管樁施工對堤防穩(wěn)定的影響分析

林悅奇，楊文濱，張旭輝

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省大壩安全技術管理中心，廣東 廣州 510635)

因廣州市軌道交通十一號線大塘站施工需要，需臨時占用新滘中路整幅機動車道及中央綠化帶，為配合交通疏解，需在北側搭建臨時鋼便橋跨越大塘涌，但不拆除原橋梁，滿足施工期間新滘中路雙向八車道及人行道通行。擬建鋼便橋設計使用年限3.5a，跨徑為2跨14m+14m。擬建工程設計防洪標準為20a一遇，所在大塘涌規(guī)劃防洪標準為20a一遇。

管樁施工過程中產(chǎn)生的擠土效應和振動對堤防結構穩(wěn)定產(chǎn)生影響，擠土效應使得土的水平應力增大，超空隙水壓力急劇變化，破壞堤防土體原有的結構;振動效應會降低土體的抗剪強度，使得原土體的被動抗力減小，容易出現(xiàn)沉降變形等破壞[1-5]。而管樁施工是一個動態(tài)過程，如采用三維有限元動態(tài)模擬施工過程，建模及計算工作耗時大，任務繁重[6]。現(xiàn)將動態(tài)施工過程中的施工荷載簡化，用靜力代替施工荷載，均勻施加到各土層中，求得施工過程中堤防的穩(wěn)定系數(shù)，可為同類工程提供參考。

1 計算方法

根據(jù)水文計算成果，確定鋼便橋所在河涌斷面的特征水位，進行有限元平面二維滲流場求解，在滲流計算結果基礎上進行土堤坡面穩(wěn)定計算。求得堤壩未施工前的穩(wěn)定系數(shù)。施工過程中，將管樁施工時候的荷載以豎向均布荷載的形式施加在各巖土層，求得施工過程中堤防的穩(wěn)定系數(shù)。施工后，把便橋的車輛荷載及橋梁自重荷載疊加在堤頂?shù)臉冻信_上，模擬施工后土堤受力情況，再進行滲流穩(wěn)定求解計算。

平面二維滲流方程：

(1)

式中，H—總水頭，m；kx—x方向滲透系數(shù)，m/s；ky—y方向滲透系數(shù)，m/s；Q—應用邊界滲流量，m3/d；θ—土體儲水變化率；t—時間，s。

等式右端為土體儲水變化率，該方式適用于瞬態(tài)分析；令等式右端等于0，即土體儲水不變時，即為穩(wěn)態(tài)分析。

穩(wěn)定計算土層強度采用Mohr-coulomb準則，根據(jù)GB50286-2013《堤防工程設計規(guī)范》，土堤邊坡抗滑穩(wěn)定采用簡化畢肖普法求解[7]，滑移面采用自動搜索最危險滑弧的方式計算確定。簡化畢肖普計算公式如下：

K=∑{[(W±V)secα-ubsecα]tanφ+cbsecα}/(1+tanαtanφ/K)/∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(2)

式中，W—土條重量，kN；V—垂直地震慣性力，kN；u—作用于土條地面額空隙壓力，kN/m2；b—土條寬度，m；c—土條地面的有效凝聚力，kN/m2；ψ—有效內摩擦角，°；Mc—水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R—圓弧半徑，m。

圖1 鋼便橋剖面圖

2 計算模型及參數(shù)

鋼便橋剖面圖如圖1所示。根據(jù)已有的地質勘察資料，建立右岸、左岸的地層模型，右岸施工前、施工過程中、施工后計算模型如圖2～4所示。利用水文計算成果，考慮了枯水期(低水位)和20a一遇洪水位(高水位)的影響，針對臨時鋼便橋下部結構鋼管樁距離堤岸迎水坡的穩(wěn)定影響進行分析。廣州位于珠三角河網(wǎng)發(fā)達地區(qū)，地下水資源豐富，當遭遇20a一遇洪水位時，堤后水位取地面以下1m，枯水期時，堤后水位取地面以下2m計算。荷載按橋墩鋼管樁長沿豎直方向均勻分布進行加載，模擬鋼管樁施工時、施工過程中及施工后對堤防穩(wěn)定安全的影響。

圖2 右岸施工前計算模型

圖3 右岸施工過程中計算模型

圖4 右岸施工后計算模型

根據(jù)本區(qū)域地質鉆孔揭露的土層主要有雜填土、淤泥質粉細砂、粉質粘土、強風化粉砂巖及中風化粉砂巖。各巖土層物理力學計算參數(shù)取值見表1。

根據(jù)JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》，鋼便橋為4級公路，單跨長度為14m，寬30.5m，車輛集中荷載Pk=236kN，車輛均布荷載為qx=10.5kN。施工過程中的靜力均布荷載F=237.36kN，荷載按橋墩鋼管樁的長度沿豎直方向均勻分布進行加載，模擬鋼管樁施工時對堤防穩(wěn)定安全的影響。施工后將橋梁自重車輛集中荷載及均布荷載的一半作用到樁基承臺上，模擬完工后對堤防穩(wěn)定安全的影響。復核工況如下：

工況一：施工前，枯水期左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復核。

工況二：施工過程中，枯水期左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復核。

工況三：施工后，枯水期左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復核。

工況四：施工前，遭遇P=5%洪水時，左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復核。

工況五：施工過程中，遭遇P=5%洪水時，左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復核。

工況六：施工后，遭遇P=5%洪水時，左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復核。

3 計算結果分析

根據(jù)地勘及測量數(shù)據(jù)按1∶100進行有限元分析模型建模，結合水文計算結果，將相應的邊界水位條件附加到模型中，先進行二維滲流場求解計算，再進行堤防穩(wěn)定計算。右岸計算結果云圖詳見圖5～12，左岸計算云圖不再列出，結果詳見表2。

圖6 右岸枯水期施工前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7 右岸枯水期施工過程中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖8 右岸枯水期施工后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖9 右岸P=5%二維滲流場計算結果

圖10 右岸P=5%施工前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖11 右岸P=5%施工過程中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖12 右岸P=5%施工后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)擬定的工況有限元滲流穩(wěn)定計算結果，匯總整理見表2。

表2 滲流穩(wěn)定計算成果

4 結論與建議

4.1 結論

便橋施工前，左岸枯水期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.423，右岸枯水期安全系數(shù)K為1.486；左岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.873，右岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.047。便橋施工過程中，左岸枯水期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.257、較施工前下降11.67%，右岸枯水期安全系數(shù)K為1.267、較施工前下降14.74%；左岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.483，較施工前下降20.82%，右岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.624，較施工前下降20.66%。便橋施工后，左岸枯水期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.086，右岸枯水期安全系數(shù)K為1.936；左岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.529，右岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.323。

根據(jù)GB50286-2013《堤防工程設計規(guī)范》，4級堤防采用簡化畢肖普法計算時，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應小于1.25。鋼便橋施工過程中，堤防在擬定工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有一定下降，但堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)仍滿足規(guī)范要求。

擬建工程施工過程中，左右岸大堤迎水坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)略有降低，但是各工況下的抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足《堤防工程設計規(guī)范》要求，施工后鋼管樁基礎對大堤穩(wěn)定性產(chǎn)生有利影響。因此，擬建工程的建設不會危及堤防安全。

4.2 建議

施工過程中堤防安全系數(shù)有一定下降，管樁施工時應加強對施工區(qū)域觀測。對施工區(qū)域內水位變化情況、土體垂直方向和水平方向的變形情況進行觀測，減小施工過程由擠土效應對堤防結構的不利影響，合理設置振動觀測點，進行信息化施工，并根據(jù)監(jiān)測結果指導施工。優(yōu)化管樁施工工期，控制壓樁速率和時間，使施工區(qū)域內土層應力得到有效釋放，減小對堤防土體的擾動。