超静定墩柱或桩基主动托换结构及其施工方法.pdf

本发明公开了一种超静定墩柱或桩基主动托换结构，包括新桩、托换大梁，所述大梁是由横梁、纵梁、顶板、底板构成的空间连续格构式结构，所述新桩为至少两排，连接在横梁的下面，每排新桩至少为两根。本发明还公开了一种超静定墩柱或桩基主动托换结构的施工方法，包括如下步骤：一、施工新桩；二、施工托换大梁的纵梁、与新桩相接的横梁；三、施工与墩柱或桩基相接的横梁；四、千斤顶向上施加顶升力，以便新桩尽快完成大部分沉降；五、分步截断墩柱或桩基；六、进行托换大梁和新桩的连接，最终完成托换。本发明解决了由于所托换桩基或墩柱承受的荷载过大，而一侧单根新桩承载力不足以承担托换荷载的技术问题。

1.  一种超静定墩柱或桩基主动托换结构，包括新桩、托换大梁，其特征是，所述大梁是由横梁、纵梁、顶板、底板构成的空间连续格构式结构，所述横梁为至少三个，所述纵梁为至少两个，所述新桩为至少两排，连接在横梁的下面，每排新桩至少为两根。

2.  根据权利要求1所述的超静定墩柱或桩基主动托换结构，其特征是，所述横梁为5个，所述纵梁为2个，每排新桩为3根。

3.  根据权利要求1所述的超静定墩柱或桩基主动托换结构，其特征是，所述横梁为3个，每排新桩为2根。

4.  根据权利要求3所述的超静定墩柱或桩基主动托换结构，其特征是，所述新桩是摩擦桩。

5.  根据权利要求4所述的超静定墩柱或桩基主动托换结构，其特征是，所述新桩长为40～90m。

6.  根据权利要求1～5之一所述的超静定墩柱或桩基主动托换结构，其特征是，所述横梁与需要托换的墩柱或桩基间设置有抗剪结构，抗剪结构采用在原墩柱或桩基上采用植筋方式预埋抗剪钢筋，并在原墩柱或桩基上开凿抗滑槽。

7.  一种实现权利要求1所述的超静定墩柱或桩基主动托换结构的施工方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一：施工新桩，待新桩检测无质量缺陷后，于桩顶布置千斤顶及其机械自锁装置；
步骤二：施工托换大梁的纵梁、与新桩相接的横梁，布置桩顶水平约束，施工墩柱或桩基锚筋和企口，待浇筑纵梁、横梁的混凝土强度达到90％后，先张拉横梁预应力钢筋一半的预应力，再张拉纵梁的预应力钢筋，再张拉横梁预应力钢筋剩余一半的预应力；
步骤三：施工与墩柱或桩基相接的横梁，待浇筑横梁的混凝土强度达到90％后，张拉横梁的预应力钢筋，浇注托换大梁的顶板和底板，至此已完成托换大梁的浇注，横梁与需要托换的墩柱或桩基之间形成了抗剪结构；
步骤四：千斤顶向上施加顶升力，新桩顶与托换大梁之间的顶升力分10级达到100％托换荷载，以便新桩尽快完成大部分沉降，在每级加载完成稳定至少一小时后进行下级加载；
步骤五：千斤顶卸载至托换荷载的85％，稳定后分步截断墩柱或桩基，如沉降接近控制值，则停止截断，并顶升托换大梁，沉降稳定后再截墩柱或桩基，重复操作直至完成墩柱或桩基的截断，墩柱或桩基截断后在托换大梁与托换新桩之间垫稳支垫，此时需要保留千斤顶顶升的可操作性；
步骤六：后期观测，待新桩沉降稳定，托换大梁变形稳定，且不需要进行变形调整后，进行托换大梁和新桩的连接，最终完成托换。

超静定墩柱或桩基主动托换结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及主动托换结构及其施工方法，尤其涉及一种超静定主动托换结构及其施工方法。
背景技术
目前，最早的大型托换工程之一是英国的Winchester大教堂，在托换加固之前，已经持续下沉了900年之久，在二十世纪初由一位潜水工在水下挖坑，穿过泥炭和粉土而到达砾石层，用混凝土包填实而进行基础托换。基础托换技术历史悠久，但直到二十世纪三十年代兴建美国纽约市的地下铁路时才得到迅速发展。在早期的地下铁道工程中，需要托换加固工程的数量大，类型多，规模大，由于当时支撑技术已经取得了很大的进展，因而托换工程在技术上是可行的。
当前国内外的城市向大型化和现代化方向发展，大量高层建筑的兴建，城市人口高度的集中，对于交通、通风、商业及其它人民生活设施的修建，提出了更高的要求，市区空间已越来越狭窄，唯一的出路是向地下发展，建造地下铁道、商场和其他许多地下设施。这些地下建筑往往要穿越部分高层建筑或重要的历史建筑物，这就需要对原有建筑物的基础进行托换加固处理；加之古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向综合性方向发展。加固托换技术能有效地保护原有建筑或古建文物，对于在特殊条件下的施工有极重要的作用，它是解决城市建设施工难题的一种重要手段，是一项全新的高度综合性的技术，涉及水文地质、工程地质、土力学、结构力学等多学科，对勘察、监测、结构设计、施工组织和科学研究等都提出了很实际的课题。尤其是德国在二战后，许多城市的扩建和改造过程中，特别是在修建地下铁道工程中，大量地采用了综合托换技术，积累了丰富的经验，取得了显著的成绩，并已将该项托换技术编入了德国工业标准(DIN)。
我国的托换工程数量和规模随着基本建设的发展也在不断增长，在托换技术方面，如锚杆加压纠偏、锚杆静压桩、基础减压和加强刚度法、碱液加固、浸水纠偏、掏土纠偏、千斤顶整体顶升以及在湿陷性黄土地基上的多种托换方法等都有很大的创新和特色。我国的托换技术虽然起步较晚，但随着大规模建设事业的发展，托换技术处于方兴未艾和蓬勃发展的时期。
在国内外的地下工程建设和地铁建设中都遇到过桩基托换问题，桩基托换涉及土木工程技术的多个方面，具有综合性强、各专业结合要求高、环境和安全突出等特点。
在国内外桩基托换的工程实践中，较有代表性的有下列四个：
第一个是采用主动托换技术的日本京都地铁车站，其特点是托换桩的轴力较高(轴力达到585吨)，托换时对被托换桩进行了沉降监测，对托换时被托换桩的沉降进行严格控制，控制标准为上顶1.0mm、沉降3.0mm。它一次施加5850kN力，结构物被顶升0.68mm，而截桩后沉降实际为3.2mm，略超出位移控制目标值。
第二个是采用被动托换技术的广州地铁东站，其特点是：桩基轴力和直径较小(最大托换设计荷载为250吨、最大直径仅800mm)，托换桩数量多(约150根)，托换施工措施简单，桩顶变形不能进行人为控制。
第三个是采用主动托换技术的深圳地铁的百货广场桩基托换工程，其特点是托换桩的轴力高(轴力达到1890吨)，托换时对被托换桩进行了沉降监测，对托换时被托换桩的沉降进行严格控制，6根被托换柱最大与最小沉降量分别为3.69mm和2.07mm，周边邻近结构柱最大沉降量为7.77mm；被托换柱及其相邻梁板进行了全面检查，未发现新增裂缝和既有裂缝发展。充分证明了采用主动托换技术进行百货广场大轴力桩基托换是成功的。
第四个也是采用主动托换技术的深圳地铁的广深铁路桥桩基托换工程，该工程的特点为：(1)工程处于深圳市商业最繁华地带，对铁路桥的加固会长时段占用道路宽度，须进行交通疏解，广深铁路桥下各种路用和民用管线分布错综复杂须进行精确定位和拆迁；(2)广深铁路高速和准高速列车运行繁忙，列车动荷载给桩基托换施工带来更大困难；(3)托换处的广深铁路桥连续梁结构要求严格控制托换桥墩的变形和位移警戒值。施工监控和操作精确度要求高。线路吊扣轨和基础托换技术难度大。(4)施工项目多且复杂，包括旋喷桩围护、地层注浆加固、施作挖孔桩、钢支架和吊扣轨加固线路预应力托换梁施工及基础顶升托换操作等，整个施工过程必须对铁路桥进行全程监测，确保各项位移变形、沉降值控制在允许范围内。主动托换完成之后，被托换桥墩最大升高值为3mm；地铁暗挖截桩通过铁路桥下3个月后，桥墩沉降趋于稳定，累计最大沉降值1.8mm，远小于沉降最大允许值5.0mm的警戒值，托换施工达到预期要求。
以上托换工程均为采用两根新桩和简支实体托换梁结构托换单根墩柱或桩基。当需要同时对两个墩柱进行主动托换时，或所托换桩基或墩柱承受的荷载过大时，上述托换结构将难以适用。
发明内容
本发明的目的正是为了克服上述现有技术中的不足，提供一种能够对至少两根相邻墩柱或桩基进行同时托换、能够增强承载能力的超静定墩柱或桩基主动托换结构及其施工方法。
本发明是通过下述技术方案予以实现的：一种超静定墩柱或桩基主动托换结构，包括新桩、托换大梁，所述大梁是由横梁、纵梁、顶板、底板构成的空间连续格构式结构，所述横梁为至少三个，所述纵梁为至少两个，所述新桩为至少两排，连接在横梁的下面，每排新桩至少为2根。
所述横梁为5个，所述纵梁为2个，每排新桩为3根。
所述横梁为3个，每排新桩为2根。
所述新桩是摩擦桩。
所述新桩长为40～90m。
所述横梁与需要托换的原墩柱或桩基间设置有抗剪结构，抗剪结构采用在原墩柱或桩基上采用植筋方式预埋抗剪钢筋，并在原墩柱或桩基上开凿抗滑槽。
本发明的施工方法包括下述几个步骤：
步骤一：施工新桩，待新桩检测无质量缺陷后，于桩顶布置千斤顶及其机械自锁装置；
步骤二：施工托换大梁的纵梁、与新桩相接的横梁，布置桩顶水平约束，施工墩柱或桩基锚筋和企口，待浇筑纵梁、横梁的混凝土强度达到90％后，先张拉横梁预应力钢筋一半的预应力，再张拉纵梁的预应力钢筋，再张拉横梁预应力钢筋剩余一半的预应力；
步骤三：施工与墩柱或桩基相接的横梁，待浇筑横梁的混凝土强度达到90％后，张拉横梁的预应力钢筋，浇注托换大梁的顶板和底板，至此已完成托换大梁的浇注，横梁与需要托换的墩柱或桩基之间形成了抗剪结构；
步骤四：千斤顶向上施加顶升力，新桩顶与托换大梁之间的顶升力分10级达到100％托换荷载，以便新桩尽快完成大部分沉降，在每级加载完成稳定至少一小时后进行下级加载；
步骤五：千斤顶卸载至托换荷载的85％，稳定后分步截断墩柱或桩基，如沉降接近控制值，则停止截断，并顶升托换大梁，沉降稳定后再截墩柱或桩基，重复操作直至完成墩柱或桩基的截断，墩柱或桩基截断后在托换大梁与托换新桩之间垫稳支垫，此时需要保留千斤顶顶升的可操作性；
步骤六：后期观测，待新桩沉降稳定，托换大梁变形稳定，且不需要进行变形调整后，进行托换大梁和新桩的连接，最终完成托换。
本发明的有益效果是：横梁、纵梁、顶、底板及新桩等构件形成空间连续格构式托换结构，托换结构的横梁与需要托换的原墩柱或桩基间通过抗剪措施连接成整体受力的结构，被托换墩柱或桩基传递下来的荷载通过托换结构的横梁、纵梁及新桩共同受力，承担荷载，保证需要托换的结构物的安全、稳定；本发明实现了对两根及两根以上的墩柱或桩基同时进行托换处理。为其他工程对多根墩柱进行同时托换奠定了基础；本发明的新桩采用的是摩擦桩。实现了摩擦桩在托换结构中的应用，使托换结构可在较为不利的地质条件下也能成功实施。空间连续格构式托换结构采用多棵新桩作为单排新桩，解决了由于所托换桩基或墩柱承受的荷载过大，而一侧单根新桩承载力不足以承担托换荷载的技术问题。多根纵梁的布置和顶底板的设置也使得托换结构的整体刚度相较以往采用的单根托换梁的结构增强很多，大大增强了托换结构的承载能力。
附图说明
图1是本发明平面结构示意图；
图2是本发明立面结构示意图；
图3是图1的A-A剖视图。
图中：1、纵梁，2、横梁，3、新桩，4、顶板，5、底板，6、墩柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
如图1至图3所示，一种超静定墩柱或桩基主动托换结构，包括新桩3、托换大梁，所述大梁是由横梁、纵梁1、顶板4、底板5构成的空间连续格构式结构，所述横梁为五个，所述纵梁1为两个，所述新桩3为三排，连接在横梁的下面，每排新桩3为三根。同时托换两个墩柱6。
实施步骤如下：
步骤一：施工新桩3，待新桩检测无质量缺陷后，于桩顶布置千斤顶及其机械自锁装置，新桩3是摩擦桩，长度为40～90m。
步骤二：施工托换大梁的纵梁1、横梁A2-1、横梁C2-3、横梁E2-5，布置桩顶水平约束，施工墩柱锚筋和企口，(即在墩柱上采用植筋方式预埋抗剪钢筋，并在原墩柱或桩基上开凿抗滑槽。)待浇筑纵梁、横梁A、C、E的混凝土强度达到90％后，先张拉横梁A、C、D预应力钢筋一半的预应力，再张拉纵梁的预应力钢筋，再张拉横梁A、C、D预应力钢筋剩余一半的预应力。
步骤三：施工横梁B2-2、横梁D2-4，待浇筑横梁B、D的混凝土强度达到90％后，张拉横梁B、D的预应力钢筋，浇注托换大梁的顶板和底板，至此已完成托换大梁的浇注。横梁B、D与需要托换的墩柱之间形成了抗剪结构。
步骤四：千斤顶向上施加顶升力，新桩顶与托换大梁之间的顶升力分10级达到100％托换荷载，以便新桩尽快完成大部分沉降，在每级加载完成稳定至少一小时后进行下级加载。
步骤五：千斤顶卸载至托换荷载的85％，稳定后分步截墩，如沉降接近控制值，则停止截墩，并顶升托换大梁，沉降稳定后再截墩，重复操作直至完成墩柱的截断。墩柱截断后在托换大梁与托换新桩之间垫稳支垫，此时需要保留千斤顶顶升的可操作性。
步骤六：后期观测，待新桩沉降稳定，托换大梁变形稳定，且不需要进行变形调整后，进行托换大梁和新桩的连接，最终完成托换。
本实施例同时托换两根墩柱，托换大梁的空间连续格构式结构采用五个横梁、两个纵梁，新桩三排，每排三根。但本发明的结构并不限于此，例如当需要托换三根墩柱时，本发明的托换大梁就要采用七个横梁，新桩四排，新桩的单排数量根据荷载情况也可采用四根、五根等，同理，纵梁根据荷载分布情况，也可视具体情况可采用三个或四个等。
当然本发明也可用于托换一根墩柱，此时可利用本发明托换大梁的空间连续格构式结构及与其相连的单排多根新桩，解决由于所托换墩柱承受的荷载过大，而一侧单根新桩承载力不足以承担托换荷载的技术问题。多根纵梁的布置和顶底板的设置也使得托换结构的整体刚度相较以往采用的单根托换梁的结构增强很多，大大增强了托换结构的承载能力。例如横梁为3个，每排新桩为2个。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，只要主动托换结构的托换大梁采用由横梁、纵梁、顶板、底板构成的空间连续格构式结构，连接在大梁下的单排新桩为两根以上，均落在本发明的保护范围内。显然本发明也可用于托换桩基。上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。