桩梁式托换结构设计方法及其应用

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1、桩梁式托换结构设计方法及其应用摘　要:为了合理地设计地铁上盖建筑物桩基托换工程中的桩梁式托换结构,提出了桩梁式托换结构变形的控制标准和控制措施.通过25个试件的试验研究,证实新旧混凝土交接面具有明显的破坏预兆和良好的延性性能;并建立了新旧混凝土交接面承载力的计算公式,进而提出了桩梁式托换结构承载力和变形的计算方法.该设计方法应用于广州地铁一号线和二号线的建筑物桩基托换工程中,各项实测指标均达到了控制目标,证实了这一设计方法的合理性.关键词:地铁;桩梁式;托换结构;桩基;设计方法14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

2、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

3、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14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、

4、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,

5、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14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

6、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:141)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

7、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.142)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

8、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