管樁施工對(duì)堤防穩(wěn)定的影響分析

林悅奇，楊文濱，張旭輝

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省大壩安全技術(shù)管理中心，廣東 廣州 510635)

因廣州市軌道交通十一號(hào)線大塘站施工需要，需臨時(shí)占用新滘中路整幅機(jī)動(dòng)車道及中央綠化帶，為配合交通疏解，需在北側(cè)搭建臨時(shí)鋼便橋跨越大塘涌，但不拆除原橋梁，滿足施工期間新滘中路雙向八車道及人行道通行。擬建鋼便橋設(shè)計(jì)使用年限3.5a，跨徑為2跨14m+14m。擬建工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，所在大塘涌規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇。

管樁施工過(guò)程中產(chǎn)生的擠土效應(yīng)和振動(dòng)對(duì)堤防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響，擠土效應(yīng)使得土的水平應(yīng)力增大，超空隙水壓力急劇變化，破壞堤防土體原有的結(jié)構(gòu);振動(dòng)效應(yīng)會(huì)降低土體的抗剪強(qiáng)度，使得原土體的被動(dòng)抗力減小，容易出現(xiàn)沉降變形等破壞[1-5]。而管樁施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，如采用三維有限元?jiǎng)討B(tài)模擬施工過(guò)程，建模及計(jì)算工作耗時(shí)大，任務(wù)繁重[6]?，F(xiàn)將動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中的施工荷載簡(jiǎn)化，用靜力代替施工荷載，均勻施加到各土層中，求得施工過(guò)程中堤防的穩(wěn)定系數(shù)，可為同類工程提供參考。

1 計(jì)算方法

根據(jù)水文計(jì)算成果，確定鋼便橋所在河涌斷面的特征水位，進(jìn)行有限元平面二維滲流場(chǎng)求解，在滲流計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行土堤坡面穩(wěn)定計(jì)算。求得堤壩未施工前的穩(wěn)定系數(shù)。施工過(guò)程中，將管樁施工時(shí)候的荷載以豎向均布荷載的形式施加在各巖土層，求得施工過(guò)程中堤防的穩(wěn)定系數(shù)。施工后，把便橋的車輛荷載及橋梁自重荷載疊加在堤頂?shù)臉冻信_(tái)上，模擬施工后土堤受力情況，再進(jìn)行滲流穩(wěn)定求解計(jì)算。

平面二維滲流方程：

(1)

式中，H—總水頭，m；kx—x方向滲透系數(shù)，m/s；ky—y方向滲透系數(shù)，m/s；Q—應(yīng)用邊界滲流量，m3/d；θ—土體儲(chǔ)水變化率；t—時(shí)間，s。

等式右端為土體儲(chǔ)水變化率，該方式適用于瞬態(tài)分析；令等式右端等于0，即土體儲(chǔ)水不變時(shí)，即為穩(wěn)態(tài)分析。

穩(wěn)定計(jì)算土層強(qiáng)度采用Mohr-coulomb準(zhǔn)則，根據(jù)GB50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，土堤邊坡抗滑穩(wěn)定采用簡(jiǎn)化畢肖普法求解[7]，滑移面采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑弧的方式計(jì)算確定。簡(jiǎn)化畢肖普計(jì)算公式如下：

K=∑{[(W±V)secα-ubsecα]tanφ+cbsecα}/(1+tanαtanφ/K)/∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(2)

式中，W—土條重量，kN；V—垂直地震慣性力，kN；u—作用于土條地面額空隙壓力，kN/m2；b—土條寬度，m；c—土條地面的有效凝聚力，kN/m2；ψ—有效內(nèi)摩擦角，°；Mc—水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，kN·m；R—圓弧半徑，m。

圖1 鋼便橋剖面圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

鋼便橋剖面圖如圖1所示。根據(jù)已有的地質(zhì)勘察資料，建立右岸、左岸的地層模型，右岸施工前、施工過(guò)程中、施工后計(jì)算模型如圖2～4所示。利用水文計(jì)算成果，考慮了枯水期(低水位)和20a一遇洪水位(高水位)的影響，針對(duì)臨時(shí)鋼便橋下部結(jié)構(gòu)鋼管樁距離堤岸迎水坡的穩(wěn)定影響進(jìn)行分析。廣州位于珠三角河網(wǎng)發(fā)達(dá)地區(qū)，地下水資源豐富，當(dāng)遭遇20a一遇洪水位時(shí)，堤后水位取地面以下1m，枯水期時(shí)，堤后水位取地面以下2m計(jì)算。荷載按橋墩鋼管樁長(zhǎng)沿豎直方向均勻分布進(jìn)行加載，模擬鋼管樁施工時(shí)、施工過(guò)程中及施工后對(duì)堤防穩(wěn)定安全的影響。

圖2 右岸施工前計(jì)算模型

圖3 右岸施工過(guò)程中計(jì)算模型

圖4 右岸施工后計(jì)算模型

根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)鉆孔揭露的土層主要有雜填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及中風(fēng)化粉砂巖。各巖土層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。

根據(jù)JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，鋼便橋?yàn)?級(jí)公路，單跨長(zhǎng)度為14m，寬30.5m，車輛集中荷載Pk=236kN，車輛均布荷載為qx=10.5kN。施工過(guò)程中的靜力均布荷載F=237.36kN，荷載按橋墩鋼管樁的長(zhǎng)度沿豎直方向均勻分布進(jìn)行加載，模擬鋼管樁施工時(shí)對(duì)堤防穩(wěn)定安全的影響。施工后將橋梁自重車輛集中荷載及均布荷載的一半作用到樁基承臺(tái)上，模擬完工后對(duì)堤防穩(wěn)定安全的影響。復(fù)核工況如下：

工況一：施工前，枯水期左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。

工況二：施工過(guò)程中，枯水期左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。

工況三：施工后，枯水期左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。

工況四：施工前，遭遇P=5%洪水時(shí)，左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。

工況五：施工過(guò)程中，遭遇P=5%洪水時(shí)，左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。

工況六：施工后，遭遇P=5%洪水時(shí)，左、右兩岸堤防抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)地勘及測(cè)量數(shù)據(jù)按1∶100進(jìn)行有限元分析模型建模，結(jié)合水文計(jì)算結(jié)果，將相應(yīng)的邊界水位條件附加到模型中，先進(jìn)行二維滲流場(chǎng)求解計(jì)算，再進(jìn)行堤防穩(wěn)定計(jì)算。右岸計(jì)算結(jié)果云圖詳見(jiàn)圖5～12，左岸計(jì)算云圖不再列出，結(jié)果詳見(jiàn)表2。

圖6 右岸枯水期施工前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7 右岸枯水期施工過(guò)程中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖8 右岸枯水期施工后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖9 右岸P=5%二維滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖10 右岸P=5%施工前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖11 右岸P=5%施工過(guò)程中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖12 右岸P=5%施工后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)擬定的工況有限元滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，匯總整理見(jiàn)表2。

表2 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

便橋施工前，左岸枯水期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.423，右岸枯水期安全系數(shù)K為1.486；左岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.873，右岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.047。便橋施工過(guò)程中，左岸枯水期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.257、較施工前下降11.67%，右岸枯水期安全系數(shù)K為1.267、較施工前下降14.74%；左岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.483，較施工前下降20.82%，右岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.624，較施工前下降20.66%。便橋施工后，左岸枯水期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.086，右岸枯水期安全系數(shù)K為1.936；左岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.529，右岸P為5%抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為2.323。

根據(jù)GB50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，4級(jí)堤防采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.25。鋼便橋施工過(guò)程中，堤防在擬定工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有一定下降，但堤防抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)仍滿足規(guī)范要求。

擬建工程施工過(guò)程中，左右岸大堤迎水坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)略有降低，但是各工況下的抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，施工后鋼管樁基礎(chǔ)對(duì)大堤穩(wěn)定性產(chǎn)生有利影響。因此，擬建工程的建設(shè)不會(huì)危及堤防安全。

4.2 建議

施工過(guò)程中堤防安全系數(shù)有一定下降，管樁施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)施工區(qū)域觀測(cè)。對(duì)施工區(qū)域內(nèi)水位變化情況、土體垂直方向和水平方向的變形情況進(jìn)行觀測(cè)，減小施工過(guò)程由擠土效應(yīng)對(duì)堤防結(jié)構(gòu)的不利影響，合理設(shè)置振動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行信息化施工，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工。優(yōu)化管樁施工工期，控制壓樁速率和時(shí)間，使施工區(qū)域內(nèi)土層應(yīng)力得到有效釋放，減小對(duì)堤防土體的擾動(dòng)。