橋梁樁基受鄰近開挖影響的數(shù)值模擬研究

姚 競 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

有限的地面空間日漸無法滿足人類交通建設(shè)工程和城市建筑事業(yè)不斷發(fā)展壯大的需求，人們開始尋求向地下和高空的發(fā)展空間。當鄰近有基坑開挖時的建筑、道路橋梁等的樁基礎(chǔ)將不同程度地會受到土層變動的影響而產(chǎn)生不良響應(yīng)，由此而引發(fā)的工程事故越來越多，越來越得到工程界的重視。本文著眼于橋梁樁基受鄰近基坑開挖的影響，利用FLAC3D建立了實際工程的三維仿真模型，主要考察了橋梁樁基在鄰近基坑放坡明挖情況下的偏位情況和內(nèi)力（彎矩）變化規(guī)律。

1 工程背景

背景工程是某船閘擴建工程，由節(jié)制閘、船閘及魚道等組成，包括節(jié)制閘和船閘互通公路橋兩部分。其中，公路橋采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩、臺基樁均按摩擦樁進行設(shè)計。

閘址區(qū)屬長江及其支流沖積平原區(qū)，根據(jù)地表測繪和鉆孔揭露，其各層土體參數(shù)見表1。

求解區(qū)域內(nèi)各層土體參數(shù) 表1

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算網(wǎng)格

圖1 鄰近橋樁的基坑開挖現(xiàn)場

圖2 計算模型網(wǎng)格圖

圖3 各步開挖完成后的橋樁位移圖

圖4 差異水平位移圖

模型幾何尺寸為90m×32m×70m，見圖2，包括19680個單元、22185個單元節(jié)點。

圖5 差異沉降圖

圖6 全部開挖完成后的橋樁彎矩圖

圖7 全部開挖完成后的橋樁剪力圖

2.2 基坑分步開挖的模擬

為了更貼近實際工況，并減小大量土體瞬間卸荷對地層的擾動，采用model null命令共分5步、每步2m深完成對總深度為10m的開挖工作的模擬。在初始平衡求解后分別對各步開挖執(zhí)行求解，最終經(jīng)過32791的循環(huán)計算步達到了收斂標準而結(jié)束計算。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 橋樁的位移

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：橋樁最大位移的發(fā)生部位隨開挖推進逐漸沿樁身下移，最大位移為14.17cm，發(fā)生在樁頂以下約32m處。其中，第二步和第四步，即地表以下2m~4m及6~8m范圍土層的開挖完成后，橋樁位移較上一步顯著增大。

由于橋樁頂部設(shè)有系梁，使得兩根橋樁的差異位移同樣不容忽視。由圖4、圖5可以看出：最大差異水平位移在第三步開挖完成后達到最大值，為7.45mm；差異沉降值則較為可觀，最大為24.23mm，發(fā)生在第四步開挖后，可能引起樁頂系梁的剪切破壞，應(yīng)引起足夠的重視。

2.3.2 橋樁的彎矩

分析圖6可得知：

①樁身同時分布著正彎矩和負彎矩，樁身某些部位存在反彎點（即此處彎矩為0）。至全部開挖完成，正彎矩達到最大值3134kN·m（抗彎驗算強度值為3671kN·m），發(fā)生在樁頂以下約32m深處，與上文計算得出的樁基最大位移的位置一致。其中，正彎矩（即圖中黑色陰影所顯示部分）表示樁體向基坑內(nèi)側(cè)翹曲。

②兩根樁基的彎矩相差不大，分布形式、變化趨勢以及反彎點位置等都大體一致。但從數(shù)值上看，無論正彎矩還是負彎矩，圖中左側(cè)（即遠離基坑側(cè)）樁基都要稍小于右側(cè)樁基。分析認為，這是近基坑側(cè)樁基的存在對其背側(cè)土體起到了一定的支擋圍護作用。

2.3.3 橋樁的剪力

分析圖7可以看出：

①左、右兩側(cè)兩根基樁的剪力大小、方向及其隨開挖推進的變化趨勢都基本相同。剪力沿樁身呈正、負交替變化的復(fù)雜形態(tài)，說明樁基在樁身中部附近土體主動土壓力和樁底周圍土體嵌固圍護的共同作用下，處于一種近似雙向受剪的受力狀態(tài)。

②至全部開挖完成，最終的剪力沿樁身向下呈糖葫蘆狀分布，正負剪力的最大值分別出現(xiàn)在樁頂以下15.5m和樁底以上5m的位置，在這些部位都應(yīng)加強對箍筋的配置，以提高樁基抗剪能力。

3 結(jié)論與建議

①橋樁偏位以水平位移為主，最大位移的發(fā)生部位隨著開挖步數(shù)的推進逐漸沿樁身下移，至開挖全部完成后，在樁身中部靠下部位（樁頂以下32m）出現(xiàn)最大值，為14.17cm。其中，第二和第四層，即地表以下2m~4m及6m~8m范圍土層的開挖完成后，橋樁位移較上一步顯著增大。建議在這兩層土體的開挖時，實施更細致的分層分塊開挖方案，以減少開挖對橋樁位移的影響，如將原來2m深的開挖深度再細分為2層、3層或更多層進行開挖，每層再進行分塊開挖。

②樁頂差異沉降相對于差異水平位移始終處于較高水平，最大為24.23mm，可能引起樁頂系梁的剪切破壞，發(fā)生在地表以下6m~8m土層的開挖過程中，建議在該步施工前后采取相應(yīng)的針對樁頂系梁的保護或加固措施。

③最大彎矩值為3134kN·m，發(fā)生在樁頂以下約32m處，接近抗彎驗算強度值為3671kN·m，此處為樁體內(nèi)的一個相對薄弱的位置。此外，剪力沿樁身呈糖葫蘆狀分布，在樁頂以下15.5m和樁底以上5m的位置分別達到最大值，這兩處也為樁基的薄弱位置。在設(shè)計時應(yīng)注意對樁基這些薄弱位置進行抗彎和抗剪驗算，根據(jù)需要決定是否增加箍筋和抗彎鋼筋的配置。

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