膨脹土樁基施工對緊鄰管道受力變形的影響

劉 巍，劉 瓊

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)及“一帶一路”戰(zhàn)略的實施與推進，云南地區(qū)在建高速公路達數(shù)千公里。橋梁架設(shè)技術(shù)從根本上解決了山區(qū)路網(wǎng)建設(shè)跨越山澗、河流的問題。鉆孔灌注樁作為山區(qū)橋梁的重要組成結(jié)構(gòu)，具有承載力高、施工噪音小、振動

小、抗震性能好等優(yōu)點[1]。

云南為我國連接緬甸、老撾等國的樞紐站，其國際燃氣、石油管道眾多。橋梁樁基緊鄰國際管線施工的情形時有發(fā)生，地下管線一般屬于淺埋基礎(chǔ)設(shè)施，在使用過程中對周圍土體的位移變化及上部荷載較為敏感。樁基施工勢必打破樁周土體初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起土體沉降或隆起，嚴重危及臨近管線的安全[2]。膨脹土吸水膨脹的特性，以及樁基施工的復雜性和隱蔽性，均急劇增加了膨脹土樁基施工自身安全風險和周邊環(huán)境保護風險。

因此，研究云南膨脹土樁基施工對鄰近管道的影響，具有重要的理論及實踐價值。

1 工程概況

保山東南繞城項目起點位于保山市隆陽區(qū)辛街鄉(xiāng)馬家莊附近，起點樁號為K26+800，途經(jīng)馬家莊、汪家寨、馬吃水、橫巷、老背溝至黑泥田與杭瑞高速公路合并，終點樁號K37+517.64，路線全長10.717 64 km。主線合計橋梁12座，胡家坡大橋為跨越山間盆地和中緬石油管道而設(shè)，其中管道與橋梁斜交，位于1#墩與3#墩之間。故1#、2#、3#墩設(shè)計為門架墩，且蓋梁為預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；其中1#、3#墩為V型剛構(gòu)，樁頂最大垂直力為5 905 kN；2#墩為大跨徑簡支結(jié)構(gòu)，柱頂設(shè)置有盆式橡膠支座，樁頂最大垂直力為6 250 kN，管道從2#門架墩正下方斜向穿過 ，胡家坡大橋樁基結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 樁基結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2 橋址土體工程特性試驗研究

2.1 膨脹土判別方法

對膨脹土的判別，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)特征及土的自由膨脹率等指標綜合判定，目前，鐵路、公路和建筑行業(yè)對膨脹土工程特性指標選取和評判方法不完全相同。本文通過總結(jié)歸納現(xiàn)有規(guī)范及國內(nèi)外相關(guān)研究成果，綜合考慮膨脹土的壓實性狀和強度特征，并結(jié)合云南保山東南繞城高速公路施工特點，確定土體液限、塑性指數(shù)及自由膨脹率、總脹縮率和<0.005 mm黏粒含量為膨脹土體判別指標[3-5]，綜合評價指標及方法詳見表2。

表2 公路膨脹土潛勢等級判定方法表

2.2 橋址膨脹土工程特性分析

2.2.1 自由膨脹率

膨脹土的自由膨脹率(δef)是指將膨脹土樣經(jīng)過粉碎風干后一定體積的松散土粒浸泡于水中，在沒有任何限制條件下經(jīng)充分吸水膨脹后產(chǎn)生自由膨脹，體積增大，試樣膨脹穩(wěn)定后所增加的體積與初始體積的百分比。試驗室取三組干土試驗分別進行自由膨脹率試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 自由膨脹率的測定數(shù)據(jù)表

由上述試驗結(jié)果可知，三組試驗自由膨脹率分別為53%、50%、53%，平均自由膨脹率為52%，則可初步判定為弱膨脹土。

2.2.2 液塑限試驗

項目試驗室采用圓錐質(zhì)量為76 g的液塑限聯(lián)合測定儀，測量胡家坡橋址處土體在不同含水量時的圓錐入土深度，并繪制其關(guān)系直線圖，圓錐下沉深度為17 mm所對應(yīng)的含水量即為該土體液限，圓錐下沉深度為2 mm所對應(yīng)的含水量即為塑限。取三組土樣進行試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 土體液塑限試驗結(jié)果表

2.2.3 黏粒含量試驗

以胡家坡大橋土體作為試驗對象，選取三個不同勘探孔土體進行黏粒含量試驗。試驗室擬采用密度計法測定直徑<0.005 mm的黏粒含量，密度計法測定土顆粒分析方法適用于粒徑<0.075 mm的試樣，實驗過程中采用六偏磷酸鈉作分散劑，控制易溶鹽含量使其<0.5%。試驗結(jié)果見表5。

表5 黏粒含量試驗結(jié)果表

2.2.4 脹縮總率

脹縮總率能反映膨脹土黏土礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，在一定條件下，它是膨脹土比較穩(wěn)定的屬性指標，同時也是工程上有實用價值的重要指標，因而也可作為膨脹土的判別指標。根據(jù)脹縮總率計算公式，計算胡家坡大橋膨脹土的脹縮總率為1.3。

綜上所述，胡家坡大橋膨脹土的各項指標均屬弱膨脹土標準范圍，因此，該區(qū)域土體為弱膨脹土。施工過程中應(yīng)重點考慮弱膨脹土的工程特性，結(jié)合弱膨脹土樁基施工經(jīng)驗，采取預防措施或改良方式，確保胡家坡大橋樁基施工質(zhì)量及安全。

3 膨脹土樁基施工數(shù)值分析

3.1 樁周土體變形機理分析

膨脹土樁基成孔屬于卸載過程，隨著成孔深度增加，勢必打破初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，迫使樁周土體向樁孔中心移動，最終導致周邊土體沉降與水平位移。樁周土體因吸水產(chǎn)生膨脹力，進而增加樁周土體側(cè)向位移。混凝土初凝之前可認為是流體，隨著混凝土灌注過程的不斷推進，孔內(nèi)混凝土對樁周土體產(chǎn)生側(cè)向壓力，其與土壓力、膨脹力未達到新的平衡之前，樁周土體繼續(xù)產(chǎn)生水平位移及沉降變形。

胡家坡大橋均采用低承臺，即先開挖承臺基坑，再澆筑混凝土至原設(shè)計標高。承臺基坑降水過程使降水深度土體空隙內(nèi)水分減少，空隙水壓力減小。隨著土體產(chǎn)生固結(jié)作用不斷深入，土體孔隙體積不斷減小，土體產(chǎn)生變形。承臺開挖時，墻體內(nèi)側(cè)卸去原有土壓力使墻外側(cè)承受主動土壓力，坑底墻體內(nèi)側(cè)受全部或部分被動土壓力，因此墻體將在兩側(cè)壓力差作用下產(chǎn)生變形和位移[6]。

3.2 三維模型建立

胡家坡大橋承臺尺寸為8 m×8 m×3 m，樁長為45 m，管道間距為10 m，基坑開挖主要影響范圍為開挖深度的1～3倍，因此，選取場地范圍50 m×30 m×80 m(長寬高)的區(qū)域建立三維模型。承臺、樁體和土層均采用3D實體單元，石油、燃氣管道采用2D板單元。承臺區(qū)域范圍內(nèi)單元尺寸為0.5 m×0.5 m，模型的單元尺寸為1 m×1 m，石油管道和燃氣管道網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m，總單元數(shù)量為379 340個，總結(jié)點數(shù)量為61 956個。

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況將三維模型的邊界條件設(shè)定為模型下部加設(shè)Z方向位移約束，模型前后兩面加設(shè)Y方向約束，模型左右兩面加設(shè)X方向約束。三維數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 整體模型、管道與樁基空間位置示意圖

模型區(qū)域范圍內(nèi)土層起伏不斷，根據(jù)石油、燃氣管道相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)以及工程地質(zhì)資料將土層進行適當簡化，主要劃分為粉質(zhì)黏土①、黏土②、黏土③、泥質(zhì)灰?guī)r④、泥質(zhì)灰?guī)r⑤等，土層計算參數(shù)取值主要根據(jù)地質(zhì)勘察資料和工程經(jīng)驗綜合確定，詳見下頁表6。

表6 土層參數(shù)表

注：帶*的為經(jīng)驗值

3.3 施工階段劃分

在實際工程中，樁基施工并不是一次施工完成的，而是遵循成樁順序逐一進行施工，最后完成承臺施工。鉆孔灌注樁施工時，由于模型區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場和位移場隨著施工過程不斷改變，因此，模型中設(shè)定的荷載值和位移邊界條件也應(yīng)隨開挖過程不斷變化。為了盡量符合現(xiàn)場施工情況，采用有限元軟件中的鈍化和激活功能，即通過激活網(wǎng)格單元和鈍化網(wǎng)格單元來改變其荷載值和邊界條件，具體實施步驟為：

(1)建立初始地應(yīng)力場分析，激活所有土體網(wǎng)格、位移邊界和荷載。僅考慮應(yīng)力場的影響，不考慮位移場的作用，并進行位移清零設(shè)置。

(2)施作石油管道和燃氣管道，即激活石油、燃氣管道的網(wǎng)格單元。

(3)位移清零，僅考慮應(yīng)力場的影響。

(4)1#樁成孔，灌注混凝土，即鈍化1#樁土體，激活1#樁單元網(wǎng)格。

(5)重復步驟(4)完成所有灌注樁施工。

(6)開挖承臺基坑，灌注混凝土，即鈍化承臺土體，激活承臺混凝土網(wǎng)格單元。

3.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)胡家坡大橋現(xiàn)場實際情況，模擬膨脹土樁基施工過程，計算臨近管道的受力及變形，計算結(jié)果如表7所示。

由上表可知，樁基施工誘使管道發(fā)生豎向及水平變形，累計變形為0.9 mm。管道水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力均處于較低水平，樁基施工對管道受力影響較小，管道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.5 樁頂荷載對管道的影響

胡家坡大橋樁基主要承受墩柱、重型蓋梁、梁板等自重。借助原整體三維數(shù)值模型，對樁頂進行三階段加載模擬(墩柱自重、墩柱+蓋梁自重、墩柱+蓋梁+梁板自重)，分析樁頂軸向荷載對鄰近管道受力變形的影響，計算結(jié)果如表8所示。

由表8可知，樁頂荷載對鄰近管道的受力變形基本沒影響。

4 結(jié)語

本文以胡家坡大橋為工程背景，綜合分析橋址膨脹土的工程特性?；诨炷翗?、樁周土體和泥漿作用機理，從樁基成孔、灌注水下混凝土和承臺開挖等方面，計算樁基施工過程對孔壁產(chǎn)生的附加壓力。借助MIDAS/GTS有限元軟件建立以樁基、土體和管道為整體的三維數(shù)值模型，模擬樁基施工對石油管道、燃氣管道受力變形的影響。主要結(jié)論如下：

表7 模型計算結(jié)果統(tǒng)計表

表8 樁頂荷載對管道受力變形結(jié)果統(tǒng)計表

(1)橋址區(qū)域土體脹縮總率為1.3，平均自由膨脹率為52%，土樣平均液限均>40%且<65%，<0.005 mm的黏粒含量達34%，故該區(qū)域土體屬于弱膨脹土；

(2)樁基施工誘使管道發(fā)生豎向及水平變形，累計變形為0.09 mm。管道水平應(yīng)力及豎向應(yīng)力均處于較低水平，樁基施工對管道受力影響較小，管道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。樁周土體沉降變形隨距離增加逐漸減小，樁基施工過程應(yīng)確保樁基與臨近管道的水平距離，最小應(yīng)為5 m；