關于橋墩樁基施工對鎮海堤影響數值模擬評估

胡德雄

（福建省閩招工程檢測有限公司，莆田 351100）

0 引言

鎮海堤,原名東甲堤,位于荔城區黃石鎮境內,蜿蜒橫臥在興化灣南岸木蘭溪入?？?全長6km,迄今已有1200多年。 鎮海堤以抵御海潮,圍墾埭田,造福于民存世,黃石、新度、笏石、北高四鎮69 個村共25 萬人口,1.5 萬hm2田地受益。 它是莆田最古老效益最大的古建筑,被列為省級文物保護單位。2006 年5 月,又被國務院批準為全國重點文物保護單位。

為緩解城市交通壓力, 現需在古海堤上方修建一座橋梁,本文研究了橋墩樁基施工時對鎮海堤文物的影響。

1 工程概況

1.1 鎮海堤概況

海堤由堤身、防浪墻、堤外拋石、堤內排洪溝組成,堤身材料主要為塊石、條石。 據2001 年上報鎮海堤作為全國文物保護單位的資料顯示, 國保部分為鎮海堤遺址,即現存堤長3.5km,基寬2.67m,頂寬1.35m,高3.67m。在東洋段海堤碼頭外立碑1 通,高2.95m,寬1.17m,厚0.27m。

1.2 樁基及地質條件

根據實際項目情況,以38 號樁基與古海堤共同組成計算實體。 根據地質勘察報告,選取地質鉆孔土層信息作為土層計算參數。

2 有限差分計算模型

2.1 有限元軟件介紹

有限差分軟件FLAC3D 是二維的有限差分程序FLAC2D 的拓展,能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。 通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構。 單元材料可采用線性或非線性本構模型,在外力作用下,當材料發生屈服流動后, 網格能夠相應發生變形和移動 (大變形模式)。FLAC3D 采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區技術,能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動。 由于無須形成剛度矩陣,因此,基于較小內存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

2.2 有限元模型

計算模型按實際施工工況分析樁基開挖過程中應力卸荷與振動對海堤的影響。 分析過程中,利用已有的振動檢測實驗數據,選取適當的動力分析參數,評價旋挖鉆機振動對古海堤的安全性。

2.3 有限元模型概況

總體模型計算區域的選取應考慮模型邊界效應的影響。 根據參考資料,本計算模型X、Y、Z 方向(沿垂直古海堤方向、 平行古海堤方向、 深度方向) 的尺寸分別為120m、61m、80m。

此模型共有444843 個單元,77933 個節點,地層包含淤泥、卵石、沙土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖,微風化花崗巖,計算模型如圖1 所示。 計算單元為各層巖土體及樁基開挖段。

2.4 模型參數及本構關系

(1)巖土材料本構及其參數取值。 由于勘察報告中未直接提供彈性模量值,泊松比,結合已有工程經驗,各巖土層彈性模量的取值如表1 所示。

(2)動力計算地震波參數取值如表2 所示。

圖1 計算模型

圖2 開挖振動鎮海堤監測點布置圖

表1 巖土層及結構參數及本構關系

表2 地參數及本構關系

2.5 荷載及邊界條件

計算過程中分兩種情況, 分別為考慮樁基開挖時卸荷過程引起靜力計算部分和樁基開挖時振動過程引起動力計算部分。計算模型在靜力部分,對X、Y 兩個方向的兩側都施加水平約束,底部加豎向約束,頂面為自由面,不加約束；在動力計算部分,因震源來自模型內部,對該模型四周及底部施加靜態邊界條件,頂部為自由面。

2.6 工況分析

38 號墩下樁基共6 根,考慮樁基施工過程中,如果先施工遠離海堤方向的樁基礎, 那么靠近海堤方向的樁基施工將再一次對海堤造成影響。 因此,建議樁基的施工順序是先對靠近海堤側的樁基施工, 后對遠離海堤側的樁基施工,有了靠近海堤側樁基的保護和支撐,遠離海堤側樁基施工時對海堤的影響將大大減小。

因此, 計算分析中僅考慮靠近海堤側樁基施工的影響,忽略遠離海堤側樁基的影響。 根據業主單位提供的旋挖振動監測點(圖2)所示結果及計算,淤泥段旋挖施工時,海堤上監測的振動將很微弱,對海堤的影響可以忽略。 考慮到淤泥段旋挖過程中, 樁周土的變形對海堤的影響較旋挖振動的影響要大得多。 因此,計算工況以每根樁淤泥段的靜力分析為主(表3)。 淤泥以下部位由于巖土體本身具有一定的穩定性,樁周巖土體自身的變形將較小,相較旋挖導致振動對海堤的影響可以忽略,因此,淤泥段以下部位的計算僅考慮振動對海堤的影響, 忽略樁周土變形對海堤造成的影響。

表3 樁基開挖計算分析工況

3 開挖方案有限元分析結果

根據樁基旋挖成孔過程中, 樁周巖土體的變形和海堤的動態響應,將樁基開挖的計算分兩步進行,分別是淤泥段的靜力計算和淤泥段以下的動力計算。

使用有限差分軟件FLAC3D,分別對淤泥段進行靜力計算,對淤泥段以下進行動力計算,得到了最大位移以及最大振動速度,如表4 所示。

第六根樁淤泥段開挖的計算結果如圖3～5 所示,淤泥段以下開挖的計算結果如圖6～8 所示。

圖3 第6 根樁淤泥段開挖海堤最大位移云圖(單位：m)

表4 鎮海堤計算位移計算結果匯總

圖4 第6 根樁淤泥段開挖海堤X 方向位移云圖(單位：m)

圖5 第6 根樁淤泥段開挖海堤Y 方向位移云圖(單位：m)

圖6 第6 根樁淤泥段以下開挖海堤最大位移云圖(單位：m)

圖7 第6 根樁淤泥段以下開挖海堤X 方向位移云圖(單位：m)

圖8 第6 根樁淤泥段以下開挖海堤Y 方向位移云圖(單位：m)

由上述計算結果可知, 新舊海堤以向海里方向變形為主,最大位移量出現在坡頂兩側。 增大位移主要由開挖振動引起,開挖卸荷影響作用較小。

4 總結

綜上所述, 通過理論計算樁基開挖對海堤的穩定性影響微弱。 由靠近海堤側的樁基依次開挖,盡管海堤的變形逐漸增大, 但累計變形值和變化量都較小,6 根樁基施工后的最大變形量僅為3.51mm。 樁基在開挖過程中,受到已施工樁基的嵌固和支檔作用, 海堤的變形量也逐漸減小。 同時,理論計算的最大振動速度介于1.7～2.3mm/s,遠小于《爆破安全規程》中規定的1cm/s 的可接受振動指標。

因此,樁基施工對海堤穩定性的影響微弱,影響程度和范圍也非常有限。 綜合考慮海堤多年來飽經風雨和各種附加荷載的作用,依然完好,樁基施工不會造成海堤整體的變形和顯著位移。