（岩土工程专业论文）紧邻高架建筑物的地铁车站施工技术研究.pdf

摘要 摘要 本文着重研究了上海地铁车站施工中的对于紧邻高架建筑物的地铁车站的 施工技术。就本课题研究的目的和意义而言，为了减少地铁车站深基坑开挖过 程中深基坑源头变形和由此而引起的紧邻高架桥p h c 桩基的侧向变形；为了使 得车站深基坑引起的紧邻高架桥p h c 桩基的侧向变形的可受控。内容分为3 个 部分，第一部分，是关于高架桥p t t c 桩基侧向变形允许值的研究；第二部分， 是关于紧邻车站深基坑的商架桥桩基位移的预测研究；第三部分，是关于工程 应用与工程实践。 关键词：软土，桩，基坑，车站，开挖，位移 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hf o rc l o s e rt oh i g h b r i d g ei nm e t r os t a t i o nc o n s t r c t i o n t h ek e yp o i n to ft h i st h e o r ya n dm e t h o di si n o r d e rt or e d u c et h ef o r m e rs e t t l e m e n ti nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o no ff o u n d a t i o np i t ， a n dt h em o v e m e n to ft h ep h cp i l ec l o s e rt ot h eh i g hb r i d g e t h ep a p e rc o n s i s t so f t h r e ep a r t s ，o n ei sa b o u tt h ea l l o w a b l em o v m e n t so fp h cp i l e sc l o s e rt ot h eh i 曲 b r i a g e ，t h es e c o n dp a r t i sa b o u tt h ef o r e c a s t m e n to ft h em o v e m e n to fp h cp i l e f o u n d a t i o nc l o s e rt ot h ed e e pp i ti nt h em e t r os t a t i o n , t h et h i r dp a r ti sa b o u tt h ep r o j e c t a p p l i c a t i o na n dp r a c t i c e k e y w o r d s ：s o f ts o i l s ，p i l e ，p i t , m e t r os t a t i o n ，e x c a v a t i o n ，m o v e m e n t 2 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容；按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e p , 届u 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名 噌 府气月勿日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： ”一年夕月钾目 学位论文作者签名、样 砖穹月趵日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲、粉 签名：、髫牙 僻吁月加，嗣 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 随着城市建设的发展，越来越要求开发三维城市空间。人口聚集和城市功能 的拓展使得城市建设用地、城市交通日益紧张。为了充分缓解城市用地、城市交 通困难，除了采用城市向外辐射扩展的外延式发展之外，人们也采用向高空和地 下双向的内涵式发展，一方面上层建筑( 构) 物呈现高层化，立体化和密集化； 另一方面地下各类用途的地下空间已经或正在世界大中城市中得到开发利用，由 此产生了大量的基坑工程。在建筑物密集的市区中心地段深基坑工程施工中，如 何控制基坑周围底层移动，保护邻近建( 构) 筑物、高架建( 构) 筑物、地下管 线，成为岩土工程界的一个研究热点。 在上海软土地区，地层基本为饱和含水流塑或软塑粘土层，抗剪强度低，含 水量高达4 0 ，灵敏度在4 5 ，压缩性大都属高压缩，并具有交大的流变性， 这种地层极易发生变形，产生较大的周围地层的移动，导致周围建筑环境的不均 匀沉降、产生建筑物裂缝和管线破裂等环境问题。上海高架纵横南北，高低层建 筑密集，地下管线众多且埋设走向繁复，地下城市环境十分复杂。这种软弱流变 的地址条件决定了上海地区的基坑工程中环境保护问题更为突出。在上海层出现 一些深基坑周围地层移动引起附近建筑和设施破坏的工程事故，造成了严重的社 会影响和经济损失，因此探索一条控制软土深基坑变形的安全、经济、合理的技 术途径势在必行。 1 2 国内外研究现状 在国内外基坑工程实践中，积累了大量软土深基坑周围环境保护技术的经 验，概括起来，基坑施工中的周围环境保护方法有以下两种： 1 2 1 消极保护法 所谓消极保护法，即使显示现对基坑内满膛加固、或加密集支撑等，达到很 高的安全度后再开挖，以次来保护周围环境。再国外，如新加坡、美国、日本常 常采用该方法。这种保护方法优点在于安全度高、对施工监控水平要求相对较低， 但是工期长、代价大、不太符合当前我国的国情。 第一章概述 1 2 2 积极保护法 积极保护法，即再合理设计基坑支护结构并准确预测坑周地层唯一的基础 上，以精心施工和监控来保护基坑及其周围环境的安全。这一思路虽然对设计和 施工水平要求较高，但是和预先保护法相比，可大量节省工程造价、缩短工期， 目前越来越为国内工程界所接受。 在实施积极保护法的设计阶段，必须合理准确的预测基坑变形以确保基坑施 工能达到的环境保护要求。在上海软弱流变的地质条件下，若没有考虑遇软土流 变特性密切相关的施工因素，预测基坑的变形常常会和实际值相差2 6 倍。这 也是上海软土地区的一些基坑工程无法准确预测变形、真正打到预先的环境技术 保护要求的症结所在。 在实施积极保护法的施工阶段，还必须结合基坑环境跟踪监测，精心施工和 监控，将一切险情制止在萌芽状态。而目前一些基坑施工中，却往往忽视了对监 测数据的及时反馈，甚至在出现风险趋势时仍然盲从施工，最终导致了基坑变形 过大，环境破坏的严重后果。 因此，对上海软土基坑施工过程中保护周围环境，必须针对软土的流变特性， 提出一套合理、安全的设计、施工和监测方法。 l - 3 课题研究的工程背景 本文研究的主要工程背景时上海地铁工程。十多年来，上海已建成一号线 2 1 k m 、车站1 6 座：二号线1 9 1 k m 、车站1 3 座：其中的2 3 座车站基坑开挖深度 在1 4 2 3 m 。由于地铁线路穿越市中心区，其最窄处仅2 0 m 左右，大多与车站外 宽相近，街道两旁建筑密集，街道地下管线密布，多数车站靠近重要建筑和公用 设施，地铁车站基坑施工环境保护问题十分突出。如图1 1 所示上海轨道交通卜 五规划的密集交通网络。 基坑工程是大型的士体开挖工程，其最直接的后果是引起周围土体应力应变 的重分布。上海深基坑施工过程中表现如下特点：1 、变形影响范围大，例如某 开挖深度为2 2 5 m 的深基坑工程，距离其l o o m 左右的建筑物发生开裂现象；2 、 沉降变形量大且速率高；3 、开挖对周围土体的扰动大。本课题涉及的地铁车站 也属于深大基坑，而紧邻的地铁三号线轻轨高架桥保护的要求极高，且正处于运 第一章概述 营状态，这进一步提高了变形控制的要求。如何预测与控制基坑施工过程中的源 头变形，进而控制紧邻的地铁三号线轻轨高架桥p h c 桩基的侧向变形成为本课题 的核心问题和成败的关键，如图1 2 所示。 图1 1 上海轨道交通十五规划图 图1 2 地铁4 号线宜山路车站近邻地铁3 号线p h c 桩示意图 本课题以地铁四号线宜山路车站深基坑紧邻地铁三号线轻轨高架桥p h c 桩 第一章概述 基的环境保护工程为背景。 明珠线二期宜山路车站为地下式双层箱形钢筋混凝土结构，地下一层为站厅 层，地下二层为站台层。车站位于宜山路至徐虹北路路口( 以北约2 0 0 m ) 的凯 旋路上，呈南北走向：南端跨越宜山路，接明珠线二期上体场站与蒲汇塘停车场 方向，北端跨越徐虹北路接虹桥路站方向，全长约6 2 0 m ，车站分为南端井、穿 越段、标准段、北端井、存车段五大部份，其中穿越段指为r 4 线穿越作特殊处 理的区段，如图1 3 所示。车站的西侧是正在运营的明珠线一期高架线路和宜山 路车站，地下墙外边线距高架线路承台最小距离4 5 m ，距车站承台最小距离 3 8 m ，距车站建筑外边线2 7 m 。车站东侧中部3 0 0 m 范围内分别有混7 民房( 条 形基础，下为深层搅拌桩) 1 0 座，距基坑0 3 3 o m 不等，还有混7 民房4 座 ( 箱形基础) ，距基坑3 4 m 。此外，车站主体自宜山路凯旋路口向北延伸，地 面下有大量的地下管线。整个环境保护要求十分严格。 ! 盟堕鲤亚墼j * ： 萨 a j ：。：一9 墨卜 _ _ _ 一。 ， + + ：气九修诗一= j 一= = _ 一，一。p 一。二j ：l 一 、一刊 b 生：i ：_ j 巧i 声。严a = _ 二_ - 。= - 二一。一，二_ 。i i i _ 。? ! ：_ 1 j j l l ：爿苎i ：。j 巧i 。譬：。二_ 。2 二。i 2 j 一歹。i i i 。z 。jj 。j 、： v ， 一 善 毫 图1 3 车站总平面布置图 在上海城市轨道交通建设进程中，因为地铁功能的需要和城市化进程的需要 和城市化进程的需要之间不可避免，类似问题将层出不穷。但是由于目前还没有 一套成熟的理论准确的预测基坑施工对紧邻建筑( 构) 物的变形影响，造成地铁 基坑施工过程中很大的难题。如何做到“邻近已建的建筑( 构) 物、高架桥、市 政管线等设施要保，规划地铁建设要造”已成为上海城市轨道交通建设进程中的 重要课题。在国外许多发达国家，对紧邻建筑( 构) 物的保护多采用造价不菲的 满加固手段，而且，这种施工手段占用的工期也较长。我国是发展中国家，要在 有限的财力、物力、人力条件下、一定时期内完成为全面小康建设服务的工程计 划。照搬发达国家的做法显然既不经济的，也不适合我国国情。因而，针对类似 工程，借助本课题在建的类似工程，结台现场实践摸索的工程检验和现场掌握的 4 第一章概述 一手资料加以理论研究分析、总结和探索类似工程的经验和规律，并把这些宝贵 的经验和规律用于指导今后类似大量紧邻房屋建筑群、纵横南北高架桥、地下轨 道与市政管线的地下深基坑设计和施工。在类似工程中，本课题的研究具有重要 的工程价值和指导意义。 1 4 研究路线与研究基础 本课题的研究采用从理论到实践，再从实践到理论的循序渐进的科研方法。 首先是收集、了解国内外有关本课题的研究成果，掌握国内外科研动态。其次， 根据国内外的研究成果和研究方法的经验：由于土体的地域性、多相性和不均匀 性，故很难寻找一个理论的本构关系来模拟土体强度和变形全过程性能，采用室 内土工试验参数的常规正分析难以符合客观实际工程。因此，在本课题的研究过 程中，我们的研究路线是利用现场实测的环境监测数据，分析研究了紧邻高架桥 p h c 桩基的深基坑与桩基位移规律及其预测模型；运营轻轨高架桥p h c 桩基侧向 变形的控制等，并在此基础上，按照深基坑围护结构与紧邻高架桥p h c 桩基变形 之间的相关预测模式，依据紧邻高架桥p h c 桩基允许的侧向变形，定性定量确定 深基坑围护结构的控制变形值。这是一条“理论导向、量测定量、经验判断、精 心监控”的理论和实践相结合的道路。 基坑开挖引起周围地层移动而引发的环境保护问题是一个涉及到基坑开挖 引发土体源头变形、土体变形的传递、周围环境抵抗变形三个方面的复杂环境岩 土工程问题。本课题将结合信息化施工技术而获取的实测数据，从紧邻地铁车站 深基坑的高架桥p h c 桩基特性及其抵抗变形能力、车站深基坑挡墙及其墙后位移 场、保护对象变形预测与控制等方面对紧邻高架桥的地铁车站设计施工技术作了 系统地理论研究。 1 5 本文主要内容 从力学角度来看，基坑开挖过程是一个开挖卸荷引起应力释放，导致围护结 构及其周围土体应力( 包括水、土压力) 重新分布的过程，涉及到土力学中典犁 的强度与稳定问题，同时还涉及到土与围护结构的共同作用。从变形角度来讲， 第一章概述 士体应力重新分布必将引起基坑周围土体发生变形( 比如周围土体侧移、地表沉 降、坑底隆起等) ，并通过土介质进一步传递，影响到周围房屋建筑群、纵横南 北高架桥、地下轨道与市政管线等。 就本课题研究的目的和意义而言，为了减少地铁车站深基坑开挖过程中深基 坑源头变形和由此而引起的紧邻高架桥p h c 桩基的侧向变形：为了使得车站深基 坑引起的紧邻高架桥p h c 桩基的侧向变形的可受控，拟从如下几个方面进行现 场、理论研究： 1 高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 2 紧邻车站深基坑的高架桥桩基位移的预测研究 3 工程实例 6 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 所谓p h c 管桩是预应力c 8 0 高强混凝土管桩。p h c 管桩在2 0 世纪6 0 年代末 期在欧美兴起，广泛地应用于基础桩。由于p h c 管桩混凝土强度高、单桩承载力 高，且便于接桩、施工速度快、施工现场文明等优良特点而被广泛应用于高层建 筑、高架公路、厂房设备、港口和水工等基础工程中。 本课题中紧邻地铁车站深基坑的轻轨高架桥桩基采用的就是p h c 管桩。轻 轨高架桥p h c 桩基桩径为o 6 m ，各桩长与地下墙深度接近，总桩长为4 5 m ，分 为三节，共有两个接头，且第一二节p h c 桩接头均在基坑深度范围内。地铁车 站深基坑开挖很可能导致p h c 桩及其接头发生侧向折断，这就要求确定带接头 的轻轨高架桥p h c 桩基侧向变形的允许范围，以便指导在整个基坑施工期间明 珠线一期的安全和正常运营。 2 1 概述 2 1 1 国内外研究现状 目前分析研究桩的方法有很多，主要有：弹性地基梁法、荷载传递法、剪切 位移法、有限单元法、边界单元法、混合法等。在众多方法中，弹性理论法是目 前比较成熟的桩基计算方法。 目前对于接头的研究已发展了许多模型。对于常用的混凝土平板型管片的平 面式接头，可分成带有传力村垫和没有传力衬垫两种情况分别研究。带有弹性衬 垫的接头模型首先由陈三江( 1 9 8 5 ) 提出，其主要思想是，接头的主要受力变 形反映在衬垫螺栓端肋的变形上。而且由于衬垫弹性比接头面混凝士的刚度低 得多，假定接头面受力后仍然保持平面，故认为接头面为一刚性板。把衬垫以 螺栓视作为连接在两个刚性板之间得弹簧。如图2 1 所示。由力平衡以及弹簧变 形得物理、几何关系，求出螺栓得受力、接头转角。其中可以考虑衬垫变形得非 线性。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 ， m w l ， m w l w l 图2 1 带弹性衬垫的接头模型图2 2 村上博智、小泉的模型 对于不设衬垫的接头或者不考虑衬垫的作用，往往假定接头面混凝士受压区 的压力分布为矩形，并且近似认为受压区合力点到受压区边缘的距离为截面中性 轴到受压区边缘距离的1 3 ，由力平衡以及相应几何关系求出螺栓力以及相应转 角，如图2 2 所示。村上博智、小泉淳( 1 9 7 8 ) 等提出了相应模型。此外t e o d o i f t i m i e ( 1 9 9 4 ) 对于不设螺栓的接头假定接头面受压区混凝土接触压力分布为抛 物线，认为接头的变形主要是混凝土的压缩变形引起。由此推导了相应的抗弯系 数c 。即，并用玩3 肘，m c 来表示接头的影响，g e 在0 0 6 之间。 为研究方便，在一维计算中通常采用等效刚度来模拟高架桥p h c 桩基在侧向 不均匀变形条件下的接头结构性能。 等效弯曲刚度的计算方法有多种，其中典型的有两种：一种是按环缝截面刚 度等效 志波田纪夫( 日本) ，一种是按侧向接缝管体组合刚度等效 村上博智， 小泉淳( 日本) 等 。 第一种方法以一环全部管片体与环缝作为一体进行等效，其结果是夸大接缝 的影响，明显忽略了接缝影响范围以外管片体的影响，其结果表达式为： ( e 1 ) e q2 忑万两c o s 百3q 万丽岛l ( 2 1 ) 式中矿为以下方程懈眦妒石南j ，。删向螺栓个龇式中妒为以下方程的解：l 6 s “s “，n 为侧向螺栓个数k b 为接头螺栓的线刚度，也s a s 为高架桥p h c 桩基横断面轴压刚度。 第二种方法则将高架桥p h c 桩基侧向等效为接头与管片的组合体，满足侧向 弹性地基平衡方程，其结果比较满意，但小泉淳( 日本) 对于横截面参数分析不 如第一种方法明确的解析。在确定环缝转动刚度中，一些关键参数如局部混凝_ 十 压缩刚度等需要试验确定。其表达式为： 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 ( e i ) e q = 了_ 专鲁e s s k ，口+ 凡，s 忆33 ( 2 2 ) 式中k r 。为环缝转动刚度，一般需要试验确定。 a l e x a n d e r ，l a w s o n 等对结构构件的容许变形作了总结。s k e m p t o n 、b j e c r r u m 等均对结构的容许变形进行了分析并给出了限定值。 p h c 管桩的一般应用特点概述如下： 1 p h c 桩按照预应力施加环节分为先张法预应力管桩和后张法预应力管 桩。此处高架p h c 桩是先张法预应力管桩。 2 p h c 桩按照混凝土抗裂弯矩和极限弯矩可以分为：m 型、m b 型、b 型。由于我们研究的p h c 桩是先张法预应力管桩。按照先张法预应 力混凝土管桩( g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 ) 规定的有效预压应力值：m 型3 5 - - 4 2 m p m ：m b 型5 m p m 左右；b 型5 5 6 0 m p m 。 2 1 2 国内外研究现状 经过多方帮助，特别在上海铁路城市轨道交通设计研究院的大力协助下，收 集上海市轨道交通三号线一期工程的设计资料，经过原始资料整理分析，我们把 与课题相关的紧邻地铁车站深基坑的轻轨高架桥p h c 桩基特点归纳如下： 1 本标段桥墩均为双柱墩，高架桥下部结构包括桩基、承台、墩台身、盖 梁和支撑垫石，桥梁为箱形梁，主要有钢筋混凝土简支梁、预应力混凝 土简支梁、预应力混凝土连续梁等。混凝土简支梁按照跨度分为以下两 类：a 、2 2 米( 含) 以下跨径采用钢筋混凝土结构；b 、2 3 3 1 米( 含) 跨径采用预应力混凝土结构。 2 支座选用4 5 米结合梁，采用q c p z l 5 0 0 固定，活动盆式橡胶支座，简支 梁采用板式橡胶支座。 3 结合宜山路至虹桥路高架桥p h c 桩资料和先张法预应力混凝土管桩 ( g b l 3 4 7 6 1 9 9 9 ) ，我们整理得到赢径6 0 厘米p h c 管桩技术性能表，如 表2 1 ，图2 3 所示。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 表2 i 直径6 0 0 r a mp h c 管桩技术性能表 外径( m )c 6 0 0 壁厚 1 0 0 型号 a a bb 高强钢筋 1 2 砧9 2 1 2 c 儿1 8 口1 l 配筋 冷拉i v 级钢筋 1 2 啦! 21 8 c 1 21 8 c 1 2 混凝土有效预压应力( m p m ) 3 7 25 1 2 73 1 极限开裂弯矩( k n x m ) 1 6 6 6 1 9 9 92 4 50 极限强度弯矩( k n x m )2 4 9 93 3 0 34 4 1 0 主筋中心距( m )c 4 9 0 使用抗弯刚度( i o n m n 1 ) 1 9 6 3 9 混凝土强度( m p m ) 7 8 4 弋 瓮。- - j - _ 七l 乏夕4 r 屯= 去加4 ( 1 一( 2 吲 1 0 兰三皇壹墨煎翌坚望塑堕堕塑笙生塑型塑翌塞一 薹瑚 鼎) 5 0 0 4 0 0 瑚 枷 i ou l o 薹一 l ) m 4 0 0 m l 毫 董 i _ j 0l 撕3 0 0 0 姗舢蛳 力n 恤- ) p h c - v 6 0 0 一a 莹l m 一力一膏炬关系矗 - 、 ， 多。、 一r 、 o乡函 ， j ， 址 、 多m n 彩 7 ， 易 夕 i i 哪0l 枷跏卿 力n ( k n ) p h c - * 6 0 0 一蚺型t 胄力一毫炬美幕墨 一一 、 ， 彰 强 、 ， 夕 i ，衫 ， 勿 l 彩le _ ， ，夕 ， h ln ：翻 、_ t - 一 幺 多 、 l p f i c o 一日重盖赣一方一魄关幕置 图2 4p h c - - 6 0 0 管桩轴力一弯矩芙系图 力n 佃i ) 第二章高絮桥p h c 桩基侧向变彤允许值f f j 研究 2 1 4 地铁车站深基坑工程与轻轨高架桥p h c 桩基的关系 根据本课题涉及的车站深基坑工程的设计图纸和施工监测图纸，我们整理出 明珠线一期宜山车站桥墩桩基变形与明珠线二期宜山车站深基坑围护结构之问 关系，现存咀表2 2 、图2 5 和图2 6 表述如下： 表2 2 桥墩桩基变形与深基坑围护结构各几何尺寸 桥墩桩基对应的深基坑围护结枉j 两者距 编号桩基之间桩基浑度l铡孔号斤挖宽度开挖深度h插入潆度d测孔号离d m 1 0 5问距4 8t 1 0 51 731 561 29 0 s 4 4 1 25 6 m 1 0 62 一2 3 4 3t 1 0 6 l 72 4 9q s 4 31 2 8 m 1 0 73 0 0 04 25t 1 0 7u 一8 7 21 5 61 20 q s i 2 1 52 m 1 0 82 卜7 54 2 ，5t a l 0 81 3 7 7 51 56】2 9 q s 4 t 1 57 m 1 0 93 札0 04 5 5t a l 0 91 3 ，3 4 81 5 61 2 9q s 4 01 68 m 1 1 03 00 04 5 5t a l l o1 33 4 81 5 51 30 s 明1 6l q 一墨一；。冀，= 一 图2 5 明珠线二期宣i i i 路桥墩桩基变彤与地墙变形关系平面示意图 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 磺吓叫 桥墩 图2 6 地铁基坑及其对应高架桥p h c 桩基监测横断面和坐标系 根据表2 2 和图2 5 可知，要开挖的地铁车站深基坑西侧紧邻正在运营的明 珠线一期高架线路和宜山路车站。根据现场施工情况知道地下墙外边线距高架线 路承台最小距离1 5 m ，距车站承台最小距离3 8 m ，距车站建筑外边线2 7 m 。深 基坑与高架桥p h c 桩基之间距离基本在一倍开挖深度范围左右，根据已有的工 程经验可以判断高架桥p h c 桩基受深基坑开挖影响而产生侧向变形是不容忽 视。 孑珥1 一_ 一r 0 一 来牯 啦i 将扮 3 磺 世 舶 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 2 2 高架桥p h c 桩基受力分析 2 2 1 高架桥p h c 桩基力学指标 从p h c 管桩技术性能特点表2 1 来看，p h c 桩基的内力有三个控制指标： 混凝土有效预压力、极限弯矩和抗裂弯矩。理论上，地铁车站深基坑开挖卸荷引 起周围地层的移动，势必引起其紧邻高架桥p h c 管桩的侧向变形，同时这种侧 向变形势必引起p h c 管桩竖向荷载产生偏心，高架桥p h c 桩基的竖向偏心受力 和侧向变形势必引起p h c 管桩内力一弯矩的产生。高架桥p h c 桩基的竖向偏心 受力和内力一弯矩反过来也会加剧高架桥p h c 桩基的侧向变形，当发展到一定 程度会使p h c 管桩本身和接头处产生裂缝，最终导致p h c 桩基的破坏。 图2 7 高架桥p h c 桩基的沉降监测历时曲线图 如图2 7 所示，在地铁车站深基坑开挖过程中，高架桥p h c 桩基的沉降监测 数据表明p h c 管桩竖向沉降基本稳定，从力学角度来讲，竖向承载力基本稳定。 在应用过程中，往往将高架桥p h c 桩基结构受力分析分为侧向分析和竖向分析两 部分，完全可以忽略了包括侧向与竖向相互影响等因素。此外，按照上述p h c 一 6 0 0 管桩轴力一弯矩关系图卜4 可知两者是相关的，在此我们可以以p h c 抗裂弯 矩为控制指标。 综合上述分析，我们以p h c 管桩技术性能特点表2 - 1 中的抗裂弯矩为最终的 控制指标。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 2 2 2 弹性地基粱法 q 皇旧i q 。t 掣：只一扩( 2 - 4 ) 分为两对部分：均匀剪切力q + 警及不均匀剪切粤；前者产生整体侧向剪切变 o 警_ 警。 m= + m m + d m 一( 9 + d 9 ) 出一妄( g 一r ) d x 2 一m = 0 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 ( i d m q 一蛔一吉( 。一只) 出一o ( 2 _ 5 ) 显然，一般情况下，上述平衡方程式由于含有高阶微量，对于高架桥p h c 桩基将产生局部挠曲作用，在进行平面分析时忽略，而在空间作用分析中是不能 忽略的。 按弹性地基梁的方法计算分析因深基坑施工引起邻近高架桥p h c 桩基侧向 变形。把高架桥p h c 桩基视为弹性地基上的梁如图2 1 0 所示： 一 r p 0 ， 一4 、 一 一一 7 、t i 一1 +、 p p 藿 小 誉 妒 卜t 峙 葶 箕 一t o d 一 一 一：_ 二歹汀 州p i ， 。? 心、毒 鍪 图2 1 0 高架桥p h c 桩基的地基梁计算模型 当略去高阶微量时，_ d m ：q ， a x且利用m = ( e z l z ) 。j d 2 丁w 则有 喊u 。冬删= q ( 2 6 ) 式中，k 为基床系数，即为桩士之间的弹性系数；( e ，) 。为高架桥p h c 桩 基侧向等价弯曲刚度，q 为作用在高架桥p h c 桩基上的分布荷载，可以按照 9 = k k 进行计算，为高架p h c 管桩的侧向位移，w 为紧邻高架p h c 管桩的地层位移量。 1 6 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 2 3 高架桥p h c 桩基接头力学模型 高架桥p h c 桩基侧向结构性能是高架桥p h c 桩基侧向传递荷载的关键因素之 一。由于高架桥p h c 桩基施工方法或结构上的需要，高架桥p h c 桩基不可避免存 在接头，对于高架桥p h c 桩基而言，高架桥p h c 桩基接头是影响高架桥p h c 桩基 侧向结构性能的关键。 焊缝接头虽然刚度比高架桥p h c 桩基的刚度要小，但它也能传递一定的弯 矩、轴力和剪力，因此在高架桥p h c 桩基计算模型中，往往用k o 、k 。、k ，分 别表示高架桥p h c 桩基接头抗弯、抗压、抗剪刚度。其中抗弯刚度 0 是表征接 头性能的最主要参数，它定义为接头产生单位转角所需要的弯矩。 目前对于接头的研究主要是以确定“0 值为主要目的，并且已发展了许多模 型。对于常用的混凝土平板型管片的平面式接头，可分成带有传力衬垫和没有传 力衬垫两种情况分别研究。带有弹性衬垫的接头模型首先由陈三江( 1 9 8 5 ) 提出， 其主要思想是，接头的主要受力变形反映在衬垫螺栓端肋的变形上。而且由 于衬垫弹性比接头面混凝土的刚度低得多，假定接头面受力后仍然保持平面，故 认为接头面为一刚性板。把衬垫以螺栓视作为连接在两个刚性板之间得弹簧。 如图卜1 1 所示。由力平衡以及弹簧变形得物理、几何关系，求出螺栓得受力、 接头转角。其中可以考虑衬垫变形得非线性。 对于不设衬垫的接头或者不考虑衬垫的作用，往往假定接头面混凝士受压区 的压力分布为矩形，并且近似认为受压区合力点到受压区边缘的距离为截面中性 轴到受压区边缘距离的1 3 ，由力平衡以及相应几何关系求出螺栓力以及相应转 角，如图2 1 2 所示。村上博智、小泉淳( 1 9 7 8 ) 等提出了相应模型。此外t e o d o i f t i m i e ( 1 9 9 4 ) 对于不设螺栓的接头假定接头面受压区混凝土接触压力分布为抛 物线，认为接头的变形主要是混凝土的压缩变形引起。由此推导了相应的抗弯系 数c d 即，并用g e2 屿丝来表示接头的影响，g 。在o o 6 之间。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 ， m m 卜 ， l m w l 一 机w l 图2 1 l 带弹性衬垫的接头模型图2 1 2 村上博智、小泉的模型 以上两类模型都能根据接头处所承担的弯矩和轴力、以及接头的相应几何、 物理参数求出该受力状态下接头转角以及接头受力，从而求出接头的抗弯刚度 “一。但正如前所述，这些模型主要以确定“。值以及接头转角为目的，不能计算 得到接头面处混凝土的接触压力分布，这正是这些模型的最大不足。大景实验和 实践表明，接头的破坏大部分是由于接头面处混凝土被压碎而引起，因此确定某 受力状态是否处于安全状态尤为关键。 其次对于考虑弹性衬垫作用的模型中，把接头面视为刚性，忽略混凝土变形 对接头变形的影响，这在接头受力较小时是比较合适的，但当荷载较大时会产生 一定误差。对于后一类模型，假定受压区混凝土的压力分布为矩形，这类似于我 国钢筋混凝土设计规范中抗弯构件配筋计算中的简化。但这是已两个条件为前提 的，即：保证简化后的矩形分布的压力的合力中心点和原来菲矩形的压力合力点 致、大小相等，并且假定截面受压区边缘达到混凝土的极限压应变。而对于接 头面处混凝土受压区压力分布不明确的情况下采用这种假定是有些牵强的，而且 近似认为受压区合力点到受压区边缘的距离为截面中性轴到受压区边缘距离的 1 3 ，这更显得有些粗糙。 鉴于以上存在的不足了，建立一个既能求解表征接头力学性能参数“0 及转 角，又能确定接头面处接触受压区受力状态的接头力学模型显得尤为重要。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 2 3 1 高架桥p h c 桩基接头单元 对于高架桥p h c 桩基接头可采用三个 虚拟的非线性弹簧来分别模拟接头的转动、 剪切、轴压受力性态，这些弹簧具有两个节 点，分别与接头两侧的梁单元相连；弹簧不 具有长度，它的两个的节点可以重合。接头 单元的示意图如图2 1 3 所示，图中为了清楚 表示，单元的两个节点没有画重合。 图2 1 3 接头单元示意图 2 3 2 旋转弹簧 旋转弹簧的受力及位移关系可由式( 2 7 ) 写出， m = k 曼一0 ( 2 - 7 ) i m ，= k e ( 目，一只) 上式可写成矩阵形式， 鼢 曼。训甜 s ， 记k k = 妥。- 场k o ，此即为旋转弹簧在单元坐标系下的单元刚度矩阵， 式中k 。为接头m 一0 曲线的切线剐度。 大量计算、实验分析、工程实践表明，高架桥p h c 桩基接头的转动是呈非 线性变形的，因此计算中所用的k 。不会是一个恒定值，而是m 0 曲线上的切线 斜率，因此应根据旋转弹簧两个节点的相对转角在m 0 曲线上得到。接头的 m 一0 曲线可根据计算、实验得到。 2 3 3 轴压弹簧及剪切弹簧 类似旋转弹簧，可以得出轴压弹簧及剪切弹簧受力及位移关系的矩阵形式如 式： 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 二善 鼢匕训哥 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 州。= 陵- e k ” 州；= 陵- k k s 删为轴压弹簧以及剪切弹簧的 单元刚度矩阵。式中e 、足，分别为接头的轴压刚度以及抗剪刚度。这两个值对 于接头的受力特征来说并非是关键参数，目前对于它们的研究比较少，实际上在 计算中往往不考虑这两个刚度的影响，而把它们的值取为一很大的值。 2 4 接头力学模型的建立 2 4 1 模型的假设 在模型的建立过程中，将采用以下几个假设： 1 接头处的变形主要是由接头面混凝土的压缩变形以及端肋的变形所引起 的。 2 接头面为全截面承压，整个接头面保持为平面，未张开。 3 接头面处受压区边缘混凝土的压缩变形量的计算可以采用下式： 疋= 鲁， ( 2 1 1 ) d 式中，e 为混凝土的变形模量，解释为压缩应变的影响深度，取为和受压 区高度相等。 4 假设接头面处接触受压区的混凝土压力分布图形为标准的二次抛物线， 抛物线的顶点在受压区边缘。 引吖川儿 k 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 图2 1 4 平面形接头的计算模型图2 1 5 混凝土的仃一s 曲线 5 假设使接头内侧张开的称为正弯矩，使外侧张开称为负弯矩。 2 4 2 接头尚未张开模型 当接头尚未张开时，整个接头面承压，按假设2 此时接头面保持为平面。把 受压区合力分为两部分，矩形部分的合力c 1 ，抛物线部分的台力为c 2 ，计算简 图如图2 1 6 ( a ) 所示。 r 一1争9 f r l蕈2 二 尊 一 j ( a ) 张开前( b ) 张开后 图2 1 6 模型计算简图 由力平衡关系得， x = o ，+ 瓦一c l c 2 = 0 ( 2 1 2 ) z m = o ，n e t a c t j h ) 一c z i h = 0 根据假设4 ，压应力图为二次标准抛线且顶点在受压区边缘处 c ，= a ；b h c 2 = z ( a 。一盯：) 拍 由接头面平截面的变形关系得， h d s 6 = 占。+ _ ( s 。一s 。) 混凝土的应变由虎克定律计算， 仃一 t 2 苫 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 3 ) 故有： ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 s ：旦( 2 1 7 ) 。 f 由螺栓变形的物理关系得， f 岛k = 瓦一瓦 ( 2 一1 8 ) 联立以上各式可求得， ：4 m i ( 3 d - h ) t - n t h 2 + _ t 0 2 一 b h 2 ( 2 - 1 9 ) 。 6 厅2 一t o o h d 一1 2 d 2 3 h 2 、 盯，：n ( 1 2 t d 2 - 6 t h d + b h 2 , a _ ) + 4 m ( 3 t d + _ 2 b h ) _ + t o ( 3 h - 4 d ) 2 一 b h ( 2 - 2 0 ) 。 b h x b h 2 一t ( 1 0 h d 一1 2 d 2 3 h 2 把接头承受的轴力、弯矩及相关几何、物理关系代入( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 式即 可求出焊缝接头受力及混凝土压力。由于此时接头尚未张开，但接头及其接头面 的抗弯刚度和高架桥p h c 桩基的抗弯刚度不一样。 2 5 接头抗弯性能 接头承受的弯矩、轴力与转角的关系表征了接头的抗弯性能，可以通过研究 接头转角的变化规律来得到接头的抗弯刚度。接头刚度定义为接缝产生单位转角 所需的弯矩，由于转角与弯矩的变化规律一般不是呈线性变化的，因此直接用弯 矩除以转角得到的是剖线剐度，它表示的是平均的刚度；根据曲线的切线斜率得 到的是切线刚度，这才是严格按照定义的抗弯刚度。 2 5 1 偏心距的影响 可以根据接头在正、负弯矩作用不同偏心距下的接缝转角与弯矩的关系曲线 来判断偏心距对接头抗弯性能的影响是否比较明显的。有关文献研究表明：小偏 心距时，转角与弯矩基本按直线变化；大偏心距时，近似按两段：直线变化。当偏 心距较小时，曲线的切线斜率较大，抗弯刚度较大；当偏心距较大时，曲线的切 线斜率较小，抗弯刚度较小。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 2 5 2 轴力的影响 可以从接头在同一轴力不同偏心距下的接缝转角与弯矩的关系曲线看出，轴 力大小对接头的抗弯刚度的影响。一般，轴力大时，接头的抗弯刚度较大。此外， 接缝张开量与弯矩的关系曲线也表明，轴力增大对延缓接缝的张开是比较明显 的。一般，轴力越大，接缝耐张开的能力越强，即接缝张开所需要弯矩也越大。 2 6 高架桥p h c 桩基侧向变形允许值 侧向变形允许值是具有工程意义的工程控制指标。在己知高架p h c 管桩的侧 向允许曲率的情况下，如何确定其在邻近车站深基坑开挖引起的侧向变形允许值 是保护紧邻深基坑开挖的高架桥p h c 桩基必须要做的工作。 为做进一步的深化分析做准备，以下作者提出三点： 其一，位于周围地层上的高架桥p h c 桩基结构主要承受两种方式的外部作 用：一种是荷载：一种是变形。一般情况下当高架桥p h c 桩基处于加载情况时， 荷载比较明确，适于采用荷载模式去分析，这种荷载结构方式概念简单明了；而 对于当高架桥p h c 桩基处于紧邻地铁深基坑开挖卸载情况时，荷载不明确，这种 情况往往是周围地层变形引起的，则适于采用位移模式去分析； 其二，由弹性地基梁剪力平衡方程，! 兰= 只一q 可知，沿高架桥p h c 桩基 m 侧向分布的侧向不均匀变形，对于任意高架桥p h c 桩基横断面上垂直土压、侧壁 摩阻力、周围地层抗力都无法取得自相平衡，该不平衡荷载由来至高架桥p h c 桩基横断面两侧的不均横剪切力d g 平衡，这种不均横剪切力对于任意高架桥 p h c 桩基横断面将产生不均匀的侧向变形与弯曲，这种不均匀变形对高架桥p h c 桩基结构产生侧向附加内力与变形的实质所在。 其三，在工程实践中，对高架桥p h c 桩基本身变形的观测往往是必不可少 的。在本课题工程实际中，就是遇到需要求解一定周围地层变形条件下高架桥 p h c 桩基内力的情况，所以本文将对已知高架桥p h c 桩基变形或者已知周围地层 变形两种情况进行分析。不过，对于软土中的细长高架桥p h c 桩基，由于高架桥 p h c 桩基侧向鞫4 度较低，所以其变形往往与周围地层变形差不多。为简化分析， 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 将高架桥p h c 桩基的变形等同于周围地层变形。但这种等同并不意味着两者的变 形完全协调，否则高架桥p h c 桩基与周围地层不会产生任何共同作用，这种等同 至多是低阶变形分量上的等同，只满足高架桥p h c 桩基于周围地层接触条件而 己。 基于以上述三点，着手研究高架桥p h c 桩基侧向位移对高架桥p h c 桩基横断 面内力的影响。在研究高架桥p h c 桩基侧向不均匀变形条件下的结构反应之前， 应首先研究高架桥p h c 桩基侧向刚度的计算方法及其影响因素。 2 6 1 离架桥p h c 桩基结构的等效刚度 为研究方便，在一维计算中通常采用等效刚度来模拟高架桥p h c 桩基在侧向 不均匀变形条件下的接头结构性能。 等效弯曲刚度的计算方法有多种，其中典型的有两种：一种是按环缝截面刚 度等效 志波田纪夫( 日本) ，一种是按侧向接缝管体组合刚度等效 村上博智， 小泉淳( 日本) 等 。 第一种方法以一环全部管片体与环缝作为一体进行等效，其结果是夸大接缝 的影响，明显忽略了接缝影响范围以外管片体的影响，其结果表达式为： ( 日) 毛= 面而历c o s 3 而p b 。 ( 2 2 1 ) 式中妒为以下方程的解：妒+ c 留p = 丌( 三+ 鸶j 式中，力为侧向螺栓个数 笕为接头螺栓的线刚度，e 。以为高架桥p h c 桩基横断面轴压刚度。 第二种方法则将高架桥p h c 桩基侧向等效为接头与管片的组合体，满足侧 向弹性地基平衡方程，其结果比较满意，但小泉淳( 日本) 等对于横截面参数分 析不如第一种方法明确的解析。在确定环缝转动剐度中，一些关键参数如局部混 凝土压缩刚度等需要试验确定。其表达式为： ( 跏。= i 萋赢即s ( z 啦) 式中置。为环缝转动刚度，一般需要试验确定。 第二章高架桥p h c 桩基侧向变形允许值的研究 参考以上方法，本文试图提出将两者综合起来的实用计算方法。 l s = = o 一= j ( = ) ( = ：j c o t = ：j - z 7 二c j 苜 k o 目 图2 ，t 7 高架桥p h c 桩基侧向刚度等效示意图 取两节高架桥p h c 桩基中心线之间的s 长度作为一个计算单元，引入焊缝 接头影响长度参数。f j 。 = s ) 为焊缝混凝土组合体范围，s 一。范围为混凝土 桩体。当单元如两侧受到弯矩作用时，单元产生如图2 一1 7 所示的综合弯曲变形。 单元转角由两部分组成：0 = 最+ 臼，其中德，醇分别为及焊缝引起的转角。 1 混凝土桩体弯曲引起的截面转角变形o s 由于接头变形相对管片体的变形要大得多，且当以一环管片为研究对象时， 可以近似认为截面转角呈线性变化，因此有管片体