杭甬高铁桥墩基础偏移及纠偏处理.pdf

・桥涵工程・杭甬意铁矫墩基础偏稿及纠偏处理庄立科（中铁二十四局集团浙江工程有限公司杭州３１０００９）摘要杭甬高铁宁波特大桥桥墩由于临近场地大量弃土堆栽而发生线路横向偏移，本文通过线弹性地基反力法和数值分析方法对该桥墩基础的受力和变形进行了计算分析，比较了两种计算方法所得结果的差异，评估了基桩的长期使用性能。在此基础上，采用数值分析方法对土方卸载和高压旋喷桩联合加固条件下基桩的受力和变形进行了模拟分析，并通过纠偏后的桥墩实测位移分析了纠偏加固效果。关键词高铁桥墩基础偏移纠偏处理线弹性地基反力法数值分析中图分类号Ｕ４４５．５５文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）０６００３４０５ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＲｅｃｔｉｆｙｉｎｇＤｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＨａｎｇｚｈｏｕ－ＮｉｎｇｂｏＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＰｉｅｒＺｈｕａｎｇＬｉｋｅ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“２４ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ∞Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＨｇｚｈＯＵ３１０００９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎａｃｅｒｔａｉｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆ—ＨａｎｇｚｈｏｕＮｉｎｇｂｏＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙｉｎｓｏｆｔｓｏｉｌａｒｅａ．ｔｈｅｈｏｆｉｚｏｎｔＭｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆａｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒｉｓｆｏｕｒｌｄｄｕｅｔｏｔｈｅｌａｒｇｅａｒｅａｓｕｒｃｈａｒｇｅｌｏａｄｓｎｅａｒｂｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｅｒｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｂｙｔｌｌｅｅｌａｓｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｔ１１ｅｄｉｆｉｅｒ－ｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓ；ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｌｏｎｇｔｅｒｍｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｓｅｒｖｉｃｅｏｆｐｉｌｅｓａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｈｅｒｅｂｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｉｓｍａｄｅｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈｅａｒｔｈｗｏｒｋｕｎｌｏａｄｉｎｇａｎｄｄｒｉｖｉｎｇ—ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｊｅｔｇｒｏｕｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐｉｅｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｒｍｌｗａｙｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒ；ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；ｄｅｖｉａｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｅｌａｓｔｉｃｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ—ｍｅｔｈｏｄ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ１引言“”我国规划建设的四纵四横铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统（环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区城际客运系统），相当部分都分布在东南沿海地区，而沿海地区广泛分布着软土和松软土。为了控制高速铁路线下工程的“工后变形和不均匀变形，高速铁路设计采取了以”桥代路的设计思路，桥梁已经成为高速铁路线下工程的主要工程类型，如京沪高速铁路的桥梁长度占到线路长度的８６．５％，沪宁城际铁路的桥梁长度占到线路长度的比例高达８７．０％。——收稿日期：２０１４０２１３铁路桥梁基础以桩一承台基础为主，这种深基础型式在控制桥梁的工后沉降方面效果显著，但由于东南沿海的软土层往往厚度较大，一般软土厚度都超过２０ｍ，宁波地区软土厚度甚至达到３０ｍ以上；加之近年来城市建设的快速发展，临近铁路桥梁的深基坑工程和建筑弃土都对桥墩基础的线路抗偏移能力提出了严峻的挑战，桥墩基础偏移过大的实例不断被报道¨。Ｊ，而高铁桥墩的横向偏移一般要求不超过８ｍｍ旧１，如何保持高铁桥墩的良好工作状态是铁路工务部门面临的一项重要挑战。本文以杭甬高铁宁波特大桥桥墩基础因地面堆载引起的偏移病害为背景，以理论分析和现场实测为手段，分析了地面建筑弃土堆载、卸载和旋喷铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＨＮＯＬＯＧＹ２０１４｛６）万方数据・桥涵工程・桩联合加固条件下的桥梁基础基桩的受力和变形影响，结合实测数据对纠偏效果进行了评价。２工程概况２．１工程地质宁波特大桥６５３＃桥墩桥址区内表层为滨海平原区第四系人工填土（Ｑ４ｌＩｌｌ）、第四系全新统冲海积（Ｑ４ａｌ＋ｍ）淤泥、淤泥质黏性土、黏性土、粉土及砂类土，其下为第三系上更新统冲海积（Ｑ３ａｌ＋ｍ）黏性土、粉土、砂类土及砾石类土，第三系上更新统冲洪积（Ｑ３ａｌ＋ｐ１）黏性土、砂、砾石类土；下伏基岩为白垩系下统朝川组（Ｋｌｃ）泥质砂岩、砂砾岩；该桥墩穿越地层的物理力学参数见表ｌ，其中淤泥及淤泥质黏土层总厚度达到３４ｍ，是本工程的主要不良地—质层。地下水潜水位为地下０．５１．０ｍ。表１某特大桥６５３＃桥墩的工程地质情况厚度ｈ∥容重压缩模量摩擦角粘聚力ｃ地层编号土类名称／ｍ（ｋＮ・ｍ一３）西／ＭＰａ西／（。）／ｋＰａ—（１）ｌｌ粉质黏土１．Ｏ１７．８３．４９６．５９１４．８（１）ｌ淤泥１２．Ｏ１６．９２．０３２．５９５．５６（１）２淤泥质黏土２２．Ｏ１７，４２．５２３．９６１０．２０（１）。粉质黏土６．６１８．５３．９６６．５８１８．３９（１）４一。粉土１．Ｏ１９．１７．６８２３．５８１０．９８—（２）２３中砂２．０１９９．５５２５．Ｏ７．４２（２）２粉质黏土８．Ｏ１８．４４．２８６．４５１８．７ｌ（３）ｌ细圆砾土８．５１９．６７．４５１５．０３９．９３２．２桥墩偏移病害情况杭甬高铁特大桥为３２ｍ跨的简支梁桥，其中６５３＃桥墩为承台一桩基础，墩高位１６．５ｍ，桥墩基础的尺寸及桩基布置形式见图１，承台顶与地面齐平，承台厚度３．０ｍ，该桥墩基础共１２根桩，采用４×３（顺桥向×横桥向）方式布置，基桩为直径１．０ｍ的钻孔灌注桩，采用Ｃ３０混凝土，主筋为２０根＋１６钢筋，桩长６０．５ｍ，基桩持力层为细圆砾土。由于该地区城市市政建筑的弃土大量堆置在该桥墩一侧，见图２，现场调查表明，堆土坡脚离６５３＃墩最小距离为４．５ｍ，堆土高度为４．０ｍ，堆土宽度约７０ｍ。由于该场地的软土地层厚度较大，承载力较低，导致该桥墩顶面沿线路横向产生了１４．６ｍｍ的横向偏移，桥墩的横向偏移已经超过了相关技术规程的允许值８ｍｍ，导致上部轨道结构精调出现问题。１７．４０６——ｎ爱右侧弃土堆Ｉｎ２．６ｏ一・７１．９３Ｌｎｏｏ图１６５３堋｝墩桩基布置形式图２６５３样桥墩一侧堆土情况３堆载条件下的基桩内力和变形计算３．１线弹性地基反力法线弹性地基反力法假设地基为服从虎克定律的弹性体，地基反力和桩上任一点的位移服从文克尔假定。该法基本概念明确，计算较为简单，在基桩的挠曲较小时，其假定和实际较为吻合，因而在各种规范手册中大量采用，我国的《铁路桥涵地基和基础设计规范》＂１也推荐该法。∑规范中是通过给出承台底部中心的外力（Ｐ、∑Ｍ）计算承台中心的水平位移ａ及转角口，计算公式：∑协Ｐ一７ｑ８Ｍａ———————２广ｙｍ７弟一ｙｑ８∑∑。ｙ。肘一ｙｑＢＰｐ——————————２１一ｙ。＇钿一ｙ中式中，７。、ｙ妒协为群桩刚度系数，为求得承台底部中心的水平位移ａ和转角口，假定作用在承台底部∑中心的弯矩为零，即肘＝ｏ。此外，由于承台板与桥墩采用刚性联结，可认为承台中心的变位与桥墩底部保持一致。因此承台中心的水平位移ｄ及转角口可与已知的墩顶实测位移建立如下关系：Ａ＝ａ＋口・日（２）式中，桥墩高度日＝１６．５△１１１，为墩顶位移。在计算中使用粉质黏土、淤泥质黏土对应的ｍ值如下：ｍ】＝２０００ｋＰａ／ｍ２，／７／，２＝１２００ｋＰａ／ｍ２，实测所得墩顶位移Ａ＝０．０１４６ｍ。联立方程（１）和（２）可计算得到承台的水平位移铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＨＮＯＬＯＧＹ２０１４（６）３５万方数据・桥涵工程・及转角，即Ｏｌ＝Ｏ．０１２ｍ，』Ｂ＝０．０００１５７６４ｒａｄ，进而可求得６５３＃承台基桩的弯矩和变形，分别见图３及图４，图中纵坐标表示离承台顶面的距离。由图３及图４可知，基桩的最大位移发生在桩顶，约８．４ｍｉｌｌ，最大弯矩出现在承台底面约５ｍ处，为２７２．１ｋＮ・ｍ，基桩按偏心受压构件计算时不会出现裂缝，不影响基桩的长期使用性能。版／（ｋＮ・ｍ）Ｎ－５．０－７．０邑一９０一１１．０一１３．Ｏ一１Ｓｎ图３６５３＃桥墩的基桩弯矩分布（地基力反法）ｘ，／ｍ一３．Ｏｒ一５．０—７．０—９．０、一１１．０一１３．０ＩＣｎ图４６５３＃桥墩的基桩位移分布（地基力反法）３．２数值分析法由于线弹性地基反力法是假定荷载（集中力或弯矩）作用在承台顶面，而实际上堆土荷载总是通过地基来进行传递和扩散荷载，附加荷载总是作用在桩基一定深度范围内，故线弹性地基反力法的假设与实际情况会出现一定的差别。为此，拟通过有限单元法来进一步研究桥墩基桩的受力和变形。数值分析法采用有限单元法，假定土体为摩尔库伦体材料，土体参数取值见表１，桩体为线弹性材料，按照Ｃ３０混凝土的参数取值，模拟土方堆载的实际工况参见图２，模型采用标准位移边界，即模型底部施加完全固定约束，左右两侧施加竖直滑动约束（固定水平方向位移），表面为自由边界。实际建立的有限元模型见图５。图５６５３＃桥墩的平面有限元模型计算所得的基桩位移分布和弯矩分布图分别见图６及图７，图中１、２、３、４分别表示离堆载距离由近及远的第１、２、３、４排桩。图６６５３＃墩基桩的位移沿深度分布（数值分析法）－６桩身弯矩／（ｋＮ・ｍ）ｊ●’Ｊ一一１０２０蹿３０≥尴４ｑ≈缸１蓝５０・ｐ乏６０ｊ—◆ｊ—一７０Ｏ图７６５３＃墩基桩的弯矩分布（数值分析法Ｊ由图６、图７可知，６５３＃桥墩的第ｌ排桩位移最大，基桩最大位移出现在离承台底面约１０ｍ位置，最大位移为２８．３ｍｍ，承台水平位移２３．８ｍｍ；从基桩承受的弯矩来看，桩一承台连接处弯矩第４排最大，第１排桩次之，桩身弯矩最大为第１排桩，出现的位置和最大位移出现的位置对应。综观线弹性地基反力法和数值分析法所得的结果，两种不同方法计算的位移分布和弯矩分布尽管规律类似，但承台位移计算结果差别较大，弹性地基反力法获得结果为８．４ｍｉｌｌ，数值分析法获得结果为２３．８ｍｍ，现场的测量结果为２７．８ｍｍ，可见数值分析的结果和实际符合得较好。４桥墩纠偏措施的数值模拟及实测４．１纠偏措施现场采取的纠偏措施为卸载堆土联合旋喷桩加固。其中卸载部分要求对６５３＃桥墩一侧３０ｍ范围内的堆土进行整平外运，在桥墩的另一侧采用高压旋喷桩加固，布置为三排，第一排距离承台边４．０ｍ，第二排距离承台边３．４ｍ，第三排距离承台２．８ｍ。高压旋喷桩喷液深度为２８ｍ，见图８。高压旋喷桩从远离桥墩的第一排开始施工，旋喷桩施工具体施工参数为：第一、二排提升速度为０．２５ｍ／ｍｉｎ，第三排提升速度为０．１５ｍ／ｍｉｎ；旋转速度为２０ｒ／ｍｉｎ；第一、二排喷浆压力为２０ＭＰａ，第铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＨＮＯＬＯＧＹ２０１４（６ｌ万方数据・桥涵工程・三排喷浆压力为１０ＭＰａ；输浆量为１９４Ｌ／１０ｃｍ（水泥用量１５０ｋｇ／ｍ、水泥采用Ｐ．０４２．５普通硅酸盐水泥）；水灰比为１：１；浆液比重为１．４３～１．４８ｇ，／ｃｍ３。１７４０６４．－一右侧弃土堆。２．６—ｊ加固区Ｊ矗皿７１．９３ｖ、ｏ也图８６５３＃桥墩纠偏加固４．２数值分析的纠偏效果通过数值分析获得卸载联合旋喷桩纠偏加固后基桩的弯矩和位移分别见图９及图１０所示。对于６５３＃墩第４排桩的弯矩和变形在纠偏前后的特征值变化见表２。表２纠偏前后第４排桩的弯矩和变形情况类别纠偏前纠偏后承台位移／ｍｍ２３．８１．７桩身最大位移／ｍｍ２７．３５５．９９承台底部最大弯矩／（ｋＮ・Ｉｎ）３９２．７４００．０桩身最大弯矩／（ｋＮ・ｍ）１１４．２９７．０本恢复到最初设计状态。４．３实际纠偏效果的实测分析现场采用全站仪对６５３＃墩承台的横向偏移进行了实测，实测承台顶偏移量随时间的变化曲线见图ｌ１所示，其中８月２０日至９月１０日为纠偏加固期。可见，通过对卸载和高压旋喷桩联合纠偏加固，该桥墩的横向偏移基本控制在３ｍｍ以内，同时从实测的轨道横向偏移结果看，纠偏后轨道偏移控制在５ｍｍ以内，纠偏措施达到了预定的效果。ｌ一面一浍一蓝一时间口暑詈口暑罢：口詈：导里乏２釜三逞三釜足星三三足詈詈詈吒叹《叹《吒叵《《叹音苦音∞∞ｈ卜、。。ｏｏ口口口口一一一．，ｋ’’■‘‘，１，，，，．／图１１承台顶面偏移量随时间变化的实测曲线５结论（１）本文条件下的地面堆载将导致高速铁路桥墩基础产生较大的横向偏移，一方面使轨道的几何状态难于保持，危机行车速度甚至行车安全；另一方面使基础结构中的基桩承受额外的较大横向弯矩，尤其在钻孔桩配筋长度不足情况下，素混凝土部分可能出现拉裂的情况，影响基桩的长期使用性能；因此确定高铁线路的应力环境管控标准十分必要。（２）通过对堆载条件下桥墩基桩的弯矩和位移数值分析发现，距离土方堆载最近的一排桩基的水平位移和桩身弯矩最大，是该桥墩所有桩基中最不利的内力及变形状态，可作为基桩结构评估的依据。桩一承台基础的最大水平位移不完全发生在承台顶，部分基桩的最大水平位移在承台底以下一定深度，桩身最大弯矩出现的位置大体和最大位移出现的位置对应，这和线弹性地基反力法略有不同。（３）卸载联合高压旋喷桩对桥墩基础的纠偏加２Ｄ７４ｆ６Ｊ３７万方数据・桥涵工程・（上接第２１页）定，见表１。表１模板式钢吊箱安装质量标准项目规定值或允许偏差／ｒａｍ轴线偏位１５≤Ｂ３０ｍ±３０尺寸Ｂ＞３０ｍ±∥１０００顶面高程±２０注：Ｂ为承台边长。（３）侧板板块拼接时，保证内夹橡胶止水条的安装质量，确保拼缝不漏水。（４）封底混凝土的厚度必须满足验算得出的结果，不可随意改变。（５）钢吊箱上、下内支撑须与侧板可靠焊接，确保吊箱的整体结构稳定性。的风浪天，务必在吊箱侧板上加焊足够高度的防浪板。（１０）吊箱三层加固圈梁在角缝处要采用可靠连接，以保证钢吊箱的刚度。６结论针对在受潮汐、暗涌和风浪影响的恶劣海况下，大型钢吊箱围堰的施工安全风险大，封底混凝土漏水、吊箱结构整体失稳等安全和质量问题，在大连南部滨海大道工程星海湾跨海大桥钢吊箱施工中，采取的在吊箱结构上增加内支撑、防落钢带、侧板与底板间的型钢斜撑等措施，有效地提高了钢吊箱的安全、稳定性能。通过该工艺成功完成了９９个深水区恶劣海况下的钢吊箱施工，无一漏水现象，承台施工安全、质量可靠，可为同类工程提供参考。（６）顶部吊架上固定倒链的吊点应可靠。参考文献（７）在下放过程中，要严格控制各倒链或者千斤顶的行程，防止吊箱倾斜失稳。在吊架上的工［１］ＪＴＧ／Ｔ—Ｆ５０２０１１公路桥涵施工技术规范［ｓ］・人要通过卷尺准确量测每次下放的高度，另外在［２３郭瑞・厦漳跨海大桥北汊南引桥单壁钢吊箱设计与施彗攀上设置水准仪抄四角标高，如发现倾斜，立即≥［３］主￡鬣２吊０箱１３在（５高）：桩１０承－台１３施．工中的应用［Ｊ］．纠止。—城市道桥与防洪．２０１３（７）：１９５１９９．（８）封底混凝土浇筑完成之后，抽水之时确保［４３张士全．自制有底单壁钢吊箱围堰在援外工程中的应混凝土的强度已经达到８０％。—用［Ｊ］．安徽建筑，２０１３（３）：８４８６．（９）由于海水腐蚀性较强，承台施工全程要求［５］罗晓军．钢吊箱围堰在桥梁深水基础施工中的应用为无水环境，如果在承台施工期间遇到较大、较强—［Ｊ］．科技资讯，２０１３（８）：６７６８．３８铁道建筑技术ＩｔＡＩＬＷＡｙＣＯＮＳＴｉｔＵＣＴＩＯＮＴＥＨＮＯＬＯＧｙ２０１４佑Ｊ万方数据