桩梁式托换结构设计方法及其应用

在地铁建设过程中,地铁隧道往往不可避免地在现有建筑物下方地基中穿过.当现有建筑物的基础是桩基时,隧道施工将减弱甚至破坏这些桩基的承载力.为了保护现有建筑物安全,必须在现有建筑物下方设计建造一个托换结构,使建筑物荷载从原桩基安全地转移到新托换结构上.这一托换结构应能承受所托换的全部荷载,并避开隧道施工范围,确保建筑物在桩基托换施工、隧道施工和地铁运营期间的安全.虽然在国内地铁建设中遇到的建筑物桩基托换工程越来越多,但面对这种难度大且以前很少遇到的特种工程,工程技术人员 目前 可借鉴的工程实例很少,可 参考 的托换结构设计方法更是缺乏.托换结构设计成为当前急需解决的 问题 .

 在某些条件下,尽管可考虑设置树根桩进行托换或通过注浆改良地基的托换方法[1],但受到地质条件、桩基类型、隧道位置和托换荷载等条件的限制,在大部分情况下并不适用.采用桩梁式托换结构对建筑物实施桩基托换,具有结构布置灵活的优点,是一种适用性广、安全性佳的桩基托换技术,被广泛应用于地铁建设过程中的建筑物桩基托换工程.本研究对桩梁式托换结构设计中的关键技术进行探讨,并提出桩梁式托换结构的设计概念和计算方法.

 

1 桩梁式托换结构的概念

 

 桩梁式托换结构是指用于托换建筑物桩基、由若干托换桩和托换梁组成的托换结构体系,典型的桩梁式托换结构立面布置如图1所示.托换桩采用钻孔灌注桩、挖孔灌注桩或钢管灌注桩等桩型.托换梁采用钢筋混凝土梁,为减少挠度变形在托换梁内实施预应力张拉,托换梁通过新旧砼交接面与被托换建筑物的结构相连,新旧交接面需承受并传递全部的托换荷载.

 

2 隧道施工通廊的概念

 

 假设隧道衬砌外径为ｄ,综合考虑隧道施工的方位偏差、隧道施工对地基土的扰动和托换桩施工的方位偏差等三方面因素,将隧道衬砌外沿1ｍ定义为隧道施工通廊,即隧道施工通廊的直径取Ｄ=ｄ+2ｍ,托换结构设计应满足以下要求:

 

1) 对于桩身侵入隧道施工通廊范围内的原基础桩应进行托换,托换荷载取该桩承受的全部荷载;

 

2) 对于桩端位于隧道施工通廊上方的原基础桩,应考虑桩的持力层情况、确定该桩是否托换及托换荷载的取值;

 

3) 新设的托换桩应该位于隧道施工通廊的范围以外.

 

3 桩梁式托换结构的变形控制

 

3.1 被托换建筑物的变形

 

 被托换建筑物的变形由以下两部分组成:

 

1)在托换结构进行施工期间,由于地基土会受到托换桩施工和托换梁基坑施工的扰动,因而桩基产生附加沉降.

 

2)在原桩基分离施工和隧道施工期间,托换结构承受荷载而产生变形.

 

 在进行桩基托换工程的过程中,桩基附加沉降主要依靠采取有效的施工技术措施来加以控制,而托换结构的变形则需要通过合理的托换结构设计进行十分严格的控制.

 

3.2 桩梁式托换结构的变形控制标准

 

 被托换建筑物的自身变形已在托换前完成,托换过程对建筑物而言是一个二次变形,并且这一过程是在相对短暂的时间内完成的.建筑物耐受二次变形的能力,低于新建建筑物耐受自身一次变形的能力,托换结构的变形允许值应小于新建建筑物的变形允许值.综合考虑托换工程的变形特点和工程经验,建议对桩梁式托换结构的变形实行绝对变形和相对变形双控制标准:

 

1) 托换桩桩顶沉降量不宜大于3ｍｍ,托换梁挠度值不应大于5ｍｍ,托换结构最大竖向变形不宜大于8ｍｍ;

 

2) 建筑物的最大相对沉降量不宜大于0.8‰,不应大于1.0‰.

 

3.3 桩梁式托换结构的变形控制措施

 

 1)结构措施.在现场条件许可的情况下,尽可能减少托换梁跨度、提高托换梁抗弯刚度,并采用嵌岩桩作为托换桩.

 

 2)预应力钢筋张拉技术.在托换梁内采用预应力钢筋张拉技术,通过张拉预应力钢筋产生反拱作用来抵消托换结构的部分变形.在对托换梁的预应力钢筋实施张拉时,上部结构已经客观存在,下部被托换桩基尚未与托换结构截断分离,上部结构和下部桩基对托换梁都有一个竖向的约束作用,张拉过程并不是一个自由的反拱过程,而是一个在复杂约束条件下的小变形反拱过程.在这一反拱过程中,实测反拱变形并不大,但已经完成了上部结构向托换结构施加部分荷载、被托换桩基向托换桩基转移部分荷载的过程,从而可以减少分离托换桩基时因荷载转移而产生的变形.在进行桩基托换工程的过程中,预应力钢筋宜采用高强度低松驰的钢铰线,钢铰线的数量主要依据变形控制要求来确定,张拉控制应力应取(0.55～0.70)ｆptk(ｆptk为预应力钢筋的抗拉强度标准值).

 

 3)桩底注浆技术.为了避免钻孔灌注桩施工时桩底沉渣造成托换桩的沉降过大,在制作安装托换桩钢筋笼时,预埋两根注浆管,注浆管端部伸至桩底.在注浆管端部500ｍｍ高的范围内预留注浆孔,孔径为5ｍｍ,孔距为50ｍｍ,采用橡胶薄膜封闭注浆孔和管端孔口.待桩身砼终凝后,采用水泥浆液对桩底可能存在的沉渣进行压力注浆使之固结,注浆压力不小于1.0ＭＰａ.

 

 以上变形控制措施能够很好地控制托换结构的变形,在一般情况下,无需通过千斤顶的顶升来补偿托换变形.

 

4 新旧砼交接面的承载力计算

 

 被托换建筑物的荷载由原结构通过新旧砼交接面传递给桩梁式托换结构,需要计算新旧砼交接面的承载力.新旧砼交接面是一个周边封闭的竖直面,主要承受竖向力.

 

 为了研究新旧砼交接面的承载力,先后进行了12组共25个试件的试验[2].试件设计和新旧砼交接面处理模拟实际工程情况,先浇制的短柱代表原结构,后浇制的包柱梁代表托换结构,梁柱之交接面即新旧砼交接面,如图2所示.试件的新旧砼交接面按以下工艺要求处理:

 

1) 砼基面凿毛10～20ｍｍ,并用清水冲洗干净;

 

2) 在浇筑砼前,淋水养护砼基面不少于12ｈ;

 

3) 在浇筑梁砼前30ｍｉｎ时间内,在砼基面涂刷水灰比为1∶1(质量比)的水泥浆,采用Ｒ32.5普通硅酸盐水泥.

 

 分级加载进行静载试验,新旧砼交接面承载力的试验结果列于表1,其中ｆｃ取梁、柱砼轴心抗压强度较低值.试验结果表明,破坏形态为新旧砼交接面的竖向滑移破坏,破坏时的滑移变形实测值为1.8～4.5ｍｍ,具有明显的破坏预兆和良好的延性性能.

 

 根据试验结果进行回归 分析 ,可以得到新旧砼交接面极限承载力Ｖｕ的计算公式:

 

Ｖｕ=0.314ｆｃＡ(1)

 

 式中Ａ为新旧砼交接面的面积.

 

 考虑到托换梁剪跨比、正截面弯矩和界面处理质量等因素的 影响 ,对公式(1)取下包线作为新旧砼交接面承载力的计算公式为

 

Ｖｕ=0.227ｆｃＡ(2)

 

 核算25个试件新旧砼交接面承载力试验值与计算值之比的结果如下:对公式(1),比值平均值μ=1.00,变异系数Ｃｖ=0.177;对于公式(2),比值平均值μ=1.38,变异系数Ｃｖ=0.177.5 桩梁式托换结构的 计算  方法 

 

 桩梁式托换结构与被托换结构连系在一起,不是一个独立的受力结构.作用于托换结构上的荷载与托换结构自身的变形相关,与预应力钢筋的张拉反拱作用相关.为此,在进行托换结构的设计时,必须考虑托换结构与被托换结构的协同工作,并同时考虑预应力钢筋的张拉反拱作用.托换结构可以采用如图3所示的结构计算简图.为了充分利用现有结构计算程序,按以下方法进行计算:

 

 1) 进行托换结构布置,选取构件载面尺寸.托换梁的截面高度决定了新旧砼交接面的面积,应满足新旧砼交接面承载力计算公式(2)的要求.

 

 2) 按被托换结构和托换梁协同工作、托换桩桩顶铰支及被托换桩分离的条件进行空间 分析 ,计算首层柱脚内力和托换梁挠度Ｗ1.如果托换梁变形不满足变形控制要求,则采用通过虚拟托换梁截面尺寸人为调整托换梁抗弯刚度的方法模拟张拉预应力钢筋产生的反拱作用,重新进行空间分析,逐步调整托换梁的抗弯刚度,直至托换梁变形满足托换梁挠度和建筑物相对沉降变形的控制要求,计算在该变形条件下的首层柱脚内力和转换层挠度Ｗ1.

 

 3)以2)计算得到的首层柱脚内力作为托换梁的荷载,采用托换梁实际结构尺寸(不考虑预应力钢筋的张拉反拱作用),按托换桩桩顶铰支条件分析托换梁的内力、挠度Ｗ2和托换桩的桩顶荷载.

 

 4) 根据3)确定的托换梁内力,计算托换梁的配筋.托换梁的预应力钢筋按照托换梁的预应力反拱要求计算确定,计算时反拱目标值取Ｗ1-Ｗ2,预应力钢筋应力取张拉控制应力.应该指出,反拱目标值只是一个 理论 值,在托换梁变形受到原结构及其桩基约束的条件下,实测反拱值远小于理论反拱值,反拱变形过程成为了力的传递过程.显而易见,就力学作用而言,反拱的作用并不因此而有所减弱.

 

 5)根据3)确定的托换桩荷载,进行托换桩的设计,使其满足承载力和沉降变形的要求.

 

6 工程 应用 实例

 

 广州地铁一号线和二号线的上盖建筑物采用了桩梁式托换梁结构实施桩基托换,应用本文中所提出的设计概念和计算方法进行托换结构设计,各项设计指标达到要求,取得了理想的托换效果.下面介绍其中两栋建筑物的桩基托换情况.

 

6.1 广州地铁一号线Ｄ-Ｐ3-2建筑物桩基托换工程

 

 该工程是全国首例大型桩基托换工程.Ｄ-Ｐ3-2建筑物是一栋九层钢筋砼框架结构楼房,采用沉管灌注桩基础.该楼房位于广州地铁一号线长寿路站至中山七路站区间,隧道采用盾构法施工.按地铁线路设计要求,两条并行隧道均从楼房桩群中穿过,且在隧道施工时必然破坏隧道内的桩基.为了确保建筑物的安全,采用桩梁式托换结构进行桩基托换.托换结构由钻孔灌注桩和钢筋砼托换梁组成,其中主梁采用了预应力钢筋张拉技术.整个工程在二层及二层以上居民正常生活的条件下完成施工.现场监测结果如下:

 

1) 在托换结构施工期间,建筑物桩基的附加沉降量大部分为1.5ｍｍ左右,最大沉降量为3.0ｍｍ;

 

2) 托换桩的最大桩顶沉降量为2.5ｍｍ;

 

3) 托换梁的最大挠度值为3.2ｍｍ;

 

4) 托换结构的最大竖向变形为5.2ｍｍ(包括托换桩桩顶沉降和托换梁挠度);

 

5) 建筑物的最大沉降量为6.4ｍｍ,最大相对沉降变形为0.53‰;

 

6) 托换梁砼设计强度等级为Ｃ35,受压区砼的最大压应变(με)为363,相应的砼的最大压应力为11.4ＭＰａ,相当于砼弯曲抗压强度设计值的60%;

 

7) 建筑物没有因为桩基托换而出现倾斜、开裂现象.

 

6.2 广州地铁二号线167号建筑物桩基托换工程

 

 167号建筑物是一栋六层框架结构楼房,采用人工挖孔灌注桩基础.该楼房位于广州市广园西路.广州地铁二号线越秀公园站至三元里站区间隧道从该楼房下方地基中穿过,部分桩基侵入隧道范围或离隧道很近.隧道采用盾构法施工,将削弱地基承载力、破坏部分桩基的桩身.为确保隧道施工和地铁运营期间建筑物的安全,在二楼以上居民正常生活的条件下,对该楼房桩基采用桩梁式托换结构实施了托换.托换桩采用人工挖孔桩,桩径1200～1500ｍｍ,桩端进入微风化岩1.5ｍ.托换梁采用普通钢筋砼梁.现场监测结果如下:

 

1)在托换结构施工期间,建筑物桩基的最大附加沉降为1.5ｍｍ;

 

2)托换桩的最大桩顶沉降量为0.8ｍｍ;

 

3)托换梁的最大挠度值为0.3ｍｍ;

 

4)托换结构最大竖向变形为1.0ｍｍ(包括托换桩桩顶沉降和托换梁挠度);

 

5)建筑物的最大沉降量为1.8ｍｍ;最大相对沉降变形为0.35‰;

 

6)建筑物没有因为桩基托换而出现倾斜、开裂现象.

 

7 结论

 

1)在建筑物桩基托换工程中,可以按隧道施工通廓的概念确定托换范围.

 

2)确定托换结构变形的控制标准和控制措施是桩梁式托换结构设计的重要 内容 .

 

3)新旧砼交接面承载力可以按公式Ｖｕ=0.227ｆｃＡ进行计算.

 

4)桩梁式托换结构设计应考虑托换结构与被托换结构的协同工作.

 

5)托换工程监测结果表明,本文中提出的桩梁式托换结构设计概念和计算方法是合理、可行、安全的.