為60米跨跨中位置，測(cè)點(diǎn)4為拱腳位置。

主墩左側(cè)邊跨跨中為全橋最大動(dòng)力響應(yīng)點(diǎn)；在施工5#樁卵石層時(shí)橋梁產(chǎn)生了最大的動(dòng)力響應(yīng)；在整個(gè)施工過程中，全橋最大的速度響應(yīng)為2.05cm/s。時(shí)程結(jié)果如圖2所示。

本依托工程測(cè)試對(duì)象為鋼筋混凝土拱橋，安全允許振動(dòng)速度為3.0cm/s-4.0cm/s之間，實(shí)際振動(dòng)速度小于安全允許振動(dòng)速度。

4.5 計(jì)算結(jié)論及建議

沖擊鉆孔施工的沖擊荷載對(duì)現(xiàn)潼南涪江大橋有一定的影響，實(shí)際振動(dòng)速度小于安全允許振動(dòng)速度，對(duì)橋梁的通行能力及正常使用功能會(huì)造成一定影響，因此樁基開挖施工應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鄰橋變形的檢測(cè)。

由于地下建筑多存在不確定性因素，地質(zhì)勘查的局限性，以及模型簡(jiǎn)化帶來的誤差，計(jì)算結(jié)果近似于實(shí)際，施工方在整個(gè)樁基開挖過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在整個(gè)施工過程中，建議施工方或業(yè)主單位聘請(qǐng)有相關(guān)資質(zhì)的單位對(duì)舊橋進(jìn)行變形監(jiān)控。隨時(shí)掌控結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)，為安全施工提供指導(dǎo)。

（2）施工過程中必須嚴(yán)格控制沖擊鉆沖擊行程，不得大于1m。

（3）施工過程中不得同時(shí)使用多臺(tái)沖擊鉆施工。

5 結(jié)論

改造工程中，樁基礎(chǔ)采用沖擊鉆施工，對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)影響較大。施工過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)掌控原結(jié)構(gòu)響應(yīng),做好對(duì)臨近橋的變形檢測(cè)。不得同時(shí)使用多臺(tái)沖擊鉆施工，在條件允許情況下，應(yīng)避免采用沖擊鉆成孔方式，以減小對(duì)原結(jié)構(gòu)的意外損害。

[1]陳藝強(qiáng)《橋梁沖擊鉆成孔灌注樁中的沖擊鉆成孔作業(yè)分析》[J].江西建材.2014.

[2]趙現(xiàn)利《針對(duì)不同地址鉆孔樁施工的鉆機(jī)配置》[J].江西建材.2014.

[3]胡建國《沖擊鉆嵌巖灌注樁沉渣厚度測(cè)量方法》[J].西部探礦工程.2003.

[4]陳華建《沖孔灌注樁施工對(duì)既有橋梁樁基的動(dòng)力影響分析》[J]. 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2013

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1007-6344（2016）07-0023-01

張博恒，碩士研究生，重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院