高铁路基影响的现场试验分析及处治效果评价-以T型桥梁施工荷载为例
发布时间：2014-09-12 10:03
【摘要】 本文主要研究成都第二绕城高速新建跨线桥主体结构T型桥梁施工荷载对其所跨越的成灌线产生的影响,采用现场测试方法分析了隔离桩措施的防治效果。论文首先通过收集整理已有研究成果,详细介绍了桩基础对周边土体及邻近构筑物影响的研究现状,汇总了有关单桩、群桩基础的沉降理论研究成果。依托成都第二绕城高速公路跨成灌高速铁路跨线桥工程,通过在该工点布置多种沉降观测仪器对地基沉降变形进行现场监测,并对现场测试数据进行整理分析。结合现场监测结果、理论分析及数值模拟等,进一步研究了T型钢构施工荷载对成灌高铁路基的附加影响,并验证了隔离桩处治方案减小已运营高速铁路路基沉降、侧向位移的防治效果。通过现场监测、理论分析及数值模拟,本文得到如下几点结论：(1)路基面的沉降随着施工荷载的增加而增大,施工完成后路基面沉降逐渐趋于稳定,路基结构的变形可近似描述为37#、40#两主墩产生变形的叠加；由A-A、B-B断面的路基实时沉降监测结果表明,施工期和竣工后转体桥桩基荷载对铁路路基的附加沉降和差异沉降均处于可控范围之内,已有路基结构处于安全状态,保障了成灌高铁的正常运营。(2)在转体桥施工期内桩周不同深度地层的沉降随时间的延长不断增大,桥梁合拢阶段,竖向荷载不再增加,不同深度地层的沉降值收敛,基本保持稳定；桩端平面以上土层所产生的沉降比上桩端以下土层所产生的沉降小,二者的比值约为1：1.5。实测结果表明,采用隔离桩处置措施有效的降低了桩基础荷载对邻近路基结构产生的变形影响,具有明显的加固隔离效果,确保了已运营铁路路基的安全稳定。(3)群桩荷载引起桩周土体的水平位移沿深度方向大致呈S型,曲线具有两个明显的拐点,并出现了一个侧向位移为0的中性点,在地基土层上部,侧向位移具有往群桩方向拖拽的趋势,土层下部侧向位移表现出向外挤压的趋势。监测结果表明,隔离桩对群桩荷载引起的土体侧向变形具有一定的约束作用。(4)桩周土体在群桩荷载下产生沉降槽,其中承台边缘处沉降最大,沉降量为22mm,与群桩基础距离越远,地基沉降越小,在距离群桩基础20m以内沉降降幅较陡,20m以外沉降降幅渐渐趋缓；到距离群桩基础50m(三倍于承台直径)左右时,沉降量仅为lmm,可忽略不计,因此,该距离值可视为群桩基础的影响区域,监测结果也验证了Randolph理论的合理性。(5)数值计算得到的高速铁路路基沉降、左右坡脚的侧向变形规律与现场测试结果吻合较好,与比未设置隔离桩数值计算结果比较表明,采用隔离桩处治措施具有显著的防治效果,在今后类似的工程中,可借鉴此类处治措施。
【关键词】 T型桥梁； 路基沉降； 侧向变形； 隔离桩技术； 数值模拟；
第1章绪论
1.1研究背景
改革开放30余年，我国大举进行城市化进程，大力推进基础设施建设，城市之中，特别是特大型城市，高楼麟次祁比，城市立交，高架，轨道交通，地铁，桥梁，隧道一些列工程陆续上马，城市面貌日新月异。
在此情况下，城市用地紧张成为一个日渐显现且迫切有待解决的重要问题，在既有构筑物附近或是周边新建构筑物的情况屡见不鲜，然而这种情况下势必会在施工过程中产生大面积地面开挖，临时或永久堆载。早在2009年，上海市某楼盘就因在某已建成高层附近新建开挖地下车库，导致整栋楼房整体倒塌，可见新建构筑物对既有构筑物的附加影响是不容忽视的，这种附加沉降及不均沉降的造成与施工地点的地质环境，两构筑物之间的距离，以及新建构筑物的施工工法及顺序有密切关系。现阶段，国内外从事此方面研究的沉降计算方法文献等大都只是针对建筑物自重所产生的沉降而言，对新建构筑物施工荷载引起既有构筑物附加沉降深入系统的研究还为数不多，在工程实践中对于此类问题的解决大多是依靠工程师老道的经验以及规范中的粗略依据。所以无法用直观且行之有效的理论算法在较为准确的算出新建构筑物的现象范围及大小，随之制定科学合理经济的防治方案，做到提前预防也就无从谈起。因此，展开新建构筑物附加影响的研究，控制影响范围及大小，减小不均匀沉降及开裂成为当下迫切需要解决的重要工程问题。
在前几年高铁项目短暂的降温之后，今年国家对铁路项目的投资又重回8000亿的高峰，年末总投资额很有可能创历史新高，铁路建设是国家大计，是祖国的生命线。随着线路越来越多，复线、新线的建设紧罗密布，城市环线的陆续扩张，不可避免的会产生线路交叉的情况，随之跨线桥方案应运而生。然而高铁线路安全运营的重要性不言而喻，总理出访他国更是把它当做民主的骄傲向外推销，高铁对工后沉降要求极为严菏，如在邻近既有高铁线路新建他物，其产生的附加沉降加之高铁线路本身的工后沉降很有可能超越红线，需做严格控制。但目前国内外学者研究仅局限于基坑施工开挖及桩基施工震动带来的影响，对大自重桥基自身巨大荷载带来的附加影响研究较少。此项重要因素的忽略考虑很有可能产生巨大的安全隐患，为了探究群桩荷载对邻近路基的变形影响规律，依托在成都第二绕城高速公路西段TJ-B合同段B9试验段(成灌高铁跨线桥段）进行的由一家设计院（江苏省交通规划设计院）、两家工程局（中铁五院集团公司和四川公路桥梁建设集团有限公司）和一所高校（西南交通大学）共同参与的大型现场试验项目，以桩基础荷载对紧邻高铁路基的变形规律以及防护治理措施（隔离桩）的隔离效果进行了现场试验研究，此研究显得颇具实际意义和较高的学术价值。
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1.2国内外针对被基影响研究现状
1.2.1植基础对邻近既有建筑物的影响研究现状
目前大量的高层建筑、桥梁都釆用桩基础形式，这种超高层或是大跨度桥梁本身的自重都是数以万吨计的，其自身荷载之巨大我们是无法忽略的，在这种长桩基，深承台，大荷载的桩基础影响下，主要对周围构筑物和土体产生两个方面[1]影响：
(1)在挤土桩施工的时候，锤击、振入过程中会使原先在桩位处的土体大量被挤出，产生挤土效应，而且锤击会引起邻近构筑物和周围土体产生强迫震动，继而产生应力变化和产生变形；非挤土桩施工时，例如钻孔灌注桩，也会因为列车驶过产生的冲击效应或是施工震动导致成空塌陷，而且钻孔引起的地层缺失也会改变桩周土体的应力分布。
(2)桩基础完工后，随着其上部构筑物的逐步修建，其传递到桩基础上的荷载逐渐增加。然后由桩基通过桩端阻力和桩侧阻力向周围的土体扩散，当应力传递到周围已有构筑物或是地下结构时，很有可能附带的使其产生一定程度的附加沉降或是不均勾沉降，危害已有构筑物的安全。
1.2.1.1被基础对邻近既有线路的影响研究现状
现阶段，站在我国科研前端的技术人才对大荷载桩基础施工队既有线的影响还不够系统和深入，一个是工程实例还比较少，在一个对类似问题的重视程度还不够高。目前而言只有少数工程单位在现场施工过程中借鉴以往经验提出了一些缺乏理论计算认证的防护措施和加固方法。由罗裕明（2003) [2]、李陆平和王吉连（2010) [3]根具现场实际工况，为我们详细介绍分析如何在既有线附近进行桩基础施工时减小桩基础施工荷载的影响大小的加固方法，他们所采取的方式是在冲孔处采取型钢加固，阻隔附加应力的横向传递，同时为加大土体抗变形能力，增大水泥衆密度。采取以上一些列措施后，通过实时监测发现，很大程度上减小了桥基施工荷载的影响，确保了高铁线路的工程质量以及日后的安全运营。任志军（2005) W为了保证既有线不会因为跨线桥桥基施工荷载的影响而使己建成线路基础产生一系列病害，例如路基不均勻沉降，路基横向拉裂等，做出了大量研究分析工作，在做了大量调研以及施工技术论证后，提出了一种行之有效的加固处理方式，该法主要是釆取钢筋混凝土护壁加之钢管桩支撑进行加固处理，落实该法后，通过系统测试得出效果较为卓越，很好的保护了既有线，使路基状况保持平稳安全，确保了日后线路有序安全的运营。
虽然以上学者、技术人员提出了一些有效的防治措施。但是，我国关于桩基础对邻近既有线路的影响研究始终没有深入到桩基施工荷载对既有线路的深度。目前还只是局限于施工过程中冲击震动左右是否会对既有线产生扰动，而且所得出的结论大多是以来多年施工经验或是规范上粗略的算法，对于桩基础施工荷载引起的沉降对既有线路的影响方面采取深入系统的研究还是有待加强。
1.2.1.2植基础对邻近既有隧道的影响研究现状
关于桩基础施工对邻近隧道会产生如何影响的研究由来已久，英国的学者们早在半个多世纪以前就对类似问题做过研究，在有人提出伦敦Royal Festival Hall的桩基础方案后，很快得到了否决，由于桩基础设计位置距离北线管道较近，他们认为新建柱基础施工的过程中会对其产生扰动，产生诸多有害影响。Measor & Williams (1962) [5]和Ward (1961) [6]通过实验和监测，论证了新建桩基础施工对邻近隧道衬砲变形和位移的影响，通过数据分析显示，由于桩基础的施工，导致隧道产生整体沉降，沉降量为毫米级，并且有局部隧道断面产生收敛趋势，位置在离披基础最近处，收敛方向为沿隧道径向内侧。1969年Morgan & Bartlett为研究钻孔灌注桩施工对周边險道到底会产生何种影响[7]更是花费大量人力物力，在既有險道附近实地打入若干钻孔灌注桩，此研究精神可嘉但是研究方法现在看来还是有失偏颇；Benton & Philips在1991年通过大量现场试验分析了桩基础施工中荷载对周边險道产生的附加影响，研究内容包括应力扩散范围，扩散深度、衬砲变形值与方向以及位移产生何趋势的变化，并且研究群桩基础施工荷载引发隧道的形变趋势[8]; Schroeder F. C., Potts D. M. & Addenbrooke T. I.(2004) [9]通过进行有限元模拟来研究新建排桩对邻近隧道产生的影响，分别采用了平面及三维两种方式，通过演算数据显示在上述两种方法下所得结果差别甚微，所以在探讨排桩的影响也可采用平面方式，使得建模较为简化，减少计算周期，在描述新建桩基础的施工与荷载附加影响是可以把險道整体下沉量作为一个衡量指标。诸如此类的研究国外学者做了不少，笔者再此不在一一熬述。
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本文编号：8829
【关键词】 T型桥梁； 路基沉降； 侧向变形； 隔离桩技术； 数值模拟；
第1章绪论
1.1研究背景
改革开放30余年，我国大举进行城市化进程，大力推进基础设施建设，城市之中，特别是特大型城市，高楼麟次祁比，城市立交，高架，轨道交通，地铁，桥梁，隧道一些列工程陆续上马，城市面貌日新月异。
在此情况下，城市用地紧张成为一个日渐显现且迫切有待解决的重要问题，在既有构筑物附近或是周边新建构筑物的情况屡见不鲜，然而这种情况下势必会在施工过程中产生大面积地面开挖，临时或永久堆载。早在2009年，上海市某楼盘就因在某已建成高层附近新建开挖地下车库，导致整栋楼房整体倒塌，可见新建构筑物对既有构筑物的附加影响是不容忽视的，这种附加沉降及不均沉降的造成与施工地点的地质环境，两构筑物之间的距离，以及新建构筑物的施工工法及顺序有密切关系。现阶段，国内外从事此方面研究的沉降计算方法文献等大都只是针对建筑物自重所产生的沉降而言，对新建构筑物施工荷载引起既有构筑物附加沉降深入系统的研究还为数不多，在工程实践中对于此类问题的解决大多是依靠工程师老道的经验以及规范中的粗略依据。所以无法用直观且行之有效的理论算法在较为准确的算出新建构筑物的现象范围及大小，随之制定科学合理经济的防治方案，做到提前预防也就无从谈起。因此，展开新建构筑物附加影响的研究，控制影响范围及大小，减小不均匀沉降及开裂成为当下迫切需要解决的重要工程问题。
在前几年高铁项目短暂的降温之后，今年国家对铁路项目的投资又重回8000亿的高峰，年末总投资额很有可能创历史新高，铁路建设是国家大计，是祖国的生命线。随着线路越来越多，复线、新线的建设紧罗密布，城市环线的陆续扩张，不可避免的会产生线路交叉的情况，随之跨线桥方案应运而生。然而高铁线路安全运营的重要性不言而喻，总理出访他国更是把它当做民主的骄傲向外推销，高铁对工后沉降要求极为严菏，如在邻近既有高铁线路新建他物，其产生的附加沉降加之高铁线路本身的工后沉降很有可能超越红线，需做严格控制。但目前国内外学者研究仅局限于基坑施工开挖及桩基施工震动带来的影响，对大自重桥基自身巨大荷载带来的附加影响研究较少。此项重要因素的忽略考虑很有可能产生巨大的安全隐患，为了探究群桩荷载对邻近路基的变形影响规律，依托在成都第二绕城高速公路西段TJ-B合同段B9试验段(成灌高铁跨线桥段）进行的由一家设计院（江苏省交通规划设计院）、两家工程局（中铁五院集团公司和四川公路桥梁建设集团有限公司）和一所高校（西南交通大学）共同参与的大型现场试验项目，以桩基础荷载对紧邻高铁路基的变形规律以及防护治理措施（隔离桩）的隔离效果进行了现场试验研究，此研究显得颇具实际意义和较高的学术价值。
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1.2国内外针对被基影响研究现状
1.2.1植基础对邻近既有建筑物的影响研究现状
目前大量的高层建筑、桥梁都釆用桩基础形式，这种超高层或是大跨度桥梁本身的自重都是数以万吨计的，其自身荷载之巨大我们是无法忽略的，在这种长桩基，深承台，大荷载的桩基础影响下，主要对周围构筑物和土体产生两个方面[1]影响：
(1)在挤土桩施工的时候，锤击、振入过程中会使原先在桩位处的土体大量被挤出，产生挤土效应，而且锤击会引起邻近构筑物和周围土体产生强迫震动，继而产生应力变化和产生变形；非挤土桩施工时，例如钻孔灌注桩，也会因为列车驶过产生的冲击效应或是施工震动导致成空塌陷，而且钻孔引起的地层缺失也会改变桩周土体的应力分布。
(2)桩基础完工后，随着其上部构筑物的逐步修建，其传递到桩基础上的荷载逐渐增加。然后由桩基通过桩端阻力和桩侧阻力向周围的土体扩散，当应力传递到周围已有构筑物或是地下结构时，很有可能附带的使其产生一定程度的附加沉降或是不均勾沉降，危害已有构筑物的安全。
1.2.1.1被基础对邻近既有线路的影响研究现状
现阶段，站在我国科研前端的技术人才对大荷载桩基础施工队既有线的影响还不够系统和深入，一个是工程实例还比较少，在一个对类似问题的重视程度还不够高。目前而言只有少数工程单位在现场施工过程中借鉴以往经验提出了一些缺乏理论计算认证的防护措施和加固方法。由罗裕明（2003) [2]、李陆平和王吉连（2010) [3]根具现场实际工况，为我们详细介绍分析如何在既有线附近进行桩基础施工时减小桩基础施工荷载的影响大小的加固方法，他们所采取的方式是在冲孔处采取型钢加固，阻隔附加应力的横向传递，同时为加大土体抗变形能力，增大水泥衆密度。采取以上一些列措施后，通过实时监测发现，很大程度上减小了桥基施工荷载的影响，确保了高铁线路的工程质量以及日后的安全运营。任志军（2005) W为了保证既有线不会因为跨线桥桥基施工荷载的影响而使己建成线路基础产生一系列病害，例如路基不均勻沉降，路基横向拉裂等，做出了大量研究分析工作，在做了大量调研以及施工技术论证后，提出了一种行之有效的加固处理方式，该法主要是釆取钢筋混凝土护壁加之钢管桩支撑进行加固处理，落实该法后，通过系统测试得出效果较为卓越，很好的保护了既有线，使路基状况保持平稳安全，确保了日后线路有序安全的运营。
虽然以上学者、技术人员提出了一些有效的防治措施。但是，我国关于桩基础对邻近既有线路的影响研究始终没有深入到桩基施工荷载对既有线路的深度。目前还只是局限于施工过程中冲击震动左右是否会对既有线产生扰动，而且所得出的结论大多是以来多年施工经验或是规范上粗略的算法，对于桩基础施工荷载引起的沉降对既有线路的影响方面采取深入系统的研究还是有待加强。
1.2.1.2植基础对邻近既有隧道的影响研究现状
关于桩基础施工对邻近隧道会产生如何影响的研究由来已久，英国的学者们早在半个多世纪以前就对类似问题做过研究，在有人提出伦敦Royal Festival Hall的桩基础方案后，很快得到了否决，由于桩基础设计位置距离北线管道较近，他们认为新建柱基础施工的过程中会对其产生扰动，产生诸多有害影响。Measor & Williams (1962) [5]和Ward (1961) [6]通过实验和监测，论证了新建桩基础施工对邻近隧道衬砲变形和位移的影响，通过数据分析显示，由于桩基础的施工，导致隧道产生整体沉降，沉降量为毫米级，并且有局部隧道断面产生收敛趋势，位置在离披基础最近处，收敛方向为沿隧道径向内侧。1969年Morgan & Bartlett为研究钻孔灌注桩施工对周边險道到底会产生何种影响[7]更是花费大量人力物力，在既有險道附近实地打入若干钻孔灌注桩，此研究精神可嘉但是研究方法现在看来还是有失偏颇；Benton & Philips在1991年通过大量现场试验分析了桩基础施工中荷载对周边險道产生的附加影响，研究内容包括应力扩散范围，扩散深度、衬砲变形值与方向以及位移产生何趋势的变化，并且研究群桩基础施工荷载引发隧道的形变趋势[8]; Schroeder F. C., Potts D. M. & Addenbrooke T. I.(2004) [9]通过进行有限元模拟来研究新建排桩对邻近隧道产生的影响，分别采用了平面及三维两种方式，通过演算数据显示在上述两种方法下所得结果差别甚微，所以在探讨排桩的影响也可采用平面方式，使得建模较为简化，减少计算周期，在描述新建桩基础的施工与荷载附加影响是可以把險道整体下沉量作为一个衡量指标。诸如此类的研究国外学者做了不少，笔者再此不在一一熬述。
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本文编号：8829
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