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随着城市的扩张及交通基础设施的完善和延伸,不断有大量的新建工程与既有运营高铁桥梁交叉或并行。由于冲孔灌注桩较钻孔灌注桩在砂卵石、砾石地层中具有更强的适应性,因而在工程中大量应用。但冲击钻孔灌注桩施工时,冲击钻孔产生的振动可能会对临近高铁桥梁产生负面影响。冲孔桩施工时,既要保证高铁桥梁的正常使用,又要保证新建工程的顺利建成。因此,对于临近高铁桥梁的冲孔灌注桩施工振动的影响研究很有意义,鉴于此,本文通过资料调研,以数值分析为主要手段,以及正交设计方法对冲孔桩施工引起的临近桥墩的动力响应进行了分析,获得了以下结论。
(1)动力计算过程采用ABAQUS的显式动力分析模块,将冲锤模拟成刚体,赋予其初速度,冲锤与土体之间法向为硬接触,模拟了冲锤冲击土体的物理过程,其中冲击处土体本构采用摩尔库伦弹塑性模型。不同的冲击行程即对应不同的冲击速度,同时因为实际施工中孔中存在泥浆,这一冲击速度则为考虑了泥浆阻力的等效速度。使用现场实测得到的不同冲击行程下不同地面点的振动速度与计算得到的振动速度,从幅值以及频率上进行对比,得到的结果与实测数据基本吻合,验证了有限元计算方法的可靠性。
(2)以临近高铁梁端峰值振动速度及墩顶横桥向峰值振幅为评价指标,对横桥向侧及顺桥向侧两种施工方位进行计算,得到横桥向侧施工时,桥墩的峰值振动速度要比顺桥向侧施工时大一些,但两者差别不大。而顺桥向侧施工时既有桥梁的墩顶的横桥向振幅相比于横桥向侧施工时要大很多。在冲孔桩位于顺桥向侧的基础上分别计算了冲击深度、冲击行程、冲锤重量以及与振源的水平间距对临近高铁桥墩的影响,得到墩顶峰值振幅和墩身峰值振速均随着深度的增加而逐渐减少;随着冲击行程的增大而增大且增长较快;随冲锤锤重的增加而增大且增长较快;随振源水平间距的增大而逐渐减小。
(3)通过正交设计方法对冲击振动相关因素的敏感性分析,以临近桥墩墩顶横桥向振幅以及墩身峰值振动速度为评价指标,得到各个因素敏感性大小的顺序均依次为冲锤重量、冲击行程、距桩基的水平间距、冲击深度。因此,在满足冲孔施工技术要求的前提下,减小冲锤的质量或者减小冲锤的冲击行程能有效减少冲击的振动影响。通过不同冲击能下不同冲锤锤重及冲击行程的组合的计算,得到相同冲击能下,重锤低冲程与轻锤高冲程相比,产生的振动影响较大同时冲击位移也较大。得到在距离桥墩较远时,对临近桥墩影响在安全范围内,同样的的冲击能下,可以采取重锤低冲程的方式增加冲击位移从而提高冲击效率。
(4)参考大多数非爆破振动的评价方式,基于瑞士标准关于钢筋及钢筋混凝土结构振动速度限值3cm/s及《爆破安全规程》中的对于一般的工业及商业建筑,振动速度限值2.5cm/s,建议将高铁桥梁的峰值振动速度的危险值建议取为2.5cm/s。同时基于《铁路桥梁检定规范》对临近高铁桥梁墩顶的横桥向峰值振幅进行了探讨。探讨了临近既有运营线进行冲孔灌注桩施工时的安全控制措施,其中包括:施工振动的监测、人为施工因素的控制、冲孔灌注桩施工机械安全措施、施工管理方面等施工主动控制措施以及一些既有运营线本身的施工被动控制措施。
(1)动力计算过程采用ABAQUS的显式动力分析模块,将冲锤模拟成刚体,赋予其初速度,冲锤与土体之间法向为硬接触,模拟了冲锤冲击土体的物理过程,其中冲击处土体本构采用摩尔库伦弹塑性模型。不同的冲击行程即对应不同的冲击速度,同时因为实际施工中孔中存在泥浆,这一冲击速度则为考虑了泥浆阻力的等效速度。使用现场实测得到的不同冲击行程下不同地面点的振动速度与计算得到的振动速度,从幅值以及频率上进行对比,得到的结果与实测数据基本吻合,验证了有限元计算方法的可靠性。
(2)以临近高铁梁端峰值振动速度及墩顶横桥向峰值振幅为评价指标,对横桥向侧及顺桥向侧两种施工方位进行计算,得到横桥向侧施工时,桥墩的峰值振动速度要比顺桥向侧施工时大一些,但两者差别不大。而顺桥向侧施工时既有桥梁的墩顶的横桥向振幅相比于横桥向侧施工时要大很多。在冲孔桩位于顺桥向侧的基础上分别计算了冲击深度、冲击行程、冲锤重量以及与振源的水平间距对临近高铁桥墩的影响,得到墩顶峰值振幅和墩身峰值振速均随着深度的增加而逐渐减少;随着冲击行程的增大而增大且增长较快;随冲锤锤重的增加而增大且增长较快;随振源水平间距的增大而逐渐减小。
(3)通过正交设计方法对冲击振动相关因素的敏感性分析,以临近桥墩墩顶横桥向振幅以及墩身峰值振动速度为评价指标,得到各个因素敏感性大小的顺序均依次为冲锤重量、冲击行程、距桩基的水平间距、冲击深度。因此,在满足冲孔施工技术要求的前提下,减小冲锤的质量或者减小冲锤的冲击行程能有效减少冲击的振动影响。通过不同冲击能下不同冲锤锤重及冲击行程的组合的计算,得到相同冲击能下,重锤低冲程与轻锤高冲程相比,产生的振动影响较大同时冲击位移也较大。得到在距离桥墩较远时,对临近桥墩影响在安全范围内,同样的的冲击能下,可以采取重锤低冲程的方式增加冲击位移从而提高冲击效率。
(4)参考大多数非爆破振动的评价方式,基于瑞士标准关于钢筋及钢筋混凝土结构振动速度限值3cm/s及《爆破安全规程》中的对于一般的工业及商业建筑,振动速度限值2.5cm/s,建议将高铁桥梁的峰值振动速度的危险值建议取为2.5cm/s。同时基于《铁路桥梁检定规范》对临近高铁桥梁墩顶的横桥向峰值振幅进行了探讨。探讨了临近既有运营线进行冲孔灌注桩施工时的安全控制措施,其中包括:施工振动的监测、人为施工因素的控制、冲孔灌注桩施工机械安全措施、施工管理方面等施工主动控制措施以及一些既有运营线本身的施工被动控制措施。