交通荷载减振结构及施工方法与流程

本发明涉及一种桥梁施工领域，具体是指交通荷载减振结构及施工方法。

背景技术

公路改扩建中半封闭交通是常用的施工方法。桥梁的桩基混凝土尚未达到设计强度前，未封闭交通荷载对桥梁的桩基新浇混凝土强度产生一定影响。这是因为交通荷载在未封闭交通的路面上行驶，交通荷载本身和受外界多种激励作用诱发的振动，造成混凝土抗压强度下降，最大将减低10%左右。

目前，对于减少交通荷载振动影响一般在未封闭交通的路面与桩基施工区域之间开挖明沟的方法，由于交通荷载高频振动波信号表面波较弱，而低频信号（2.5hz～20hz）较强，波传播较深、较远，故明沟减振方法仅起到减少交通荷载振动表面波的作用。已公开的专利号cn204252173u的“地铁振动隔离屏障”在地铁与周围建筑物之间设置一道或两道以上钢筋混凝土桩、钢管桩、碎石桩、沉管砂石桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、灰土挤密桩或水泥粉煤灰碎石桩隔离体的方法，对于地铁周围建筑物的隔振将起一定的作用，但对于公路改扩建中桥梁桩基新浇混凝土施工减振针对性不强，减振隔离体的设置为定性方法，缺少具体定量依据，隔离体设置过浅可能效果不佳或隔离体设置过深造成浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种构造简单、使用方便、结构合理、节能减排、增强工程结构耐久性的交通荷载减振结构及施工方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种交通荷载减振结构，包括未封闭交通的路基路面、承载于路基路面上的交通荷载、路基路面下的地基和路基路面外侧的地面、多个支承于拓宽路基路面外侧下方并新浇在地基中的桩基，所述的路基路面边缘外侧与多个桩基之间设有碎石隔墙，该碎石隔墙沿多个桩基的纵向作延伸设置，减轻交通荷载振动波对桩基新浇混凝土的扰动。

所述的路基路面和地基共同构成双层地基模型，上层的路基路面为厚度的弹性层，下层的地基为各向同性弹性半空间,建立以上层的路基路面底中心为坐标系原点，沿路基路面横向为轴、纵向为轴、深度为轴；所述的路基路面纵向即方向的交通荷载简化为间隔，并以速度沿方向运行的竖直集中荷载，由于交通荷载本身振动和路基路面不平整，交通荷载将产生振动，振动能分解为静态部分和动态部分，对动态部分采用傅里叶变换，则交通荷载振动波简化为一系列的简谐振动，其振动谐波分量为；由于交通荷载的运动将产生波的传播，路基路面横向方向波数为，路基路面纵向方向波数为，振动时间为；碎石隔墙的碎石摩阻力与碎石隔墙质点的剪切位移成正比即，为碎石隔墙质点的剪切抗力系数，为碎石隔墙质点的剪切位移；交通荷载振动波的振动偏微分方程、路基路面和地基中方向的质点振动位移、碎石隔墙质点受到的振动压力和振动加速度、桩基新浇混凝土的振动加速度、成桥梁后桩基最大弯矩由如下公式计算：

公式一、

交通荷载振动波在路基路面和地基中方向的质点位移满足如下偏微分方程

解偏微分方程得路基路面和地基中方向质点位移分别为

公式二、

忽略碎石隔墙与桩基之间的交通荷载振动波传播能量损失，由牛顿第二定律，桩基新浇混凝土质点受力后的振动加速度满足如下方程

由剪切变形与剪切力的胡克定律，得碎石隔墙质点的剪切位移和剪切模量需满足下列条件：

公式三、

在公式一、公式二和公式三中

——交通荷载振动波在路基路面和地基中方向的质点振动位移的统称，；

——交通荷载振动波引起的路基路面和地基中方向的质点正应力统称，；

——交通荷载振动波引起的路基路面和地基中平面的质点正应力统称，；

——交通荷载振动波引起的路基路面和地基中平面的质点剪切应力统称，；

——交通荷载振动波在路基路面范围方向的质点振动位移，；

——交通荷载振动波在地基范围方向的质点振动位移，；

——分别为路基路面的交通荷载振动波压缩波速和剪切波速，；

——分别为地基的交通荷载振动波压缩波速和剪切波速，；

——路基路面的剪切模量，；

——地基的平均剪切模量，；

——碎石隔墙的剪切模量，；

——路基路面的常数，；

——地基的常数，；

——交通荷载振动波的角频率，；

——交通荷载振动波在方向波数，；

——交通荷载振动波在方向波数，；

——路基路面、地基质量密度的统称,；

——路基路面的质量密度,；

——地基的质量密度,；

——碎石隔墙的质量密度,；

——桩基新浇混凝土的质量密度,；

——路基路面的交通荷载谐波分量，，；

——地基的交通荷载谐波分量，，；

——交通荷载谐波振幅有关的系数，；

——复数的虚数单位；

——交通荷载振动波在碎石隔墙方向受到的质点振动力，；

——分别为桩基地面处顶部的水平荷载、弯矩作用时，任一深度的弯矩，；

——桩基的变形系数，,；

——地基的系数随深度变化的比例系数，；

——桩基的计算宽度，；

——桩基的刚度，；

——从地面开始计算的桩基深度的最大弯矩，由有限元或查有关规范提供的表格计算，；

——从地面开始计算的桩基长度，；

——桩基最大弯矩及对应最大弯矩的从地面开始计算的深度，由有限元或查有关规范提供的表格计算，；

——分别为碎石隔墙质点的剪切抗力系数、碎石隔墙质点的剪切位移，；

——交通荷载振动波在碎石隔墙质点方向的振动加速度，，；

——交通荷载振动波在桩基新浇混凝土方向受到的质点振动加速度，；

——桩基新浇混凝土质点的容许振动加速度，。

所述的碎石隔墙由干式气动潜孔锤凿岩桩机成孔，再填进级配良好的碎石而成。

所述的多个桩基是沿拓宽路基路面的纵向延伸、并与路基路面边缘预留间距而形成的桥梁基础。

所述的桩基新浇混凝土为加入抗扰动外加剂和聚羧酸等高性能减水剂配制而成的抗扰动混凝土。

一种交通荷载减振结构的施工方法，包括如下步骤：

步骤一、交通量调查

①根据公路拓宽地段的实际情况，进行交通量调查，摸清交通荷载数量、车辆类型、载重量和通行速度的数据；

②对交通量数据进行统计分析，确定交通荷载简化间隔、速度，将振动能分解为静态部分和动态部分，对动态部分采用傅里叶变换，则交通荷载振动波简化为一系列的简谐振动，其振动谐波分量、横向方向波数为、纵向方向波数为；

步骤二、设计碎石隔墙位置和规模

①根据桥梁的桩基设计图纸，初拟碎石隔墙与桩基的水平距离、碎石隔墙的宽度和深度；

②按桩基新浇混凝土的容许加速度由公式一、公式二计算碎石隔墙的剪切模量所对应的压实度以及碎石级配的技术指标；

③由公式三计算桩基深度的最大弯矩、及对应最大弯矩的深度，如碎石隔墙与桩基水平距离5m～10m时，取碎石隔墙深度=桩基最大弯矩对应深度+（2～3）倍桩基直径，宽度与桩基直径相同；

步骤三、施工碎石隔墙

①施工前，结合干式气动潜孔锤凿岩桩机对场地的要求，对现场进行表土清理，对高低不平处进行统一平整后回填40cm清宕渣进一步平整作为将来碎石隔墙施工作业平台；

②根据现场实际地形在施工场地四周开挖高1m×宽1m的临时排水土沟，土沟内侧适当夯实作为地表临时排水系统；

③选择与碎石隔墙宽度相同的干式气动潜孔锤凿岩桩机的钻孔直径，以1.2倍钻孔直径的间距纵向定位钻孔中心，逐孔相连形成整条碎石隔墙；

④选择干式气动潜孔锤凿岩桩机施工碎石隔墙；

⑤精确确定桩位后，移动干式气动潜孔锤凿岩桩机至桩位即可开钻；

⑥桩孔钻至设计高程后即停止钻进，利用高压空气吹出孔底碎渣，检查验收孔深，压进级配碎石；

⑦前一个钻孔成孔后，桩架移到隔一个的桩位上施工，即隔孔施工，形成沿路基路面或桩基纵向的连续碎石隔墙；

步骤四、施工桩基

①碎石隔墙施工完成后，按设计图纸放样桩基位置；

②加入抗扰动外加剂和聚羧酸等高性能减水剂配制抗扰动混凝土，进一步提高桩基混凝土的质量保证率；

③桩基进场钻孔、下放钢筋、浇筑混凝土；

④检测桩基质量，须符合设计要求。

与现有技术相比，本发明主要设计了一种交通荷载减振结构，它主要是在路基路面边缘外侧与多个支承于拓宽部分地基中桩基之间增设有碎石隔墙，该碎石隔墙沿多个桩基的纵向作延伸设置，从而有效减轻了交通荷载振动波对桩基新浇混凝土的扰动，这种减振结构还具有如下特点：一是针对性强，特别适合于公路改扩建中桥梁的桩基新浇混凝土施工减振；二是减振结构设计定量化，碎石隔墙设置规模合理，效率提高；三是桩基混凝土加入抗扰动外加剂，进一步提高桩基混凝土的质量保证率。因此，通过设计这种交通荷载减振结构并结合相应的施工方法，具有构造简单、使用方便、结构合理、节能减排、增强工程结构耐久性等优点，能确保工程质量和安全，经济效益和社会效益显著。

附图说明

图1为本发明的交通荷载振动波传播示意图和振动力计算图式。

图2为桩基弯矩计算图式。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1、图2所示，1.路基路面、2.地面、3.地基、4.交通荷载、5.桩基、6.碎石隔墙。

交通荷载减振结构及施工方法，如图1所示，主要涉及了一种在拓宽路基路面施工中用于减轻交通荷载4振动波对桥梁的桩基5新浇混凝土产生扰动的施工结构和施工方法。

所述的交通荷载减振结构包括未封闭交通的路基路面1、承载于路基路面上的交通荷载4、路基路面下的地基3和路基路面外侧的地面2、多个支承于拓宽路基路面外侧下方并新浇在地基3中的桩基5、以及设置在路基路面1边缘外侧与多个桩基5之间的碎石隔墙6。

所述的多个桩基5是沿公路纵向或沿拓宽路基路面的纵向延伸、并与路基路面1边缘预留一定间距而形成的桥梁基础，该桩基5在边通车边施工的条件下，桩基5新浇混凝土处于强度未达到设计强度的时间段内，交通荷载4引起的振动波对桩基新浇混凝土产生不良影响，需设置碎石隔墙6减轻交通荷载4振动波对桩基5新浇混凝土的扰动。

所述的碎石隔墙6沿桩基5的纵向一定宽度和深度进行延伸，它由干式气动潜孔锤凿岩桩机成孔再填进级配良好的碎石，由于级配碎石颗粒之间具有摩阻力，交通荷载4振动波需要克服摩阻力而消耗振动波的能量，故能起到减轻交通荷载振动波的作用。

所述的路基路面1和地基3共同构成双层地基模型，上层的路基路面1为厚度的弹性层，下层的地基3为各向同性弹性半空间,建立以上层的路基路面1底中心为坐标系原点，沿路基路面1横向为轴、纵向为轴、深度为轴；所述的路基路面1纵向即方向的交通荷载4简化为间隔，并以速度沿方向运行的竖直集中荷载，由于交通荷载4本身振动和路基路面1不平整，交通荷载4将产生振动，振动能分解为静态部分和动态部分，对动态部分采用傅里叶变换，则交通荷载4振动波简化为一系列的简谐振动，其振动谐波分量为；由于交通荷载4的运动将产生波的传播，路基路面1横向方向波数为，路基路面1纵向方向波数为，振动时间为；碎石隔墙6的碎石摩阻力与碎石隔墙6质点的剪切位移成正比即，为碎石隔墙质点的剪切抗力系数，为碎石隔墙质点的剪切位移；交通荷载4振动波的振动偏微分方程、路基路面1和地基3中方向的质点振动位移、碎石隔墙6质点受到的振动压力和振动加速度、桩基5新浇混凝土的振动加速度、成桥梁后桩基5最大弯矩由如下公式计算：

公式一、

交通荷载4振动波在路基路面1和地基3中方向的质点位移满足如下偏微分方程

解偏微分方程得路基路面1和地基3中方向质点位移分别为

公式二、

忽略碎石隔墙6与桩基5之间的交通荷载4振动波传播能量损失，由牛顿第二定律，桩基新浇混凝土质点受力后的振动加速度满足如下方程

由剪切变形与剪切力的胡克定律，得碎石隔墙6质点的剪切位移和剪切模量需满足下列条件：

公式三、

在公式一、公式二和公式三中

——交通荷载4振动波在路基路面1和地基3中方向的质点振动位移的统称，；

——交通荷载4振动波引起的路基路面1和地基3中方向的质点正应力统称，；

——交通荷载4振动波引起的路基路面1和地基3中平面的质点正应力统称，；

——交通荷载4振动波引起的路基路面1和地基3中平面的质点剪切应力统称，；

——交通荷载4振动波在路基路面范围方向的质点振动位移，；

——交通荷载4振动波在地基范围方向的质点振动位移，；

——分别为路基路面的交通荷载振动波压缩波速和剪切波速，；

——分别为地基的交通荷载振动波压缩波速和剪切波速，；

——路基路面1的剪切模量，；

——地基3的平均剪切模量，；

——碎石隔墙6的剪切模量，；

——路基路面1的常数，；

——地基3的常数，；

——交通荷载4振动波的角频率，；

——交通荷载4振动波在方向波数，；

——交通荷载4振动波在方向波数，；

——路基路面1、地基3质量密度的统称,；

——路基路面1的质量密度,；

——地基3的质量密度,；

——碎石隔墙6的质量密度,；

——桩基3新浇混凝土的质量密度,；

——路基路面1的交通荷载谐波分量，，；

——地基3的交通荷载谐波分量，，；

——交通荷载4谐波振幅有关的系数，；

——复数的虚数单位；

——交通荷载4振动波在碎石隔墙方向受到的质点振动力，；

——分别为桩基5地面2处顶部的水平荷载、弯矩作用时，任一深度的弯矩，；

——桩基5的变形系数，,；

——地基3的系数随深度变化的比例系数，；

——桩基5的计算宽度，；

——桩基5的刚度，；

——从地面2开始计算的桩基5深度的最大弯矩，由有限元或查有关规范提供的表格计算，；

——从地面开始计算的桩基长度，；

——桩基5最大弯矩及对应最大弯矩的从地面2开始计算的深度，由有限元或查有关规范提供的表格计算，；

——分别为碎石隔墙6质点的剪切抗力系数、碎石隔墙6质点的剪切位移，；

——交通荷载4振动波在碎石隔墙质点方向的振动加速度，，；

——交通荷载4振动波在桩基5新浇混凝土方向受到的质点振动加速度，；

——桩基5新浇混凝土质点的容许振动加速度，。

交通荷载减振结构的施工方法主要包括如下步骤：

步骤一、交通量调查

①根据公路拓宽地段的实际情况，进行交通量调查，摸清交通荷载4数量、车辆类型、载重量、通行速度等数据；

②对交通量数据进行统计分析，确定交通荷载简化间隔、速度，将振动能分解为静态部分和动态部分，对动态部分采用傅里叶变换，则交通荷载振动波简化为一系列的简谐振动，其振动谐波分量、横向方向波数为、纵向方向波数为；

步骤二、设计碎石隔墙位置和规模

①根据桥梁的桩基5设计图纸，初拟碎石隔墙6与桩基5的水平距离、碎石隔墙6的宽度和深度；

②按桩基5新浇混凝土的容许加速度由公式一、公式二计算碎石隔墙6的剪切模量所对应的压实度以及碎石级配的技术指标；

③由公式三计算桩基5深度的最大弯矩、及对应最大弯矩的深度，如碎石隔墙6与桩基5水平距离5m～10m时，取碎石隔墙深度=桩基最大弯矩对应深度+（2～3）倍桩基5直径，宽度与桩基直径相同；

步骤三、施工碎石隔墙

①施工前，结合干式气动潜孔锤凿岩桩机对场地的要求，对现场进行表土清理，对高低不平处进行统一平整后回填40cm清宕渣进一步平整作为将来碎石隔墙6施工作业平台；

②根据现场实际地形在施工场地四周开挖高1m×宽1m的临时排水土沟，土沟内侧适当夯实作为地表临时排水系统；

③选择与碎石隔墙6宽度相同的干式气动潜孔锤凿岩桩机的钻孔直径，以1.2倍钻孔直径的间距纵向定位钻孔中心，逐孔相连形成整条碎石隔墙；

④选择干式气动潜孔锤凿岩桩机施工碎石隔墙；

⑤精确确定桩位后，移动干式气动潜孔锤凿岩桩机至桩位即可开钻；

⑥桩孔钻至设计高程后即停止钻进，利用高压空气吹出孔底碎渣，检查验收孔深，压进级配碎石；

⑦前一个钻孔成孔后，桩架移到隔一个的桩位上施工，即隔孔施工，形成沿路基路面1或桩基5纵向的连续碎石隔墙6；

步骤四、施工桩基

①碎石隔墙6施工完成后，按设计图纸放样桩基位置；

②加入抗扰动外加剂和聚羧酸等高性能减水剂配制抗扰动混凝土，进一步提高桩基混凝土的质量保证率；

③桩基5进场钻孔、下放钢筋、浇筑混凝土；

④检测桩基5质量，须符合设计要求。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。