河渠高邊坡開挖對鄰近橋墩樁基的影響分析

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(安徽省水利水電勘測設(shè)計院,安徽合肥230088)

引江濟(jì)淮工程C5標(biāo)河渠工程位于菜巢分水嶺切嶺段，河渠邊坡工程的規(guī)模較大，開挖深度21～32 m。在輸水河渠施工過程中，遇到河渠邊坡開挖邊線距離鄰近的某鐵路特大橋橋墩樁基較近的情況。考慮鄰近橋墩樁基受到邊坡開挖引起的土體位移的作用，可能會產(chǎn)生較大的側(cè)向位移、附加應(yīng)力和彎矩。因此，分析河渠高邊坡開挖施工對鄰近橋墩樁基的影響，是必要的，其研究結(jié)果可為設(shè)計人員是否采取相應(yīng)的施工和運行保障措施提供參考。

由于邊坡開挖產(chǎn)生的土體側(cè)向移動對鄰近樁基的影響是典型的被動樁問題。所謂“被動樁”是相對于“主動樁”而言的，De Beer(1997)[1]根據(jù)樁基與周圍土體的相互作用將樁分為兩類：第一類樁基直接承受外荷載并主動向土中傳遞應(yīng)力，稱主動樁(Active pile)；第二類樁基不直接承受外荷載，只是由于樁周土體在自重和外荷作用下產(chǎn)生水平移動而受到影響，稱為“被動樁”(Passive pile)。陳福全(2004)[2]列出了工程中常見的被動樁問題。

陳福全(2004)[2]在談到被動樁的計算方法時指出：有限元法采用土的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來描述樁周土的特性，可以定量地考慮各種復(fù)雜邊界條件、土的變形性狀、施工順序等影響，利用有限元法比其他方法更為有利。國內(nèi)巖土工程界許多學(xué)者及工程師采用有限元法就深基坑工程對鄰近設(shè)施及建筑物的影響開展了研究。陳福全等(2008)[3]采用二維有限元法模擬了內(nèi)支撐排樁支護(hù)基坑開挖過程，分析了基坑開挖時對鄰近樁基(分別考慮了單排和雙排)的各種影響因素。楊敏等(2005)[4]采用三維彈塑性有限元法模擬了無支撐基坑開挖與鄰近樁基的相互作用。沈健等(2005)[5]應(yīng)用三維有限元法分析了基坑開挖引起的鄰近高架樁基的水平位移與附加內(nèi)力。李龍劍等(2011)[6]采用二維平面應(yīng)變模型模擬了無支撐基坑開挖引起的鄰近高架樁基的水平位移，分析了土體加固對高架基礎(chǔ)的影響。朱敏等(2011)[7]以武漢香港路地鐵車站工程為例，分析在深厚軟弱地層中開挖超深基坑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點和難點，提出確保施工安全的工程對策。

本文依托引江濟(jì)淮菜子湖線C5標(biāo)河渠工程，采用MIDAS-GTS NX通用巖土有限元分析軟件，構(gòu)建了模擬輸水河渠高邊坡開挖施工的數(shù)值模型，基于該模型，研究輸水渠道高邊坡開挖對鄰近橋墩樁基的影響。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程由長江下游上段引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程。自南向北劃分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送三大工程段落，共設(shè)八大節(jié)制樞紐。C5標(biāo)段位于菜子湖線切嶺段內(nèi)樁號67+450～72+240處，總長4.79 km，基本為崗地開挖河渠，開挖深度21～32 m。河渠樁號F518(70+421.1)處，渠底高程3.74 m，開挖深度25.1 m，底寬45 m，每挖深6 m設(shè)置平臺，共設(shè)四級平臺，其中二級平臺寬度為8 m，其他平臺寬度為3 m，河道一級邊坡1∶3.5，其余邊坡1∶3.0[8]。

某鐵路特大橋166號橋墩處，鐵路左線中心線距引江濟(jì)淮工程樁號F518(70+421.1)處的河渠左岸邊坡開挖邊線最近距離為46 m。166號橋墩及基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計如下：圓端型橋墩高7.5 m，橫橋向6.0 m，順橋向2.0 m，采用C35混凝土。承臺高2.0 m，橫橋向10.2 m，順橋向4.8 m，采用C35混凝土。橋墩采用樁柱式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁徑1.0 m，橫橋向4排，順橋向2排，每排中心間距2.7 m，樁長26.5 m，共計8根，樁基采用C30混凝土。

河渠邊坡與鄰近鐵路橋墩的位置見圖1，渠道邊坡開挖斷面影響深度范圍內(nèi)的巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[9]見表1。

巖土層層厚/m重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)⑤重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土10.819.88.025131全風(fēng)化片麻巖5.120.8300300292強(qiáng)風(fēng)化片麻巖5.821.21 240300293中等風(fēng)化～新鮮片麻巖未鉆穿21.45 00070039

2 數(shù)值模擬

2.1 方法與原理

近年來，考慮土與結(jié)構(gòu)共同作用的連續(xù)介質(zhì)有限元法在巖土工程中應(yīng)用廣泛。該方法可以把結(jié)構(gòu)物及周圍土體作為整體進(jìn)行建模計算，綜合分析施工引起的環(huán)境效應(yīng)。與此同時，MIDAS-GTS NX作為一款通用巖土有限元分析軟件，因其廣泛應(yīng)用于基坑、隧道、地鐵、地下硐室、采礦等實際工程項目中，證明了程序的準(zhǔn)確性和高效性[10～12]。鑒于MIDAS-GTS NX具有可對施工過程進(jìn)行模擬，對結(jié)構(gòu)受力、土層變形性狀、地下水影響進(jìn)行分析等諸多功能，因此，本文的研究采用其作為技術(shù)手段，評估輸水渠道高邊坡開挖施工對某特大橋橋墩樁基的影響。在采用三維連續(xù)介質(zhì)有限元方法對邊坡開挖施工過程進(jìn)行模擬中，采用以莫爾-庫倫屈服條件為破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型模擬土的本構(gòu)關(guān)系。

2.2 基本假定

a) 將各層巖土體假定為均質(zhì)、各向同性的彈塑性體。由于橋墩承臺及其樁基等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度相對于巖土體較大，所以相應(yīng)地假定為線彈性材料。

b) 考慮了樁基與土層之間的相對位移，設(shè)置了樁界面單元；不考慮承臺與周圍土體的之間的滑動現(xiàn)象；通過建立樁基與承臺的連接來保證承臺與樁共同受力。

2.3 計算模型

河渠左、右岸邊坡開挖上開口線距離235 m，開挖深度25.1 m，考慮橋墩樁基的位置、樁長及基坑的開挖對其周圍土體的擾動，三維模型的大小取為450 m×80 m×35 m(X，Y，Z)，其中X正方向為河渠右岸方向，Y正方向為輸水方向，Z正方向為高度方向。

樁基采用梁單元模擬，為了確認(rèn)梁單元和地基之間的摩擦行為及相對位移，使用樁界面單元，同時使用樁端單元。橋墩、承臺、地層、各開挖土層、河渠管護(hù)道路等均采用三維實體單元，以六面體為主，輔以極少量的四面體單元。

在網(wǎng)格劃分時，為使網(wǎng)格質(zhì)量相對較高，對單元長度進(jìn)行如下控制：樁基、承臺、橋墩、管護(hù)道路等取1 m，各開挖土層取1.5 m，模型邊界及各巖土層邊界取3.0 m。經(jīng)統(tǒng)計，整個模型節(jié)點總數(shù)13.8萬，單元總數(shù)19.1萬。

計算模型的邊界條件設(shè)置如下；①位移邊界，左、右側(cè)約束X方向位移，前、后側(cè)約束Y方向位移，頂部為自由邊界，底部全約束；②轉(zhuǎn)動約束邊界，對樁基上的所有節(jié)點施加Z方向的轉(zhuǎn)動約束；③改變屬性邊界，用于應(yīng)對承臺位置的原土體在施工階段中其材料屬性發(fā)生的改變。

對計算模型施加的靜力荷載為：自重、河渠管護(hù)道路上的路面荷載，其中后者為均布壓力荷載。本次計算使用的三維有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

2.4 施工過程模擬

施工過程的模擬實質(zhì)上是一個完整的計算過程的展現(xiàn)。首先，河渠邊坡在開挖之前場地存在初始應(yīng)力場，但是該初始應(yīng)力場應(yīng)考慮鄰近橋墩樁基施工導(dǎo)致的土體自重應(yīng)力場的變化。因此，第二步需要在初始應(yīng)力場計算的基礎(chǔ)上模擬鄰近橋墩樁基的建造過程。橋墩樁基施工完成后，在河渠邊坡開挖之前，邊坡開挖對樁基無變形的影響，因此，第三步是在前述應(yīng)力場結(jié)果的基礎(chǔ)上，將所有位移與應(yīng)變清零，僅保存其變化的應(yīng)力場作為邊坡開挖模擬的初始應(yīng)力場。第四步，進(jìn)行邊坡分步開挖施工、河渠管護(hù)道路施工及運行模擬，為了模擬分步開挖的整個過程，在定義施工階段的過程中，采用逐層鈍化相應(yīng)開挖土層網(wǎng)格組數(shù)據(jù)的功能來模擬巖土層的開挖過程。

3 主要分析結(jié)果

3.1 樁基

邊坡開挖到渠底高程3.74 m時(計算步驟11)，鄰近橋墩樁基變形處于最不利狀態(tài)，提取該工況下相關(guān)位移結(jié)果。圖3可以看出，基坑開挖引起樁基產(chǎn)生附加側(cè)向位移，其最大值為0.230 mm，位于距離開挖邊坡最近的兩根樁的樁頂位置，方向朝向邊坡；距離開挖邊坡最遠(yuǎn)的兩根樁，距樁頂4.9 m位置，位移0.019 2 mm，方向背離邊坡。

3.2 承臺與橋墩

圖4為承臺與橋墩側(cè)向位移，結(jié)果顯示，承臺處最大值為0.111 mm，位于承臺底面靠近邊坡一側(cè)，方向朝向邊坡；橋墩處最大值為0.096 5 mm，位于橋墩底面遠(yuǎn)離邊坡一側(cè)，方向朝向邊坡。

3.3 邊坡土體

圖5為管護(hù)道路施工及運行后，渠道邊坡的位移，此時，邊坡變形處于最不利狀態(tài)。結(jié)果顯示，管護(hù)道路下部土體有沉陷，約0～2.27 cm，三級坡中部至五級坡下部之間的坡面土體會產(chǎn)生隆起，約0～5.63 cm。另外，雖然開挖邊坡及河渠管護(hù)道路施工及運行會引起邊坡土體產(chǎn)生一定位移，但位移的影響范圍不大，最遠(yuǎn)距邊坡開挖邊線約24 m。

4 結(jié)論

根據(jù)三維有限元數(shù)值計算結(jié)果，得出以下結(jié)論。

a) 雖然河渠高邊坡附近橋墩樁基產(chǎn)生一定的側(cè)向位移，但位移值微小，滿足規(guī)范要求。樁基處最大值為0.230 mm，位于距離開挖邊坡最近的兩根樁的樁頂，方向朝向邊坡；承臺處最大值為0.111 mm，位于承臺底面靠近邊坡一側(cè)，方向朝向邊坡；橋墩處最大值為0.096 5 mm，位于橋墩底面遠(yuǎn)離邊坡一側(cè)，方向朝向邊坡。

b) 雖然河渠邊坡土體發(fā)生一定位移，但位移的影響范圍不大，水平向影響距離約24 m，遠(yuǎn)小于鐵路左線中心線與河渠邊坡開挖邊線之間46 m的距離。

c) 引江濟(jì)淮菜子湖線C5標(biāo)鄰近該鐵路橋處的邊坡開挖施工及運行引起橋墩樁基的微小位移，不影響該橋的正常使用。