基于MIDAS GTS探讨冲击钻对临近桥的影响

张博恒

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074）

基于MIDAS GTS探讨冲击钻对临近桥的影响

张博恒

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074）

本文新桥由于施工条件限制而采用冲击钻的成孔方式进行桩基施工。冲击钻对旧桥扰动较大，对邻近结构会产生安全影响。通过有限元数值模拟，采用时程分析模拟冲击荷载，定义相应时程点得出冲击钻作用下旧桥的响应，得出结论。根据计算结果提出相应的施工建议。

时程分析；冲击荷载；有限元数值模拟；施工建议

1 引言

伴随国民经济的高速发展，国内交通蓬勃发展，如今，交通量的快速增长造成既有交通设施的服务能力捉襟见肘。大量超载、过载车辆的通行对现有桥梁造成严重破坏，大大降低了桥梁承载能力以及服务能力。近年来，桥梁改造工程逐渐增多，在旧桥旁边修建新桥越来越普遍。新桥桩基施工必然会对旧桥产生一定的安全影响。

在桥梁基础中，桩基占相当大的比例，施工方法也经历了从打入法、静压法到钻孔灌注法的发展。在桥梁的钻孔灌注法中，冲击钻成孔和旋挖钻成孔是两种主要的成孔方式。在环境影响方面，冲击钻振动对周围环境影响比旋挖钻机要大，冲击振动对周围扰动较大。

2 冲击钻成孔

冲击钻锥钻孔的特点是靠冲锥的重量和冲击功能直接冲击、破碎土、石，用泥浆悬浮钻渣。使冲击钻能正常冲击到新的土（岩）层，然后用掏渣筒取出钻渣的成孔方法。此工法适宜用于亚粘土、砂类土、砾石、卵石、漂石、软岩石，硬岩石等绝大多数地层。

3 工程概况

重庆潼南涪江大桥位于成渝高速公路的省道，是连接潼南南北交通干线的一座重要公路桥梁。原桥桥型为 4×60m+2×120m(等截面悬链线钢筋混凝土箱型拱)+40m（等截面悬链线石砌板拱），于1994年8月竣工通车。通车后，由于国家建设形势发生了重大变化，该桥为遂渝铁路、遂渝高速公路、潼南新县城的建设做出重大贡献的同时，超速、超载车辆也严重危及着该桥的安全。经论证，在原桥址上需新建涪江大桥。新桥桥址位于老桥桥址上，因工程需要先进行新桥打桩再进行旧桥拆除，新桥主桥墩位于老桥120m跨下方，新桥桩基距老桥桥墩最短距离为 31m。各桩均为钻孔灌注桩，2#、3#、5#、6#、8#、9#桩基位于涪江大桥旧桥拱圈正下方且净空尺寸无法满足旋挖钻工作高度的要求，故采用冲击钻孔施工方案。

4 有限元数值模拟

4.1 模型计算条件

（1）将岩土视为各向同性的理想弹性-塑性材料，并采用 Drucker-Prager屈服准则。

（2）岩土模型边界条件：底边为竖向位移约束，两侧为水平法向位移约束，前后也为前后水平约束，模型顶面为自由面。

（3）拱桥模型边界：桥墩、拱脚为固结约束，上部结构两端为竖向约束。

（4）土层物理力学性质指标：土层物理力学性质指标结合地区经验以及前期勘察资料综合取值。

（5）岩体物理性质指标：岩体物理性质指标直接使用岩石相应指标平均值。（6）岩体变形指标：岩体弹性模量由岩石的室内测试标准值乘以0.7后提供。

4数值模拟

4.2 冲击钻荷载

冲锤以一定速度冲击地基土，由于土体相对冲锤刚度较小，冲锤会冲入土体一定深度，速度迅速降低为零，并发生较小反弹。由于作用时间很短，将会产生较大冲击力。

假设：（1）冲锤为刚性体，与土介质碰撞过程中不变形；（2）碰撞过程中冲锤与土不分离，且不考虑两者之间的摩擦作用；（3）半空间是线弹性的，土体的最大位移仍在弹性范围内；（4）仅考虑主要的第一脉冲作用；（5）忽略重力作用。

冲击荷载F与冲锤质量，冲锤的密度，冲锤地点起算位移，冲锤触底时刻起算的时间，介质的弹性模量和泊松比有关。基于上述假设冲击荷载F可以用三角形荷载近似。其表达式为：

本依托项目，钻头质量M=10000kg, 密度7800kg/m3，钻头行程s取1m。基础分为卵石层、泥岩层以及砂岩层，其弹性模量取值分别为 500MPa，2483.6MPa，1321MPa，带入各岩层的弹性模量和泊松比，即可得到冲击各岩层所产生的荷载波形。

4.3 有限元模型

本模型岩土部分范围采取新桥与老桥桥墩连线上向前后各延伸 35m，垂直于连线方向两侧各延伸35m。岩土部分总尺寸长宽高分别为：120m、79m、58m。桥梁部分采取受振动较为敏感的桥梁中间部分 2×60m+2×120m跨。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

4.4 结算结果

在桥梁上取 4个时程观测点，记录在各施工工况下的桥梁速度曲线。测点1为桥墩墩顶位置，测点2为120m跨跨中位置，测点3为60米跨跨中位置，测点4为拱脚位置。

主墩左侧边跨跨中为全桥最大动力响应点；在施工5#桩卵石层时桥梁产生了最大的动力响应；在整个施工过程中，全桥最大的速度响应为2.05cm/s。时程结果如图2所示。

本依托工程测试对象为钢筋混凝土拱桥，安全允许振动速度为3.0cm/s-4.0cm/s之间，实际振动速度小于安全允许振动速度。

4.5 计算结论及建议

冲击钻孔施工的冲击荷载对现潼南涪江大桥有一定的影响，实际振动速度小于安全允许振动速度，对桥梁的通行能力及正常使用功能会造成一定影响，因此桩基开挖施工应加强对邻桥变形的检测。

由于地下建筑多存在不确定性因素，地质勘查的局限性，以及模型简化带来的误差，计算结果近似于实际，施工方在整个桩基开挖过程中应注意以下几点：

（1）在整个施工过程中，建议施工方或业主单位聘请有相关资质的单位对旧桥进行变形监控。随时掌控结构物的响应，为安全施工提供指导。

（2）施工过程中必须严格控制冲击钻冲击行程，不得大于1m。

（3）施工过程中不得同时使用多台冲击钻施工。

5 结论

改造工程中，桩基础采用冲击钻施工，对邻近结构影响较大。施工过程中，应实时掌控原结构响应,做好对临近桥的变形检测。不得同时使用多台冲击钻施工，在条件允许情况下，应避免采用冲击钻成孔方式，以减小对原结构的意外损害。

[1]陈艺强《桥梁冲击钻成孔灌注桩中的冲击钻成孔作业分析》[J].江西建材.2014.

[2]赵现利《针对不同地址钻孔桩施工的钻机配置》[J].江西建材.2014.

[3]胡建国《冲击钻嵌岩灌注桩沉渣厚度测量方法》[J].西部探矿工程.2003.

[4]陈华建《冲孔灌注桩施工对既有桥梁桩基的动力影响分析》[J]. 上海应用技术学院学报(自然科学版).2013

U45

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1007-6344（2016）07-0023-01

张博恒，硕士研究生，重庆交通大学土木工程学院