地铁穿越既有桥梁托换桩基承载特性研究

摘要

国内城市正朝向现代化及大型化的趋势迈进，大量高层建筑的兴建，城市人口非常密集，针对商业、通风、交通以及其它相关配套设施的构建，有了更高层次的需要。市区里面，有限空间本来就日益狭小，在处理此类情况时采取了一系列措施：发展地下空间，朝着地下推进，构建地下商场、超市、地铁及其它基础设施。此类地下建筑常常要通过一些桥梁结构、高层建筑或重要历史性建筑的基础，这要求必须对既有建筑物的基础进行加固或者托换基础；加之建筑所需托换的数量繁多，原有建筑物需进行改建、加层或加大使用荷载时，也需要采用托换技术，这也促进托换技术趋向大型化和综合性方向发展。
　　本文在查阅国内外文献学习、掌握该领域研究成果的基础上，结合兰州轨道交通1号线工程，针对地铁穿越既有桥梁工程，采用室内模型试验、现场调研、数值模拟的方式，开展桥梁基础工程托换比较工作。在认识既有桥梁上部、下部结构承载体系的前提下，进行了计算分析。根据实际工程，设计了室内模型试验方案。由桥址处的工程地质、水文地质、既有桥梁上部结构形式、基础结构形式，以及盾构施工隧道与既有桥梁的空间关系，设计了桥梁桩基的托换方案即增设基桩数量、扩大承台等工程措施。三种模型试验工况分别为：①对原桩基加载至破坏，测试原桩基承载性能。②开挖至托换桩头位置，截断原桩进行托换承台浇筑，待承台养护完成对新体系加载，施加荷载为第一种工况的两倍，测试托换后桩基承载性能。③在模型箱有机玻璃一侧开孔，对土体开挖，模拟隧道掘进时对托换桩基承载性能的影响。通过这三种工况测试并计算桩基沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力、托换承台荷载分担比，得到了在不同荷载下和不同开挖深度时桩基沉降、桩身轴力、桩侧摩阻力数据，对比分析各数值变化范围，总结托换前后以及隧道开挖时桩基承载性能的变化规律。
　　依托兰州鱼儿沟桥梁桩基托换实际工程，运用有限元分析软件MIDAS-Civil对桩基托换前与托换后建立有限元模型进行数值模拟，参考国外桩基设计规范中桩端、桩侧设计地基反力系数的计算方法，通过对桩端、桩侧施加土体弹簧约束来考虑桩周土体对桩基承载力的影响，得出桩基托换前后轴力图、竖向位移图、托换承台应力图，根据云图对桩基托换前后轴力、竖向位移、应力进行分析，总结其变化规律。
　　本文通过对不同研究方法，不同工况结果的对比研究，得到了一些针对桩基托换的有益结论和宝贵的数据，为研究桩基托换过程中桩基承载性能的变化规律以及在实际工程中的应用提供有益的参考。

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2基础托换简介

1.3基础托换技术的发展和现状

1.4基础托换工程应注意的问题

1.5本文研究工作主要内容和方法

2 桩基托换概述及相关理论分析

2.1桩基托换概述

2.2桩基础简介

2.3竖向受荷桩基计算理论与计算方法

2.4小结

3 桩基托换室内模型试验设计

3.1试验目的

3.2模型试验相似理论

3.3试验装置设计及试验设备

3.4试验过程

4 试验结果整理与分析

4.1沉降分析

4.2桩身轴力分析

4.3桩侧摩阻力分析

4.4 托换承台荷载分担分析

4.5小结

5 兰州鱼儿沟桥桩基托换有限元数值模拟

5.1工程概况

5.2有限元数值模拟

5.3小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果