冲击钻成孔施工对既有桥梁桩基的影响分析

冲击钻成孔施工对既有桥梁桩基的影响分析

张贺锋吕永喜

中交二公局第五工程有限公司陕西省西安市710065

摘要：新建桥梁与既有桥梁距离较近，新建桥梁桩基采用冲击钻成孔工艺，冲孔过程中可能会对邻近桥桩产生影响。通过Plaxis程序进行建模计算，模拟最不利落距情况下，冲击锤在不同深度位置施工时对临近既有桥梁基桩的影响，包括既有桩基的桩顶沉降、桩身最大侧移、最大弯矩及最大轴力。

关键词：冲击成孔；邻近桥桩；影响分析；不同深度；Plaxis程序；

1概述

东莞长安至深圳南山高速公路（广深沿江高速公路深圳段）二期第4合同段，主线为已建的广深沿江高速公路保税区特大桥。拟新建的互通匝道桥桩基距离现有的保税区特大桥桩基较近，最近为7m左右。互通匝道桩基采用冲击成孔工艺，最高落锤高度达6m，冲击荷载会对周围产生扰动，可能会对邻近桥桩产生影响，因此需要对冲击钻成孔施工对既有桩基的影响进行分析。

本文通过PLAXIS3D软件模拟重量为4.5吨冲击锤，最高落距在6m的情况下，冲击锤在10m、20m、30m深度位置施工时对临近既有桥梁桩基的影响，包括桩顶沉降、桩身最大侧移、最大弯矩及最大轴力，以分析冲击钻成孔施工对临近既有桩基的影响效果。

2计算模型及模型参数

2.1计算模型

采用Plaxis程序进行计算建模。Plaxis程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析，为能够高效解决大多数岩土工程问题。

根据拟建互通匝道桥设计资料，选取邻近广深沿江高速公路保税区特大桥102#墩附近的拟新建互通A匝道桥桩基施工过程进行计算，并选取临近的地质资料，建立模型如下。

桥梁桩基及邻近围垦模型示意图（a）桥梁桩基及邻近围垦模型示意图（b）

图3桥梁桩基及邻近围垦模型示意图

2.2参数取值

（1）模型参数取值

土层物理力学参数见下表。数值模拟考虑地下水的影响，地下水位以下取浮重度；土体材料采用摩尔库伦模型，桩身为线弹性材料，并且考虑桩-土接触面的接触-滑动-脱开。

表1土层物理力学参数

保税区特大桥102#墩桩基直径为1.8m，桩底标高为-25.7m，桩顶标高为1.3m，承台顶标高为3.3m，承台尺寸为9.6m*3.0m*2.0m（长*宽*厚）。A匝道-01#桥墩桩径为1.4m，桩底设计标高为-31.2m，承台顶标高为3.3m，承台尺寸为5.9m*3.0m*1.5m（长*宽*厚）。桩基模型中单元参数取值见下表2中参数所示。

表2桩模型材料参数

名称弹性模量E（MPa）泊松比υ密度ρ（kg/m3）

混凝土（桩）300000.22500

（2）荷载取值

广深沿江高速桥梁处于正常运营阶段，建模分析考虑桩顶荷载，结合设计图，单桩荷载取1000t，则102#桥梁两根桩合计20000kN，荷载施加在承台上。

对于冲击锤荷载，冲击锤重量为4.5吨，最高落距约为6m，新建匝道桥桩基桩径为1.4m，冲击锤落孔后的冲击荷载作用面积为直径为1.4m的圆截面，作用时间假设为1s。根据前苏联学者B.Φ.别斯帕得金计算，每冲击一次，冲击钻头有效破碎时间为0.003s～0.005s，相当于总时间的1/240～1/360。因此，根据不同落距换算得到冲击荷载峰值如下表3所示。假设落锤到孔底后1s内衰减至零。

表3冲击荷载取值

落锤高度/m能量时间/s冲击力/kN面积荷载/kPa

62700.0055400035079

3冲击钻施工不同工况分析

3.1工况选取

分别计算在10m、20m、30m不同深度成孔施工对邻近桥梁桩基的影响。选取工况如下：

(1)工况一：冲击至10m深度，最大落锤高度6m；

(2)工况二：冲击至20m深度，最大落锤高度6m；

(3)工况三：冲击至30m深度，最大落锤高度6m。

3.2计算结果

通过上述分析，可统计得到不同施工阶段既有桩基桩身变形和内力如表5所示。

表5不同施工阶段既有桩身最大变形和最大内力结果

从上表结果并结合地质条件和施工方式综合分析可知：

（1）随着冲击钻孔深度的增加，桩顶沉降、桩身最大侧移、最大弯矩及最大轴力均呈现明显下降趋势，表明随着冲击钻孔深度的增加，对邻近桩基影响逐渐减小；

（2）深度10m位置桩身最大测移为3.6mm，满足小于5mm的要求，表明在最不利条件下（冲击锤重量为4.5吨，最高落距约为6m），不会对原有基桩造成影响；

（3）应避免多桩同时冲击钻孔施工，减少累加作用对桩基的影响。

4结论和建议

通过PLAXIS3D软件模拟重量为4.5吨，最高落距约为6m的冲击锤在10m、20m、30m深度位置施工时对临近既有桥梁基桩的桩顶沉降、桩身最大侧移、最大弯矩及最大轴力的影响分析，主要结论和建议如下：

（1）随着冲击钻孔深度的增加，土质越来越好，冲击荷载对邻近保税区特大桥桥桩的影响越来越小，在较浅位置冲击施工时，对邻近桥梁桩基的桩顶沉降、桩身最大侧移、最大弯矩及最大轴力影响均较小，不会对原有基桩造成破坏性影响。

（2）由于不同深度冲击对邻近桥桩的位移可能存在部分不可恢复性，虽然某一深度的冲击对原有桥梁桩基影响较小，但是要充分考虑冲击钻施工的累积效应影响，综合考虑钻孔冲击荷载对桥桩的影响。

（3）在冲击钻成孔施工过程中，需要加强对既有邻近保税区特大桥桥桩的位移进行连续跟踪监控；

（4）当邻近保税区特大桥既有桥桩较近时，新建桥梁同一桩位处冲击成孔应逐根进行，不能两桩或多桩施同时施工，以最大程度降低打桩效应的叠加影响对既有桩基的不利影响。同时控制冲击锤在任何情况下的落锤高度不大于6m；

（5）由于场地浅部存在深厚软土，需要引起注意，及时进行护筒跟进，在防止缩孔的同时也可以减小冲击对既有保税区特大桥桩基的不利影响；

（6）如有可能，在基桩成孔施工方式上有条件时可适当尝试组合成孔：上部土层施工可考虑旋挖钻成孔，下部深厚岩层采用冲击钻比较适宜。

（7）以上分析结果可供类似工程参考。

参考文献

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