桩基托换监控量测技术的应用

刘 浩,郭 平

(中铁一局集团有限公司,西安 710054)

随着城市地铁的大规模发展,桩基托换技术越来越得到广泛的应用,本文以深圳地铁3101标太阳广场桩基托换为例,重点介绍了托换中如何通过监控量测做到信息化施工,确保施工过程中既有建筑的安全。

1 工程概况

深圳地铁3号线3101标老街站—晒布站盾构区间下穿太阳广场大厦西南角,太阳广场为地面七层,地下二层的框架结构,基础为独立桩基、人工挖孔桩,桩径共有 4 种,分别为:1.2、1.3、1.4、2.4 m。ZB11′、ZB12′、ZB13′和 ZB14′沿地下室侧墙布置 ,桩上无柱,主要承受地下室两层荷载;ZC14′、ZC13桩上有柱,柱截面为0.8 m×0.8 m,承受地面七层及地下室两层荷载。

根据基础桩和隧道的位置关系,需对隧道顶部的ZB12′、ZB13′、ZC14′进行托换 ,隧道两侧的 ZB11′、ZC13、ZB14′桩基进行加固。

其中ZC14′采用主动托换方式,托换梁外包被托换桩承台和结构基础梁,托换梁支撑采用φ300 mm嵌岩钢管灌注桩,被托换桩在托换梁底部截断。主动托换是本文分析的重点。桩基托换平面布置见图1。

图1 桩基托换平面布置

2 监测项目、监测仪器、监测控制标准

2.1 监测项目

具体项目详见表1。

2.2 监测仪器

监测仪器详见表2。

2.3 监测控制标准

(1)太阳广场ZC14′主动托换期间最大允许沉降控制在-3 mm(向下位移为-,下同),顶升控制值为+1 mm。

表1 监测项目汇总

表2 监测仪器汇总

(2)在进行变形观测的同时,应加强应力观测,控制结构的裂缝发展。

(3)如沉降接近警戒值时,应加密监测频率,并作日报表;接近控制值,则应停止施工,分析原因,及时采取有效措施控制结构变形。

3 主要监测方法

3.1 托换梁变形监测

(1)测点布置:1号、2号梁各布置2个测点,3号梁布置6个测点,4号梁布置10个测点,共20个变形测点。

(2)测点安装方法:采用钻机在被测物上成孔,并植入φ12 mm的钢筋。

(3)测试方法:根据现场条件可采用拓普康DL-111C精密电子水准仪和百分表2种方式进行监测。

(4)数据处理:通过实测数据计算钢管桩的沉降和托换梁挠度,并结合工况绘制沉降时程和挠度曲线。

3.2 钢管桩内力监测

(1)测点布置:在托换新桩桩身选取4个截面,每截面对称布置4个钢筋应变计。每根桩需16根钢筋应变计,6根桩共需96根钢筋应变计。

(2)测点安装方法:拟定在下钢管前,把应变计焊接于钢管外表,并安装保护罩,由于应变计在外表难以保证其完好率,具体将根据现场钢管桩的施工工艺调整钢管桩应力的安装方法。

(3)测试方法:采用电阻式应变读数仪采集数据。

(4)数据处理:计算每次量测的应变和累计应变,并计算钢管轴力,根据工况绘制应变时程曲线。

3.3 被托换桩上部结构柱及相邻柱应力监测

(1)测点布置:只对4号主动托换桩及相邻柱进行应力监测,被托换桩外贴振弦式应变计,每根桩沿四周各贴1根振弦式应变计,3根桩共布置12根振弦式应变计。

(2)测点安装方法:被托换桩在托换梁底距梁底50～100 cm位置安装钢弦应变计;相邻桩在其上部对应的结构柱四周外贴振弦式应变计,并引好导线和编上号加以保护,截面选择在距节点50～100 cm处。

(3)测试方法:采用电阻式应变读数仪和频率接收仪进行数据采集。

(4)数据处理:计算每次量测的轴力和累计轴力,并根据工况绘制时程轴力曲线。

3.4 托换梁应力监测

(1)测点布置:只对4号主动托换的托换梁进行应力监测。托换梁应力主要针对梁的受拉区进行监测,即在被托换桩位置两侧,沿梁的纵向按间距30 cm布置一个应变计。每片托换梁布置10个(每侧5个,根据现场实际需要可作调整)。

(2)测点安装方法:均采用外贴钢弦应变计。

(3)测试方法:采用振弦式应变读数仪采集数据。

(4)数据处理:计算每次量测的应变和累计应变,并根据工况绘制应变时程曲线。

3.5 新桩、被托换桩和相邻柱沉降监测

(1)测点布置:在4号新桩承台两侧、被托换桩和相邻跨桩各布置1个沉降测点,共11个沉降点。

(2)测点安装方法:采用钻机在被测物上成孔,并植入φ12 mm的钢筋。被托换桩和相邻跨桩沉降测点布置在对应的上部结构柱上,地下室地板沉降测点直接布置在地板表面。

(3)测试方法:采用拓普康DL-111C精密电子水准仪进行监测。

(4)数据处理:每次量测提供各测点本次沉降和累计沉降报表,并结合工况绘制沉降时程曲线,必要时对沉降变化量大而快的测点绘制沉降速率曲线。

3.6 被托换桩和托换梁相对位移监测

(1)测点布置:在4号被托换桩两侧各布置1个位移测点。

(2)测点安装方法:先在被托换桩安装支架,支架顶部距托换梁底部30 cm,然后在支架上安装百分表。

(3)测试方法:采用百分表进行监测。

3.7 钢管桩和托换梁相对位移监测

(1)测点布置:在4号两新桩承台顶部各布置2个位移测点,每侧1个,共4个测点。

(2)测试方法:采用百分表进行监测。

3.8 建筑物梁板应力监测

在地下室底板只对4号主动托换桩相邻的梁跨进行梁体应力监测,由于4号被托换桩两侧梁体已和托换梁合为一体,因此只测试负二层地下室顶板梁体应力。

4 监测数据分析

4.1 托换梁线形监测

托换梁实测线形数据见表3。

从表3可以看出,C9、C10处于托换梁悬臂端,且该处千斤顶加载较另一端要大,其变形较其他要明显,但总体看,其变形不大,图2给出托换梁在顶升过程中各级荷载作用下的变形曲线。从图中可以看出,托换梁在各级荷载作用下,其变形曲线基本顺滑(由于测量误差的存在,个别处有轻微的凹凸现象),没有出现异常变形现象。

表3 托换梁线形实测结果mm

图2 托换梁实测变形曲线

根据托换梁各点的变形数据,推算托换梁在被托换桩位置的挠度如表4所示。

表4 托换梁在被托换桩处的实测挠度 mm

从图3看出,托换梁实测挠度较小,挠度与荷载关系基本呈线性关系,说明托换梁始终处于弹性工作状态,其刚度满足托换要求。

图3 托换梁在被托换桩处的实测挠度与荷载效率关系曲线

4.2 托换梁应力监测

托换梁实测线形数据见表5。

表5 托换梁实测应变 με

表5为托换梁梁底的实测应变,各点实测应变并不均匀,且有些点应变较大,这主要因为托换梁在顶升过程中不仅出现因弯曲变形而产生的拉应力,而且存在因各千斤顶施力不同步致使托换梁扭转变形而产生的拉应力。实测最大应变为L3-1点181με,推算钢筋应力为36.20 MPa,远小于钢筋设计允许应力,满足托换要求。

下面给出部分测点实测应变与荷载的关系图,从图4中可以看出,在各级荷载作用下,各测点应变没有畸变和退化现象,托换梁应变与荷载效率线性相关系数在0.981 8～0.996 5,线性关系良好,说明托换梁处于良好的弹性工作状态。

图4 托换梁应变与荷载效率关系曲线

4.3 托换新桩沉降监测

托换新桩承台实测沉降见表6。

表6 实测新桩承台沉降 mm

在托换过程中,新桩承台下沉最大的是东南承台,下沉4.93mm,在加载至最大级持荷1 d后,新桩承台下沉最大为0.21 mm,下沉量很小。从图5中可以看出,除西北承台外,其他承台下沉与荷载效率存在较好的线性关系,说明新桩下沉大多表现为弹性下沉,钢管桩施工质量较好。

图5 新桩承台沉降与荷载效率关系曲线

由于在卸载一级后,新桩承台与托换梁之间的百分表因频繁施工类遭破坏,其相对位移无法测试,且卸载二级、撤千斤顶浇筑混凝土、新混凝土收缩等因素存在,均可能产生新桩承台与托换梁的相对位移,所以托换梁的沉降数据不能真实反应新桩沉降,故后期新桩沉降数据未能提供。由于6月22日浇筑承台与托换梁之间的混凝土,至7月2日盾构通过后的新桩沉降可利用托换梁的沉降数据,从表中看出,盾构通过导致新桩有一定下沉,其中西北桩下沉最大,为-1.61 mm(当次沉降),总体看来,新桩沉降不大。

4.4 托换梁与既有桩相对位移监测

托换梁与既有桩相对位移见表7。

表7 托换梁与既有桩相对位移 mm

从表中数据可以看出,在托换过程中托换梁与既有桩相对位移很小,说明托换梁与既有桩衔接牢靠。

4.5 被托换桩上部结构柱应力监测

表8给出了被托换桩上部结构柱的实测应变,从表中数据可以看出,各点应变有较大差异,但应变较小,最大拉应变为14με,远小于混凝土理论开裂应变。以上现象说明结构柱因托换梁受力不均匀存在扭转变形,但变形很小,不影响结构安全。

表8 被托换桩上部结构柱实测应变 με

4.6 建筑物结构梁应力监测

表9给出了建筑物结构梁的实测应变,应变很小,均表现为压应力。主要因ZC14相对ZD14上抬引起。

表9 建筑物结构梁实测应变 με

4.7 托换梁裂缝分析

在加载至第五级后,对托换梁进行检查发现,其西侧面有如图6所示裂缝,即在ZB14′桩附近出现斜裂缝,最大裂缝宽度为0.15mm,在承台2位置有较多竖向裂缝,最大裂缝宽度为0.05 mm。

图6 托换梁裂缝

根据裂缝的形态可判断,ZB14′桩附近出现斜裂缝为典型的剪切裂缝,即在托换梁顶升后,由于ZB14′桩给托换梁提供了向下的竖向集中荷载,致使该处产生较大剪力,导致托换梁侧面开裂。承台2位置的裂缝均为竖向裂缝,呈枣核状分布,即中间宽,两端窄,且两端没有延伸至梁的上缘和下缘,所以判断为混凝土收缩裂缝,在荷载作用下,由于会在裂缝处产生应力集中,且截面中部钢筋布置不如边缘密集,裂缝会更加明显。

托换梁裂缝其宽度均小于《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)中的裂缝允许宽度,满足规范要求。

5 结论

在整个托换施工过程中,各监测项目测量值均满足标准要求,未出现超出警戒值现象。在盾构机通过该段后一个月内进行持续观测,各项指标均满足要求。通过施工过程中进行托换梁变形监测、钢管桩内力监测、被托换桩上部结构柱及相邻柱应力监测、托换梁应力监测、新桩、被托换桩和相邻柱沉降监测、被托换桩和托换梁相对位移监测、钢管桩和托换梁相对位移监测,托换过程中新桩及原结构各部分变形完全受控,做到信息化施工,确保建筑物及托换结构的安全。

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