基于MIDAS GTS探討沖擊鉆對臨近橋的影響

張博恒

（重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074）

基于MIDAS GTS探討沖擊鉆對臨近橋的影響

張博恒

（重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074）

本文新橋由于施工條件限制而采用沖擊鉆的成孔方式進行樁基施工。沖擊鉆對舊橋擾動較大，對鄰近結構會產生安全影響。通過有限元數值模擬，采用時程分析模擬沖擊荷載，定義相應時程點得出沖擊鉆作用下舊橋的響應，得出結論。根據計算結果提出相應的施工建議。

時程分析；沖擊荷載；有限元數值模擬；施工建議

1 引言

伴隨國民經濟的高速發展，國內交通蓬勃發展，如今，交通量的快速增長造成既有交通設施的服務能力捉襟見肘。大量超載、過載車輛的通行對現有橋梁造成嚴重破壞，大大降低了橋梁承載能力以及服務能力。近年來，橋梁改造工程逐漸增多，在舊橋旁邊修建新橋越來越普遍。新橋樁基施工必然會對舊橋產生一定的安全影響。

在橋梁基礎中，樁基占相當大的比例，施工方法也經歷了從打入法、靜壓法到鉆孔灌注法的發展。在橋梁的鉆孔灌注法中，沖擊鉆成孔和旋挖鉆成孔是兩種主要的成孔方式。在環境影響方面，沖擊鉆振動對周圍環境影響比旋挖鉆機要大，沖擊振動對周圍擾動較大。

2 沖擊鉆成孔

沖擊鉆錐鉆孔的特點是靠沖錐的重量和沖擊功能直接沖擊、破碎土、石，用泥漿懸浮鉆渣。使沖擊鉆能正常沖擊到新的土（巖）層，然后用掏渣筒取出鉆渣的成孔方法。此工法適宜用于亞粘土、砂類土、礫石、卵石、漂石、軟巖石，硬巖石等絕大多數地層。

3 工程概況

重慶潼南涪江大橋位于成渝高速公路的省道，是連接潼南南北交通干線的一座重要公路橋梁。原橋橋型為 4×60m+2×120m(等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱)+40m（等截面懸鏈線石砌板拱），于1994年8月竣工通車。通車后，由于國家建設形勢發生了重大變化，該橋為遂渝鐵路、遂渝高速公路、潼南新縣城的建設做出重大貢獻的同時，超速、超載車輛也嚴重危及著該橋的安全。經論證，在原橋址上需新建涪江大橋。新橋橋址位于老橋橋址上，因工程需要先進行新橋打樁再進行舊橋拆除，新橋主橋墩位于老橋120m跨下方，新橋樁基距老橋橋墩最短距離為 31m。各樁均為鉆孔灌注樁，2#、3#、5#、6#、8#、9#樁基位于涪江大橋舊橋拱圈正下方且凈空尺寸無法滿足旋挖鉆工作高度的要求，故采用沖擊鉆孔施工方案。

4 有限元數值模擬

4.1 模型計算條件

（1）將巖土視為各向同性的理想彈性-塑性材料，并采用 Drucker-Prager屈服準則。

（2）巖土模型邊界條件：底邊為豎向位移約束，兩側為水平法向位移約束，前后也為前后水平約束，模型頂面為自由面。

（3）拱橋模型邊界：橋墩、拱腳為固結約束，上部結構兩端為豎向約束。

（4）土層物理力學性質指標：土層物理力學性質指標結合地區經驗以及前期勘察資料綜合取值。

（5）巖體物理性質指標：巖體物理性質指標直接使用巖石相應指標平均值。（6）巖體變形指標：巖體彈性模量由巖石的室內測試標準值乘以0.7后提供。

4數值模擬

4.2 沖擊鉆荷載

沖錘以一定速度沖擊地基土，由于土體相對沖錘剛度較小，沖錘會沖入土體一定深度，速度迅速降低為零，并發生較小反彈。由于作用時間很短，將會產生較大沖擊力。

假設：（1）沖錘為剛性體，與土介質碰撞過程中不變形；（2）碰撞過程中沖錘與土不分離，且不考慮兩者之間的摩擦作用；（3）半空間是線彈性的，土體的最大位移仍在彈性范圍內；（4）僅考慮主要的第一脈沖作用；（5）忽略重力作用。

沖擊荷載F與沖錘質量，沖錘的密度，沖錘地點起算位移，沖錘觸底時刻起算的時間，介質的彈性模量和泊松比有關。基于上述假設沖擊荷載F可以用三角形荷載近似。其表達式為：

本依托項目，鉆頭質量M=10000kg, 密度7800kg/m3，鉆頭行程s取1m。基礎分為卵石層、泥巖層以及砂巖層，其彈性模量取值分別為 500MPa，2483.6MPa，1321MPa，帶入各巖層的彈性模量和泊松比，即可得到沖擊各巖層所產生的荷載波形。

4.3 有限元模型

本模型巖土部分范圍采取新橋與老橋橋墩連線上向前后各延伸 35m，垂直于連線方向兩側各延伸35m。巖土部分總尺寸長寬高分別為：120m、79m、58m。橋梁部分采取受振動較為敏感的橋梁中間部分 2×60m+2×120m跨。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

4.4 結算結果

在橋梁上取 4個時程觀測點，記錄在各施工工況下的橋梁速度曲線。測點1為橋墩墩頂位置，測點2為120m跨跨中位置，測點3為60米跨跨中位置，測點4為拱腳位置。

主墩左側邊跨跨中為全橋最大動力響應點；在施工5#樁卵石層時橋梁產生了最大的動力響應；在整個施工過程中，全橋最大的速度響應為2.05cm/s。時程結果如圖2所示。

本依托工程測試對象為鋼筋混凝土拱橋，安全允許振動速度為3.0cm/s-4.0cm/s之間，實際振動速度小于安全允許振動速度。

4.5 計算結論及建議

沖擊鉆孔施工的沖擊荷載對現潼南涪江大橋有一定的影響，實際振動速度小于安全允許振動速度，對橋梁的通行能力及正常使用功能會造成一定影響，因此樁基開挖施工應加強對鄰橋變形的檢測。

由于地下建筑多存在不確定性因素，地質勘查的局限性，以及模型簡化帶來的誤差，計算結果近似于實際，施工方在整個樁基開挖過程中應注意以下幾點：

（1）在整個施工過程中，建議施工方或業主單位聘請有相關資質的單位對舊橋進行變形監控。隨時掌控結構物的響應，為安全施工提供指導。

（2）施工過程中必須嚴格控制沖擊鉆沖擊行程，不得大于1m。

（3）施工過程中不得同時使用多臺沖擊鉆施工。

5 結論

改造工程中，樁基礎采用沖擊鉆施工，對鄰近結構影響較大。施工過程中，應實時掌控原結構響應,做好對臨近橋的變形檢測。不得同時使用多臺沖擊鉆施工，在條件允許情況下，應避免采用沖擊鉆成孔方式，以減小對原結構的意外損害。

[1]陳藝強《橋梁沖擊鉆成孔灌注樁中的沖擊鉆成孔作業分析》[J].江西建材.2014.

[2]趙現利《針對不同地址鉆孔樁施工的鉆機配置》[J].江西建材.2014.

[3]胡建國《沖擊鉆嵌巖灌注樁沉渣厚度測量方法》[J].西部探礦工程.2003.

[4]陳華建《沖孔灌注樁施工對既有橋梁樁基的動力影響分析》[J]. 上海應用技術學院學報(自然科學版).2013

U45

B

1007-6344（2016）07-0023-01

張博恒，碩士研究生，重慶交通大學土木工程學院