冲击钻孔施工对桩基损伤的临近桥梁受力影响研究

谢春明 李明国 黄华江 任 艳

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心 广州 510420；2.广东华路交通科技有限公司 广州 510420; 3.广东交通职业技术学院土木工程学院 广州 510800)

大量超载车辆的通行对现有桥梁造成了严重破坏，桩基顶部或墩柱底部发生混凝土病害，形成了严重安全隐患，需要拆除后在原址上建设新桥。钻孔灌注桩基施工一般采用冲击钻成孔工艺，因新桥桩基距离旧桥较近，冲击钻振动扰动较大[1]，因此需要分析冲击钻孔施工对框架桥结构的安全影响。

徐静文、陈颖等[2-5]开展了桥梁下部结构受撞击损伤对整体结构安全影响的分析研究，但研究对象更多为船桥碰撞问题。目前工程领域关于新建桥梁冲击钻孔施工对临近旧桥桩基既有损伤的影响研究还较少。为了解冲击钻孔施工对框架桥的安全影响，采用有限元软件建立部分框架桥模型，对冲击钻孔施工影响下临近框架桥的力学响应进行数值模拟。

1 工程概况

某高速公路互通立交主线桥为15.02 m+15 m+30 m+2×15 m+9.67 m+42×15 m+15.02 m，第15～44跨为30×15 m钢筋混凝土结构框架桥，分左、右幅设置，单幅长450 m、宽度15.75 m、高12.5 m，结构形式包括空心板、墩柱、横梁、剪力墙、层板、扩大基础和桩基础，框架桥结构见图1。

图1 框架桥结构(单位：mm)

框架桥经几次加固后仍存在多处破损、露筋和开裂等病害状况，其现状见图2，桩基顶部与承台连接处和墩柱底部与扩大基础连接处混凝土存在严重病害，病害最严重连接处混凝土仅有1/4保留，被判定为险桥，需要在桥两侧修建新桥后再进行拆除。新桥位置与旧桥平面位置关系见图3。

图2 框架桥现状

图3 新、旧桥平面位置关系

由于工期紧张，新桥桩基施工方案拟采用冲击钻孔施工工艺(冲击钻采用冲锤质量为5 t，冲击时间为5 ms)，新桥桩基距离旧桥较近，最近净距约1.4 m，位于框架桥左侧。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

为了能准确地反映桥梁桩基工程施工加载对旧桥结构的影响[6-7]，采用ANSYS/LS-DYNA软件建立有限元模型并进行力学响应分析。考虑到结构的对称性，取左幅桥距离冲击钻孔施工最近的两跨，采用钢筋混凝土分离式共节点模型建立部分框架桥模型[8]，再施加对称约束进行计算。横向水平方向取为桩基外约25 m范围，竖向取为旧桥底部约30 m范围。模型大小与实际结构完全相同，框架桥三维数值模型见图4。

图4 框架桥三维数值模型

模型中，混凝土与钢筋均采用随动硬化双线性弹塑性材料，混凝土采用Solid164单元模拟，钢筋采用Beam161单元模拟。模拟中混凝土选择塑性随动硬化材料，具体参数取值见表1。

表1 混凝土材料模型参数

在计算模型范围内分布的地层主要有素填土层、粉质黏土层，选择147号各向同性损伤材料模拟。模型中土层参数见表2。

表2 模型中土层参数

2.2 计算工况

冲击钻孔前无法预计成孔所需要的总冲击次数，而且很难计算多次累加冲击效应的影响，因此模拟冲击钻首次冲击，对比分析冲击钻孔施工对框架桥桩基完好和桩基受损2种工况的安全影响。

1) 桩基完好工况。桩基顶部和墩柱底部混凝土完好，框架桥桩基完好工况见图5a)。

2) 桩基受损工况。在计算模型中，设定桩基顶部混凝土单元及墩柱底部与扩大基础连接处75%的混凝土单元不参与计算，模拟桩基受损工况，框架桥桩基受损工况见图5b)。

图5 桩基计算工况

冲击钻采用冲锤质量为5 t，冲击时间为5 ms，冲锤起升的高度不超过1.5 m，冲程为自由落体1.5 m。经计算得到冲击荷载为3.069 MPa。冲击钻首次冲击荷载施加示意见图6。

图6 冲击钻首次冲击荷载施加

3 数值模拟结果分析

3.1 框架桥土体与墩柱竖向位移分析

框架桥土体与墩柱分析点位见图7，此处框架桥距离冲击钻孔净距最小。

图7 框架桥土体与墩柱分析点位

框架桥桩基周围2种工况下土体和墩柱竖向位移时程曲线见图8。

图8 2种工况下框架桥桩基周围土体、墩柱竖向位移时程曲线

由图8a)可知，冲击加载会引起周围土体的沉降，由于冲击加载在地面，受冲击效应的影响，墩柱底部完好时土体瞬时位移最大为8.11 mm，趋势稳定后为2.1 mm。墩柱底部受损时土体位移相比较大，瞬时位移最大为8.51 mm，趋势稳定后为3.5 mm。

由8b)可知，冲击振动传递到旧桥墩柱，墩柱底部完好时墩柱最大竖向位移为1.75 mm左右，墩柱底部受损时由于承载能力不足，墩柱位移相对较大，为2.33 mm。

3.2 墩柱及桩基混凝土、钢筋单元应力分析

框架桥墩柱底部与扩大基础连接处的混凝土、桩基顶部与承台连接处的混凝土仅有1/4保留，因此需要对比分析2种工况下墩柱和桩基受力状况，选取框架桥距离冲击钻孔净距最小的墩柱底部混凝土及桩基顶部混凝土单元进行分析。

框架桥2种工况下墩柱与扩大基础连接处混凝土单元和钢筋单元应力时程曲线见图9。由图9a)可知，墩柱底部完好时，冲击振动传递导致墩柱与扩大基础连接处的混凝土最大拉应力为1 MPa，此时未达到屈服极限。此后混凝土受力呈拉压反复变化状态，并随着冲击振动传递的衰减，混凝土受力逐渐减小。墩柱底部受损时，混凝土最大拉应力为4.62 MPa，超过混凝土极限抗拉强度，产生受拉损坏。由图9b)可知，墩柱底部混凝土完好时，钢筋单元最大拉应力为0.025 GPa。墩柱底部混凝土受损时，钢筋单元最大拉应力为0.33 GPa，远大于墩柱底部完好状态，此后钢筋单元轴向受力呈拉压反复变化状态。

图9 2种工况下墩柱与扩大基础连接处混凝土、钢筋单元应力时程曲线

2种工况下框架桥桩基顶部混凝土单元和钢筋单元的应力时程曲线见图10。

图10 2种工况下桩基顶部混凝土、钢筋单元应力时程曲线

由图10a)可知，此处旧桥桩基距离冲击钻孔施工位置约17 m，由于土体对振动的衰减作用，混凝土受到的影响相比扩大基础处较小。桩基顶部完好工况下，混凝土单元受力呈拉压反复变化状态，最大拉应力为0.09 MPa。桩基顶部受损工况下，混凝土最大压应力为0.48 MPa，均未达到极限强度值。

由图10b)可知，桩基顶部完好工况下，钢筋单元最大拉应力为7.09 MPa。桩基顶部受损工况下，钢筋单元最大压应力为20.2 MPa，最大拉应力为13.9 MPa。

3.3 框架桥横向水平位移分析

对既有结构来说，水平位移是引起结构开裂的重要原因，因此需要考虑冲击钻施工影响下框架桥结构水平位移。模拟中取桥面外侧点进行分析。分析点位见图11。框架桥桩基完好和桩基受损2种工况桥面外侧横向水平位移时程曲线见图12。

图11 桥面外侧分析点位

图12 桩基完好和桩基受损工况桥面外侧横向水平位移时程曲线

由图12可知，2种工况下受冲击振动传递和墩柱沉降的影响，冲击施工瞬间，桥面横向水平位移为外侧方向，然后迅速向内侧回复。桩基完好工况下，位移值为外侧方向最大约1.1 mm，位移值为内侧方向最大约3.18 mm。桩基受损工况下，位移值为外侧方向最大约1.54 mm，水平位移值为内侧方向最大约1.87 mm。

3.4 施工建议

综合图8～11可知，考虑到冲击钻孔过程中需要多次冲击，2种工况下的框架桥墩柱竖向位移、桩基受损工况下的墩柱底部混凝土受力和桥面外侧横向水平位移较大。经模拟计算，冲击钻成孔工艺会对框架桥结构造成较大的安全影响。考虑到回旋钻孔施工具有振动小、噪音低等优点，因此建议改用回旋钻成孔工艺施工。实际施工中已改用回旋钻作业，同时监测得框架桥沉降位移值小于3 mm，不会影响旧桥结构安全。

4 结语

为了解冲击钻孔施工对框架桥结构的影响，分析其适用性，本文采用有限元软件建立典型的公路框架桥共节点分离式钢筋混凝土模型，对比分析桩基完好和桩基受损2种工况对临近框架桥结构安全的影响，得出如下主要结论。

1) 针对净距1.4 m处冲击钻孔施工对临近框架桥的影响，分析表明，桩基受损工况相对于桩基完好工况，土体和旧桥墩柱沉降值都相对较大，桩基完好工况下土体瞬时最大竖向位移8.11 mm，墩柱最大竖向位移为1.75 mm左右。桩基受损工况下土体瞬时最大竖向位移8.51 mm，墩柱最大竖向位移约为2.33 mm。

2) 由于冲击位置距离框架桥扩大基础处较近，因此此处混凝土和钢筋受荷远高于桩基础处，并且桩基受损工况较桩基完好工况墩柱底部混凝土和钢筋承载大。墩柱受损时，墩柱底部墩柱混凝土最大拉应力为4.62 MPa，钢筋单元最大拉应力为330 MPa，墩柱完好时，分别为1 MPa和25 MPa；冲击瞬间桥面外侧横向水平位移在桩基完好工况下为1.1 mm，桩基受损工况下为1.54 mm。

新桥冲击钻施工距离旧桥过近，考虑到冲击钻孔过程中需要多次冲击，会引起框架桥沉降值、墩柱底部混凝土受力及桥面横向水平位移较大，导致结构承受较大的安全风险，JTG 3363-2019 《公路桥涵地基与基础设计规范》中规定，对于冲击钻孔施工，在桩端处的中距不应小于桩径的3倍。实际施工过程中已改用回旋钻成孔工艺，同时监测得旧桥沉降位移值小于3 mm，满足旧桥结构安全要求。