橋梁樁基受鄰近開挖影響的數(shù)值模擬研究

姚 競 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

有限的地面空間日漸無法滿足人類交通建設(shè)工程和城市建筑事業(yè)不斷發(fā)展壯大的需求，人們開始尋求向地下和高空的發(fā)展空間。當(dāng)鄰近有基坑開挖時(shí)的建筑、道路橋梁等的樁基礎(chǔ)將不同程度地會(huì)受到土層變動(dòng)的影響而產(chǎn)生不良響應(yīng)，由此而引發(fā)的工程事故越來越多，越來越得到工程界的重視。本文著眼于橋梁樁基受鄰近基坑開挖的影響，利用FLAC3D建立了實(shí)際工程的三維仿真模型，主要考察了橋梁樁基在鄰近基坑放坡明挖情況下的偏位情況和內(nèi)力（彎矩）變化規(guī)律。

1 工程背景

背景工程是某船閘擴(kuò)建工程，由節(jié)制閘、船閘及魚道等組成，包括節(jié)制閘和船閘互通公路橋兩部分。其中，公路橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩、臺(tái)基樁均按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

閘址區(qū)屬長江及其支流沖積平原區(qū)，根據(jù)地表測繪和鉆孔揭露，其各層土體參數(shù)見表1。

求解區(qū)域內(nèi)各層土體參數(shù) 表1

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

圖1 鄰近橋樁的基坑開挖現(xiàn)場

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格圖

圖3 各步開挖完成后的橋樁位移圖

圖4 差異水平位移圖

模型幾何尺寸為90m×32m×70m，見圖2，包括19680個(gè)單元、22185個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

圖5 差異沉降圖

圖6 全部開挖完成后的橋樁彎矩圖

圖7 全部開挖完成后的橋樁剪力圖

2.2 基坑分步開挖的模擬

為了更貼近實(shí)際工況，并減小大量土體瞬間卸荷對地層的擾動(dòng)，采用model null命令共分5步、每步2m深完成對總深度為10m的開挖工作的模擬。在初始平衡求解后分別對各步開挖執(zhí)行求解，最終經(jīng)過32791的循環(huán)計(jì)算步達(dá)到了收斂標(biāo)準(zhǔn)而結(jié)束計(jì)算。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 橋樁的位移

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：橋樁最大位移的發(fā)生部位隨開挖推進(jìn)逐漸沿樁身下移，最大位移為14.17cm，發(fā)生在樁頂以下約32m處。其中，第二步和第四步，即地表以下2m~4m及6~8m范圍土層的開挖完成后，橋樁位移較上一步顯著增大。

由于橋樁頂部設(shè)有系梁，使得兩根橋樁的差異位移同樣不容忽視。由圖4、圖5可以看出：最大差異水平位移在第三步開挖完成后達(dá)到最大值，為7.45mm；差異沉降值則較為可觀，最大為24.23mm，發(fā)生在第四步開挖后，可能引起樁頂系梁的剪切破壞，應(yīng)引起足夠的重視。

2.3.2 橋樁的彎矩

分析圖6可得知：

①樁身同時(shí)分布著正彎矩和負(fù)彎矩，樁身某些部位存在反彎點(diǎn)（即此處彎矩為0）。至全部開挖完成，正彎矩達(dá)到最大值3134kN·m（抗彎驗(yàn)算強(qiáng)度值為3671kN·m），發(fā)生在樁頂以下約32m深處，與上文計(jì)算得出的樁基最大位移的位置一致。其中，正彎矩（即圖中黑色陰影所顯示部分）表示樁體向基坑內(nèi)側(cè)翹曲。

②兩根樁基的彎矩相差不大，分布形式、變化趨勢以及反彎點(diǎn)位置等都大體一致。但從數(shù)值上看，無論正彎矩還是負(fù)彎矩，圖中左側(cè)（即遠(yuǎn)離基坑側(cè)）樁基都要稍小于右側(cè)樁基。分析認(rèn)為，這是近基坑側(cè)樁基的存在對其背側(cè)土體起到了一定的支擋圍護(hù)作用。

2.3.3 橋樁的剪力

分析圖7可以看出：

①左、右兩側(cè)兩根基樁的剪力大小、方向及其隨開挖推進(jìn)的變化趨勢都基本相同。剪力沿樁身呈正、負(fù)交替變化的復(fù)雜形態(tài)，說明樁基在樁身中部附近土體主動(dòng)土壓力和樁底周圍土體嵌固圍護(hù)的共同作用下，處于一種近似雙向受剪的受力狀態(tài)。

②至全部開挖完成，最終的剪力沿樁身向下呈糖葫蘆狀分布，正負(fù)剪力的最大值分別出現(xiàn)在樁頂以下15.5m和樁底以上5m的位置，在這些部位都應(yīng)加強(qiáng)對箍筋的配置，以提高樁基抗剪能力。

3 結(jié)論與建議

①橋樁偏位以水平位移為主，最大位移的發(fā)生部位隨著開挖步數(shù)的推進(jìn)逐漸沿樁身下移，至開挖全部完成后，在樁身中部靠下部位（樁頂以下32m）出現(xiàn)最大值，為14.17cm。其中，第二和第四層，即地表以下2m~4m及6m~8m范圍土層的開挖完成后，橋樁位移較上一步顯著增大。建議在這兩層土體的開挖時(shí)，實(shí)施更細(xì)致的分層分塊開挖方案，以減少開挖對橋樁位移的影響，如將原來2m深的開挖深度再細(xì)分為2層、3層或更多層進(jìn)行開挖，每層再進(jìn)行分塊開挖。

②樁頂差異沉降相對于差異水平位移始終處于較高水平，最大為24.23mm，可能引起樁頂系梁的剪切破壞，發(fā)生在地表以下6m~8m土層的開挖過程中，建議在該步施工前后采取相應(yīng)的針對樁頂系梁的保護(hù)或加固措施。

③最大彎矩值為3134kN·m，發(fā)生在樁頂以下約32m處，接近抗彎驗(yàn)算強(qiáng)度值為3671kN·m，此處為樁體內(nèi)的一個(gè)相對薄弱的位置。此外，剪力沿樁身呈糖葫蘆狀分布，在樁頂以下15.5m和樁底以上5m的位置分別達(dá)到最大值，這兩處也為樁基的薄弱位置。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對樁基這些薄弱位置進(jìn)行抗彎和抗剪驗(yàn)算，根據(jù)需要決定是否增加箍筋和抗彎鋼筋的配置。

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