本文依托深圳地铁7号线黄木岗站区间隧道穿越华强立交桥桩基工程, 展开主动托换与被动托换的荷载转换与桩基沉降规律及设计参数对桩基沉降的影响规律的研究。

深圳地铁7号线三期工程, 线路起自南山区丽水路, 终至罗湖区太安路, 线路总长度约29.962km。黄木岗站位于黄木岗立交桥下, 为地下站, 车站为南北向布置。黄木岗车站地面高程为18.970~24.220m, 其附近地貌情况为台地地貌, 车站开挖深度为27.4~29.3m。深圳市华强立交桥主桥总长222m, 南主桥由西向东, 北主桥由西向东, 南、北主桥均共3联。需进行托换处理的S8号、N8号桥墩均位于第3联。华强立交桥主桥南、北主桥墩柱为直径1.6m圆柱, 基础采用直径1.2m钻孔桩, 均为两桩承台, 以微风化花岗岩为桩端持力层。南桥S8号桥墩桩长32.2m, 桩基承台底标高17.500m, 桩底标高-14.700m。

根据实际工程的地质勘察报告, 隧道区间土层分布情况从上至下依次为素填土、粉质黏土、杂填土、淤泥质黏土、粉质黏土、粗砂、含砾黏土、砾质黏性土。

黄木岗车站地下水主要为孔隙水、潜水及基岩裂隙水, 基岩裂隙水具有微承压性。孔隙水主要赋存于冲洪积粗砂层中, 其次赋存于坡积含砺黏土、残积砺质黏性土、全风化花岗岩中。基岩裂隙水主要赋存于强风化花岗岩及中等风化花岗岩中。基岩裂隙发育, 孔隙水与裂隙水局部具有连通性。岩石富水性和透水性与节理裂隙发育情况关系紧密, 节理裂隙发育的不均匀性导致其富水性和透水性也不均匀。黄木岗车站地下水位埋深2.1~7.2m, 水位高程为14.360~18.680m。地下水的主要补给来源为大气降水, 排泄途径主要是蒸发和径流。

桩基托换的过程采用ANSYS软件中的单元生死功能进行模拟。单元类型采用solid45实体单元模型, 结构采用线弹性本构模型。考虑到桩基础为端承桩, 桩端受地基沉降影响较小, 其对桩基的影响可忽略不计, 故不对地基土单独建模。荷载方面考虑桥梁自重、城-A级设计车辆荷载和3车道的车辆荷载横向折减, 同时忽略汽车制动力、冲击力等影响, 经简化分析计算后得到单个墩柱上的平均荷载为3 590.93k N/m², 桩基础底部施加三向位移全约束。为便于描述及分析, 对桩基进行编号命名, 其中1~4号为托换桩, 5~6为原桩基础, A为桥梁墩柱。模型主要计算参数如表1所示, 原桩基和托换后桩基数值模型如图1所示。

主动托换是在原桩切断之前, 采用顶升工艺, 消除部分新的沉降变形与将要被托换结构的既有变形, 从而遏制托换结构的变形, 使其控制在很小的变化范围内。该法适用于大吨位和控制变形严格的情况。

为实现主动托换千斤顶的顶升作用, 对托换桩底部施加一定数值的向上位移, 从而达到相应的工程效果。经过多次模拟试算得到被托换桩基础应力由压力转换为拉力时的位移值为1.68mm, 即当对托换桩底部施加的向上位移为1.68mm时, 桩基托换施工对桥梁上部结构影响最小, 能最大限度地保证行车安全。

各施工过程的桥墩柱底、托换桩、被托换桩竖向应力如表2所示。由各施工时段的竖向位移云图可知, 在进行主动托换前, 墩柱承台交接处、原桩基与承台交接处均出现较为明显的应力集中。当托换梁与托换桩完成施工但未对托换桩施加顶升位移时, 被托换桩桩顶竖向应力有了一定程度的增加。分析认为, 虽然托换桩基体系和原桩基体系共同受力, 但由于托换梁体积较大, 其自重较大, 仍会一定程度地增大被托换桩桩顶竖向应力。顶升前被托换桩顶最大压应力为5.06MPa, 当其顶升至1.68mm时, 桩顶最大拉应力为0.47MPa, 满足相关规范要求, 此时可最大限度地减小截桩施工对桥梁及其上部结构的影响。同时, 由于千斤顶的顶升作用, 托换桩竖向应力有较大幅度的增加, 被托换桩竖向应力明显减小。当进行截桩施工后, 2号托换桩竖向压应力增加了0.21Pa, 被截桩体完全退出工作。

被动托换无顶升工艺, 其在原桩切断过程中, 将上部荷载通过托换梁传递到新桩上。通过设值千斤顶位移为0来模拟被动托换的切桩过程。

由被动托换各施工阶段结构的竖向应力云图可知, 加入托换结构后, 托换桩基体系和原桩基体系形成一个整体, 共同受力, 但因托换梁体积较大、自重较大, 被托换桩桩顶竖向应力有了一定程度的增加。截除原桩后, 托换桩桩顶竖向应力有较小程度的增加, 结构趋于稳定。

在分析荷载转换规律的基础上, 进一步研究桩基托换沉降规律, 这对于优化托换结构具有十分重要的意义。

通过模拟计算, 得到主动托换和被动托换各施工步骤下各桩基桩顶的竖向位移, 如表3所示。

由表3可知, 主动托换施工的桥墩柱顶面沉降较被动托换均匀。桥墩截桩前后的沉降差相差不大, 仅为0.96mm。总体施工前后桥墩柱顶面有轻微隆起, 位移为1.21mm, 满足桥面板平顺要求。由于千斤顶顶升作用, 顶升前后1~4号托换桩桩顶位移由竖直向下位移变为竖直向上位移, 且桥墩的沉降位移也逐步减小。截桩前后, 托换桩的竖向位移未出现显著变化, 最大仅为0.55mm。被动托换截桩后桥墩柱顶面沉降增加幅度较大, 总体施工前后墩柱顶面的沉降位移增大至4.79mm, 超过桥墩柱顶面预警值3.5mm, 不能保证桥面板平顺。

由图2可知, 托换梁沉降最大值均在托换梁跨中位置。主动托换时顶升前后最大沉降分别为4.28, 3.11mm。由于千斤顶的顶升作用, 主动托换顶升前和截桩后的最大沉降值仅为3.65mm, 远小于托换梁挠度预警值10.4mm, 满足施工要求。被动托换时在顶升前最大沉降为4.28mm, 截桩后最大沉降为9.11mm, 托换梁的沉降极为明显, 顶升前和截桩后的最大沉降值为4.83mm。分析认为, 桩梁式托换时被托换桩上部的沉降位移主要是由托换梁的挠曲变形引起, 其通过主动托换的千斤顶顶升位移可以得到较好改善。采用被动托换工法时, 各结构的沉降均较大, 尤其桥墩柱顶面的沉降大幅度增加, 沉降控制效果极差, 不能满足相应施工要求。

通过数值计算的方法分析托换体系的不同桩长、不同桩径、不同梁高、不同梁宽下整体结构的变形分布情况。选择被托换桩顶面作为分析目标面, 分析荷载步为截桩后, 研究其竖向位移分布情况, 在此基础上对托换体系设计参数进行对比分析。

对托换桩长分别为18, 20, 22, 24, 26, 28m的桩基结构进行计算和分析。托换桩直径为1.5m, 托换主梁高2.5m, 托换次梁高2.0m, 托换主梁宽2.5m, 托换次梁宽2.5m, 分析工况为截桩后。墩柱顶面作为分析目标面, 提取其不同施工阶段墩柱顶面竖向位移情况, 如表4所示。

由表4可知, 在不同桩长情况下, 截桩过后的墩柱竖向位移变化随桩长的增加而减小。当托换桩基桩长从28m增加到36m时, 墩柱的竖向位移绝对值随之增大。即桩长越长, 墩柱处的沉降差越小, 托换结构的沉降越小。从沉降控制角度来看, 对于端承桩, 托换桩桩长越长, 沉降控制越好, 但考虑到花岗岩持力层的位置关系, 选择32m作为托换桩桩长较优。

分别对托换桩基直径分别为1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 1.9m的截桩后的新桥桩体系进行计算分析。设托换桩长为32m, 托换梁高3.5m, 托换梁宽6.0m, 托换梁长21.5m。提取其不同施工阶段墩柱顶面竖向位移情况, 如表5所示。

由表5可知, 不同桩径下截桩过后的墩柱顶竖向位移变化趋势相同。桩径为1.1m时, 其竖向位移均为负值, 即被托换桩处于下沉情况。当桩径由1.3m增加到1.9m时, 其竖向位移均为正值, 即墩柱顶上拱。分析认为, 桩径越大, 墩柱顶的竖向位移绝对值越小, 结构上拱越大, 托换结构的沉降越小。从沉降控制角度来看, 针对端承桩托换桩桩径越大, 沉降控制越好, 但考虑到材料使用的经济性, 托换桩桩径1.5m已经完全满足施工运营的安全性, 且此参数对沉降控制较明显, 因此托换桩桩径1.5m较优。

对托换梁高分别为2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5m的托换主梁截桩后的新桥桩体系进行计算分析, 设托换桩长为32m, 托换桩桩径为1.5m, 托换梁宽6.0m, 托换梁长21.5m。提取其不同施工阶段墩柱顶面竖向位移情况, 如表6所示。

由表6可知, 在不同梁高情况下, 截桩后的墩柱顶竖向位移变化趋势相同。当梁高2.5m时, 其竖向位移为负值, 即墩柱顶处于下沉情况;梁高3.0~4.5m时, 其竖向位移均为正值, 即墩柱处上拱。分析认为, 当梁高越大, 墩柱处竖向位移绝对值在逐渐减小, 即上拱越大, 说明增加托换梁梁高会减小托换结构的沉降。从沉降控制角度来看, 托换梁梁高越大, 沉降控制越好, 但考虑到材料使用的经济性, 托换梁梁高3.5m已经完全满足施工运营的安全性, 因此托换梁梁高3.5m较优。

分别对宽度为5.0, 5.5, 6.0, 6.5m的托换主梁截桩后的新桥桩体系进行计算分析, 设托换桩长度为32m, 托换桩桩径1.5m, 托换梁梁高3.5m, 托换梁长21.5m。提取其不同施工阶段墩柱顶面竖向位移情况, 如表7所示。

由表7可知, 在不同梁宽情况下, 截桩过后的墩柱顶竖向位移变化随梁宽的增加而减小。梁宽5.0m增加到7.0m时, 墩柱竖向位移绝对值逐渐增加, 墩柱处上拱效应逐步减小, 即沉降有一定程度的增大, 但结果仅相差14%, 效果不明显。

1) 通过多次模拟试算得到黄木岗站区间隧道穿越华强立交桥桩基托换工程的顶升位移为1.68mm。即主动托换的千斤顶顶升至1.68mm时截断被托换桩, 能最大限度地减小托换施工对桥梁上部结构影响, 保证桥梁的平顺和行车安全。

2) 桩梁式托换变形沉降的主要因素是托换梁的挠曲变形。主动托换时千斤顶的顶升作用可以有效抵消托换梁的挠曲变形, 从而减小托换施工对上部桥梁结构的影响。

3) 采用被动托换施工工艺时, 总体施工前后桥墩柱顶面有较大隆起, 不满足桥面板平顺要求。故针对本工程建议采用主动托换工艺进行托换施工。

4) 在一定范围内, 随着托换体系的桩长增大、桩径增大、梁高增大, 被托换桩顶处竖向位移差越小, 有利于减小梁顶负弯矩。托换梁的宽度对桥梁结构的影响效果不显著。