橋墩附近基坑開挖對(duì)橋墩基礎(chǔ)影響的數(shù)值分析

張海東

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市交通設(shè)施不斷向外延伸，城市交通設(shè)施和城際高鐵的交叉增多，給工程造成困難，特別是高鐵對(duì)變形和位移影響要求高，鄰近基坑施工對(duì)其影響較大，隨著計(jì)算理論的不斷完善，空間計(jì)算軟件的不斷推出，采用有限元對(duì)基坑施工影響進(jìn)行分析指導(dǎo)。

本文就上海軌交12號(hào)線下穿滬杭高鐵為工程背景，采用巖土工程軟件PLAXIS模擬分析。其結(jié)果為基坑工程的施工提供了指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)，對(duì)施工進(jìn)行控制。同時(shí)對(duì)類似的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

上海軌交12號(hào)線中春路停車場(chǎng)出入線下穿滬杭高鐵的支撐圍護(hù)設(shè)計(jì)。本工程呈東西走向，基坑寬18.7 m，長(最長處)29.01 m，基坑開挖深度由西至東為9.2 m～9.6 m?；酉麓┰诮ǖ臏伎蛯Ｋ山卮髽?6 m連續(xù)梁段及滬昆鐵路。滬杭客專在本段施工時(shí)已完成土建部分的主要工程;基坑南側(cè)邊緣至滬杭客專松江特大橋Pm37號(hào)橋墩承臺(tái)最近處約為5.85 m，基坑北側(cè)邊緣至滬杭客專松江特大橋Pm36號(hào)橋墩承臺(tái)最近處約為18.63 m。

工程主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m和1.2 m鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁止水帷幕，靠近橋墩側(cè)采用1.2 m鉆孔灌注樁;其余采用1.0 m鉆孔灌注樁，樁長22 m，插入比約為1.2;鉆孔灌注樁外面設(shè)置一排φ600@400高壓旋噴樁止水帷幕，深16.0 m，插入不透水層⑤1a粘土層。沿深度方向設(shè)置三道支撐，第一道支撐位于地面下0.7 m處，第二道支撐位于地面下4.5 m處，第三道支撐位于地面下7.5 m處，除第一道為混凝土支撐外其余皆為609 mm鋼管支撐。

主要工程地質(zhì)概述:擬建場(chǎng)地較為平坦，屬濱海平原地貌，地面標(biāo)高約在 4.4 m ～4.7 m。

各土層自上而下為:

第②層為褐黃～灰黃色粉質(zhì)粘土。

第③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，流塑，抗剪強(qiáng)度低，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利，③夾層砂質(zhì)粉土，開挖時(shí)局部可能會(huì)產(chǎn)生管涌、流砂。

第④層為灰色淤泥質(zhì)粘土，流塑，抗剪強(qiáng)度低，具流變特性和觸變特性。

第⑤層分布較為穩(wěn)定，分為三個(gè)亞層，⑤1a層為灰色粘土、⑤1b層為灰色砂質(zhì)粉土和⑤1c層為灰色粉質(zhì)粘土。

第⑥層為暗綠～草黃色粉質(zhì)粘土。

第⑦層砂性土層埋藏較深，可分為兩個(gè)亞層，⑦1層粘質(zhì)粉土層和⑦2層粉砂層，土性較好。

本場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類型，地下水位埋深0.5 m。

2 數(shù)值分析

2.1 有限元計(jì)算模型

為了評(píng)價(jià)影響段范圍內(nèi)基坑開挖對(duì)滬杭客專松江特大橋(Pm37號(hào)橋墩)的影響，我們選取基坑最不利A—A斷面建立有限元數(shù)值模型進(jìn)行分析。

數(shù)值計(jì)算采用巖土工程軟件PLAXIS模擬，幾何對(duì)象采用平面應(yīng)變模型，有限元網(wǎng)格基于15節(jié)點(diǎn)單元。對(duì)于橋墩和鉆孔灌注樁，按彈性受力狀況來考慮，在計(jì)算中采用彈性梁單元模擬。φ600 mm高壓旋噴樁加固采用置換土層參數(shù)方式模擬，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體之間的摩擦力通過設(shè)置接觸面單元并選取虛擬厚度因子及強(qiáng)度折減因子(Rinter)的值來模擬;支撐結(jié)構(gòu)采用錨桿單元模擬。

模型邊界條件:底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，表面取為自由邊界?；佑?jì)算土層區(qū)域橫向115 m，縱向80 m，基坑深度按10 m考慮，南側(cè)基坑地下水位線取地表以下0.5 m，土層參數(shù)按地勘報(bào)告實(shí)際選取。

2.2 計(jì)算參數(shù)

1)土體的物理力學(xué)參數(shù)。

數(shù)值計(jì)算模型按照實(shí)際分層情況模擬，基坑土體自上而下分為10層;西側(cè)基坑分為9層。為反映初次加載和卸載—再加載之間的剛度差別，基坑開挖過程中土體采用強(qiáng)化巖土模型(HS模型)來模擬，土體的物理力學(xué)參數(shù)按照地勘報(bào)告實(shí)際選取。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)。

既有滬昆鐵路和滬杭客專(Pm37號(hào)墩)邊采用1 200 mm鉆孔灌注樁圍護(hù)和高壓旋噴樁止水帷幕，其余地段采用1 000 mm鉆孔灌注樁圍護(hù)和高壓旋噴樁止水帷幕，基坑內(nèi)坑底采用高壓旋噴樁加固土體。

在平面應(yīng)變計(jì)算中，將樁簡化成樁墻。報(bào)告將空間問題簡化成平面問題計(jì)算，采用對(duì)樁身彈性模量進(jìn)行折減的方法模擬樁。

φ1 000 mm鉆孔灌注樁換算剛度EI=1.667×106kN·m2/m，抗壓剛度EA=2.0×107kN/m。

φ1 200 mm鉆孔灌注樁換算剛度EI=3.629×106kN·m2/m，抗壓剛度EA=3.024×107kN/m。

3)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基坑支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐，φ609 mm鋼管支撐的抗壓剛度EA=5.96×106kN，鋼支撐水平間距為3 m。

1 000 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐的抗壓剛度EA=3.0×107kN，頂部混凝土支撐水平間距為6 m。

4)基坑施工超載。

基坑橫向超載一側(cè)取至Pm37橋墩邊緣，另一側(cè)橫向取15 m范圍，大小為20 kN/m。

2.3 數(shù)值分析工況

在分工況連續(xù)計(jì)算中，位移和應(yīng)力是逐次累加的，上一工況的位移和應(yīng)力將作為下一工況的初始應(yīng)力和位移狀態(tài)?；佑?jì)算工況見表1。

表1 基坑數(shù)值分析工況

2.4 有限元計(jì)算結(jié)果

1)基坑開挖完成、拆除臨時(shí)支撐后土體變形。開挖完成后土體最大橫向位移8.5 mm。開挖完成后土體最大豎向位移17 mm。

2)基坑影響橋墩樁基第一根樁不同特征點(diǎn)隨開挖步驟水平位移曲線見圖1。由圖1可以看出受影響樁基水平位移隨開挖深度增加而加大，第四步開挖完成后水平位移增加至最大值，底板澆筑完成后水平位移有所減少，開挖完成后最大水平位移2 mm。

圖1 基坑影響Pm37號(hào)橋墩第一根樁不同開挖步驟水平位移曲線

圖1中及相關(guān)簡圖中開挖步驟分別為:步驟1:基坑第一次開挖(開挖至第一道混凝土支撐下0.5 m)，并施工第一道支撐。步驟2:基坑第二次開挖(開挖至第二道鋼支撐下0.5 m)，并施工第二道支撐。步驟3:基坑第三次開挖(開挖至第三道鋼支撐下0.5 m)，并施工第三道支撐。步驟4:基坑第四次開挖，并澆筑底撐。步驟5:拆除第三、第二道支撐。

3)基坑影響Pm37號(hào)橋墩第一根樁隨不同開挖步驟豎向沉降曲線見圖2。由圖2可以看出受影響橋墩豎向沉降隨開挖深度增加而加大，第四步開挖完成后沉降值增加至最大值，開挖完成后最大沉降3.4 mm。

圖2 基坑影響Pm37號(hào)橋墩第一根樁不同開挖步驟樁頂豎向沉降曲線

4)基坑開挖完成、拆除臨時(shí)支撐后，左、右側(cè)圍護(hù)樁水平及沉降左側(cè)最大水平位移4 mm、最大沉降約10 mm;右側(cè)最大水平位移2 mm、最大沉降9 mm(右側(cè)樁頂水平位移是由地表超載壓縮土體引起)。

5)基坑開挖完成、拆除臨時(shí)支撐后地表沉降曲線見圖3。其中地表最大沉降17 mm，發(fā)生在均布超載曲線中間部位，基坑斷面左右兩側(cè)部分略微隆起，最大隆起量10 mm，這是由于基坑超載偏壓及坑底隆起共同作用的結(jié)果。

圖3 地表沉降曲線

2.5 結(jié)果分析

1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系及加固方案能保證基坑開挖的安全;基坑開挖對(duì)Pm37號(hào)橋墩承臺(tái)影響較小，基坑安全處于受控狀態(tài)。

2)基坑開挖地表最大沉降量17 mm，基坑左側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移4 mm、最大沉降10 mm;右側(cè)最大水平位移2 mm、最大沉降9 mm。左側(cè)圍護(hù)樁影響略大于右側(cè)，施工中應(yīng)密切關(guān)注基坑超載的影響。

3)數(shù)值分析結(jié)果表明基坑影響區(qū)域橋墩最大水平位移2 mm、最大沉降3.4 mm，設(shè)計(jì)維護(hù)體系滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3 結(jié)語

工程鄰近高鐵橋墩又位于軟土地區(qū)，變形控制難度大，高鐵橋墩對(duì)于變形要求較高，通過有限元方法分析采用鉆孔樁圍護(hù)開挖基坑時(shí)對(duì)鄰近在建高鐵橋墩的影響。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)工程施工的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和影響程度做到了心中有數(shù)，提前預(yù)防。地下工程風(fēng)險(xiǎn)大，地下工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，根據(jù)勘察報(bào)告細(xì)致分析，采用合理的措施保證施工安全，杜絕安全事故隱患。

由于地質(zhì)勘察的特點(diǎn)使地下工程具有不確定性，數(shù)值模擬分析是極難做到完全真實(shí)的反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，需要根據(jù)施工過程中的實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析控制，保證工程安全可靠的實(shí)施。

[1]DG/T J08-61-2010，上海市工程建設(shè)規(guī)范基坑工程技術(shù)規(guī)范[S］.