航道開挖過程中加固結構對樁土變形影響分析

張 薇，曹 軍，顧禎雪，余 杰，宋德威，孫 陽,

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2.南京水利科學研究院 南京水科院勘測設計有限公司，南京 210098；3.杭州京杭運河二通道建設投資有限公司，杭州 330104；4.河海大學淮安研究院，淮安 223001)

隨著我國對水系發達的東部地區航道開發利用和舊航道改造的愈加重視，流域交通綜合開發工程的推廣使得類似的新航道建設項目逐漸增多。此外，長距離的高鐵線路必然需要穿過各種復雜地形，特別是在軟土層廣泛分布的東部地區，高鐵線路不可避免地會存在本地交錯的河流湖泊與高鐵線路發生交匯的情況。而高速鐵路的建造規范要求高于一般鐵路，輕微的工程擾動都有可能產生較為嚴重的后果。

早期數值模擬軟件不發達、計算理論還不完善的時候，研究者大多使用實驗和監測的方法進行相關研究，得到了一系列周圍土體與樁基相互作用的影響規律[1-7]。之后研究者將有限元分析與理論方法相結合，提出了一系列新型計算方法[8-12]。目前研究者傾向于研究工程中不同的變形控制因素[13-15]，這些研究將理論、模型、實驗和監測等結果結合起來，得到了一系列較為準確且具備指導意義的結論。

近年來，有限元強度折減法多應用于邊坡穩定研究[16]，而將其應用于樁-土互相作用影響分析較少，同時飽和軟粘性土區域的航道開挖對高鐵橋梁樁基的影響研究也相對缺乏。本文將結合京杭運河二通道(杭州段)下穿滬昆高鐵工程，基于強度折減法的有限元數值模擬，討論不同開挖工況下的滑移面情況和橋墩變形，給出動態過程以及開挖建議。同時討論不同的加固結構對土體沉降、橋墩位移的影響，為今后類似環境下航道開挖的設計、施工提供理論指導和依據。

1 基本原理

1.1 強度折減法

Bishop 等將土坡穩定安全系數Fs定義為沿整個滑移面的抗剪強度τf與實際抗剪強度τ之比，使安全系數的物理意義更加明確，使用范圍更加廣泛，并給出了與一般建筑材料的強度安全系數相類似的公式

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1.2 失穩判據

基于有限元強度折減法分析土體穩定性的一個關鍵問題是如何根據有限元計算結果來判別土體是否處于穩定狀態，由于無法直接用公式計算出安全系數，因此只能根據某種破壞判據來判定系統是否進入失穩狀態，目前切實可行的平衡失穩判據主要有以下幾類：(1)限定求解迭代次數，當超過限值仍未收斂，則認為破壞發生，以此作為失穩的標志；(2)限定節點不平衡力與外荷載的比值達到某一值時所取的折減系數為安全系數；(3)通過分析域內廣義剪應變等某些物理量的變化和分布來判斷，如當域內某一幅值的廣義剪應變區域連通時，則判斷邊坡發生破壞；(4)以廣義塑性應變或者等效塑性應變在土體內貫通作為邊坡破壞的標志。

同時，塑性區貫通并不一定意味著破壞，塑性區貫通是破壞的必要條件，但不是充分條件，還要看是否產生很大的且無限發展的塑性變形和位移。綜合以上，本文所采用的是塑性區是否貫通和控制土體位移及變形的綜合判定方法。

圖1 下穿工程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the underpassing project

2 下穿高鐵航道開挖影響分析

2.1 工程概況

京杭運河二通道(杭州段)新開挖航段，是京杭運河三級航道整治工程中投資最大的部分，也是建設的難點和重點，項目全長26.4 km，并于航道里程K26+682處下穿滬昆高鐵。根據京杭運河二通道(杭州段)的規劃，高速鐵路線路中心線與航道中心線夾角為72°。航道寬度和通航凈高滿足三級雙向航道設計要求。受新建航道影響，防止航道兩側鄰近橋墩因土體開挖釋放單側約束而造成的基礎與橋墩側向偏移，保證客運專線的結構及運營安全，需對滬昆高鐵232#和233#橋墩進行保護性的特殊設計。

2.2 數值模型建立

2.2.1 參數選取

考慮到計算中的邊界效應，模型的尺寸為：橫航道方向178 m，深度取40 m。模型的邊界條件為：側面施加水平側向位移約束；底面施加固定位移約束；上面為自由面，沒有約束。本構采用摩爾-庫倫模型。

土體的主要物理力學參數如表1所示。其中第②1層、④1層、⑤1層、⑤2層土屬高含水量、高壓縮性、低強度、低滲透性的飽和軟粘性土，具有較高的靈敏度和觸變特性，在動力作用下易破壞土體結構，使土體強度驟然降低，易造成土體失穩。

表1 土體參數Tab.1 Parameters of soil

橋墩周圍的圍護樁采用鉆孔灌注樁，以滬昆高鐵為中心沿航道走向布置，前后保護范圍各45 m，樁徑為1.2 m，樁長為30 m，縱向樁間距為1.5 m。左側樁的樁中心離既有橋墩樁中心7.2 m，中間樁的樁中心離既有橋墩樁中心7.2 m，右側樁的樁中心離中間樁11.2 m。航道底部地基布置水泥攪拌樁加固，樁徑 0.8 m，樁間距1.5 m，有效長度為 5 m。樁土接觸面采用點面接觸模型，系數選取參照許宏發等[17]的建議，摩擦系數取0.312。對于水泥攪拌樁，本文采用陳占峰等[18]的方法，將樁墻材料的重度設為25 kN/m3，彈性模量為150 MPa，泊松比為0.15。混凝土面板采用板單元模擬為彈性材料，法向剛度為3×106kN/m，等效厚度為40 cm，泊松比為0.2。

2.2.2 模型分析階段

動態開挖階段取表2所列8種工況作為代表給出計算結果，并進行分析以說明問題。每個工況共設置4個分析階段，具體設置如表3所示。其中方案一為每層開挖高度2 m，逐層開挖至地下10 m。方案二為每層開挖5 m，開挖至地下10 m。

表2 動態開挖模型的不同工況Tab.2 Different working conditions of dynamic excavation model

表3 動態開挖模型的分析階段Tab.3 Analysis phases of dynamic excavation model

為了得到不同加固情況下的變形規律，基于前述下穿航道開挖影響下的土體變形機理并結合工程實際，在上述工況3的基礎上取如表4所示的8種加固方案作為代表給出計算結果，并進行分析以說明問題。每個加固過程共設置8個分析階段，具體設置如表5所示。

表4 加固方案代表Tab.4 Representative reinforcement scheme

表5 加固后開挖模型的分析階段Tab.5 Analysis phases of dynamic excavation model after reinforcement

2.3 輸出結果

2.3.1 開挖方案輸出結果

(1)土體位移。不同開挖工況下的最大土體位移變化如圖2所示。

(2)橋墩位移。不同開挖工況下的最大橋墩位移變化如圖3所示。

3-a 坡度30°,橋墩距中軸線40 m,每次開挖2 m3-b 坡度30°,橋墩距中軸線40 m,每次開挖5 m3-c 坡度30°,橋墩距中軸線60 m,每次開挖2 m3-d 坡度30°,橋墩距中軸線60 m,每次開挖5 m圖3 不同開挖工況下的橋墩位移圖Fig.3 Displacement diagram of bridge pier under different excavation conditions

可以看出其余條件相同時，有橋墩的情況相較于無橋墩的情況，開挖引起的土體位移小得多，且橋墩離開挖軸線越近，土體位移越小，可見樁基的存在對土體位移的減小有很大控制作用。

2.3.2 加固方案輸出結果

(1)土體位移。不同加固方案下的最大土體位移變化如圖4所示，開挖后基坑底部土體的最大隆起值變化如圖5所示。

4-a 加固方案14-b 加固方案24-c 加固方案3、4

圖5 不同加固方案下的基坑底部土體最大隆起值Fig.5 The maximum soil displacement under different reinforcement schemes

對比結果顯示，圍護樁和水泥攪拌樁在開挖前期及中期土體位移控制效果較好，后期效果不明顯，需要混凝土護坡和床底混凝土進一步進行加固。與此同時，通過模型計算發現基坑底部最大隆起值始終出現在基坑中心偏右側范圍，這是由于建模階段考慮到依托工程的土體并不是厚度均勻分布而是左側土層厚度大于右側土層厚度，導致基坑下同一深度處左側土體的強度更大，計算結果與實際相符合。

同時隨著開挖深度增加，基坑底部土體的最大隆起值出現波動，對開挖工序進行分析后發現由于逐層開挖工序后都緊接著逐層降水工序，而開挖導致土體隆起值增大，降水又導致土體隆起值減小，因此土體的最終隆起值出現波動，符合實際情況。

(2)橋墩位移。不同加固方案下的最大橋墩位移變化如圖6所示，具體開挖階段的橋墩位移變化如圖7所示。

6-a 加固方案16-b 加固方案26-c 加固方案3、46-d 加固方案5、66-e 加固方案76-f 加固方案8圖6 不同加固方案下的橋墩位移圖Fig.6 Displacement diagram of bridge pier under different reinforcement schemes

對比結果顯示，圍護樁和水泥攪拌樁對橋墩的位移控制起到一定作用，因此總體上隨著開挖深度的增加，橋墩的最大水平位移逐漸增大，但含有水泥攪拌樁的方案中，在開挖后期橋墩位移出現明顯減少的現象。這說明水泥攪拌樁對橋墩位移的控制有很好的效果，尤其體現在開挖后期。而圍護樁在開挖前期對橋墩位移的控制效果比較好，后期效果不是很明顯。同時，結果還顯示隨著開挖深度的加大，橋墩出現最大位移的位置總體呈現下移的趨勢。

(3)安全系數。不同加固方案下的安全系數值如圖8所示。

圖7 不同加固方案下的最大橋墩位移值Fig.7 The maximum soil displacement under different reinforcement schemes圖8 不同加固方案下的安全系數值Fig.8 Safety factor values under different reinforcement schemes

可以看出方案5和方案6的加固效果最佳，邊坡整體安全系數均接近2.0，方案2的加固效果較差，邊坡整體安全系數小于1.5，這說明水泥攪拌樁在維護邊坡的整體穩定性上效果不是很顯著，相對而言，圍護樁可以很好地保證邊坡的整體穩定性，將安全系數控制在1.6左右。

3 結論

(1)在本文所取的開挖工況模擬中，開挖坡腳為30°，橋墩距離航道中軸線40 m，每次開挖2 m的開挖方案中土體位移值最小，表明橋墩的存在對土體的位移有減少作用，且土體的位移值隨著橋墩與開挖航道軸線間距離的減小而減小。

(2)在橋墩周圍布置圍護樁在開挖前期對橋墩位移有減少效果，開挖中期對土體的位移有減少效果，在河床底部布置水泥攪拌樁在開挖前期對土體位移有減少作用，同時對減少橋墩位移起到了很好的效果，不過兩者在開挖后期控制位移的效果均不明顯，需要輔以別的地基加固措施。

(3)設置混凝土錐體護坡和混凝土護底均可以在原有加固基礎上進一步減小土體位移，不過在橋墩位移控制方面效果甚微。進一步考慮到混凝土護底對生態環境的破壞較大，不建議在加固方案中設計該措施。

(4)布置圍護樁與水泥攪拌樁，在位移控制方面效果明顯且側重階段各不相同，在加固方案的設計中應重點考慮，對防沖刷要求較高的航道開挖工程中，可考慮加設混凝土錐體護坡，三者配合使用可以對整個航道開挖工程起到很好的加固效果。