下穿橋梁樁基礎(chǔ)管溝開(kāi)挖對(duì)樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性的影響分析

易明清 胡士克

（1.廣元市交通投資集團(tuán)有限公司， 四川 廣元 628000；2.西南交通大學(xué)交通安全技術(shù)研究院， 四川 成都 610031）

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)輸需求的持續(xù)增加，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸深入各類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，這為工程設(shè)施建設(shè)帶來(lái)了新的難題和挑戰(zhàn)。在巖土體內(nèi)施工新建地下結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，破壞其原有應(yīng)力狀態(tài)并使其產(chǎn)生位移變形，這會(huì)對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)物和環(huán)境產(chǎn)生影響，若不采取對(duì)應(yīng)措施，在施工工程中就可能會(huì)對(duì)既有建筑物產(chǎn)生不利影響。依托達(dá)州市某天然氣管道管溝開(kāi)挖橋梁下穿工程，構(gòu)建了管溝開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模型，基于該數(shù)值模型，研究管溝開(kāi)挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，并分析了橋樁的豎向和水平位移，對(duì)管溝開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的安全性影響做出了判斷[1-4]。

1 工程概況

某天然氣管道工程穿越高速公路，采用箱涵方式穿越，管道與橋梁正交，管溝開(kāi)挖與橋梁樁基具體位置關(guān)系見(jiàn)圖1。橋梁下部構(gòu)造采用柱式墩、挖孔樁基礎(chǔ)，墩徑1.2m、樁徑1.3m。管道設(shè)計(jì)中心線分別距離芭蕉村大橋1#墩、2#墩中心線8m 和12m，開(kāi)挖深度3.4m、開(kāi)挖寬度3.2m，管溝開(kāi)挖參數(shù)見(jiàn)圖2。開(kāi)挖豁口與墩柱凈距分別為5.8m（1#）、9.8m（2#）。

圖1 管溝開(kāi)挖與橋梁樁基礎(chǔ)位置關(guān)系圖

圖2 管溝開(kāi)挖參數(shù)圖

2 模型的建立

2.1 計(jì)算模型的建立

建立數(shù)值模型，模型高度分別按照現(xiàn)場(chǎng)坡度尺寸，高度方向分別取46.5m、35.7m、20.5m 和26.5m，寬度方向97m，長(zhǎng)度方向35m。開(kāi)挖豁口與墩柱凈距分別為5.8m、9.8m，開(kāi)挖深度3.4m、開(kāi)挖寬度3.2m。模型邊界條件頂面為自由面，左右和前后邊界固定水平方向約束，底面固定豎向位移，如圖3 所示。

圖3 模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算時(shí)，管溝、圍巖本構(gòu)關(guān)系均選擇理想彈塑性摩爾～庫(kù)倫準(zhǔn)則，樁基礎(chǔ)選擇線彈性模型作為本構(gòu)模型。實(shí)際計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算過(guò)程

計(jì)算過(guò)程分為三步。包括：初始應(yīng)力場(chǎng)的生成、樁基礎(chǔ)的開(kāi)挖及生成、管溝的開(kāi)挖。

初始應(yīng)力場(chǎng)：直接施加重力計(jì)算至平衡，平衡后清零速度場(chǎng)和位移場(chǎng)；

樁基礎(chǔ)的開(kāi)挖及生成：按照1m 進(jìn)尺開(kāi)挖樁孔，并在孔內(nèi)施加泥漿壓力，泥漿重度按照11.9kN/m3取值。完畢后，按照1m 進(jìn)尺生成C35 混凝土樁基礎(chǔ)。并清零速度場(chǎng)和位移場(chǎng)；

管溝開(kāi)挖：按照1m 進(jìn)尺開(kāi)挖管溝，混凝土箱涵設(shè)置進(jìn)尺落后管溝5m。分別在樁身設(shè)置水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并計(jì)算至平衡。

3 樁基礎(chǔ)變形控制值確定

在管溝開(kāi)挖前，依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，樁頂（承臺(tái)）水平位移允許值，當(dāng)以位移控制時(shí)，可取10mm（對(duì)水平位移敏感的結(jié)構(gòu)物取6mm）。建筑物高度≤20m 時(shí)，樁基整體傾斜允許值為0.8%。擬對(duì)橋梁樁頂、承臺(tái)水平位移控制值為6mm，樁身水平位移控制值為10mm，橋樁傾斜控制值為0.8%。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，墩頂頂面水平位移控制值為，L 為相鄰墩臺(tái)間最小跨徑（m）。結(jié)合類(lèi)似工程案例，擬定橋墩/承臺(tái)豎向位移控制值為10mm，相鄰橋墩頂面水平位移控制值為28mm。依據(jù)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》，當(dāng)墩身高度滿足5m＜墩身高度≤60m 時(shí)，全高豎直度應(yīng)≤0.1%H 且≤20mm。擬定橋墩傾斜控制值為0.1%。具體控制指標(biāo)見(jiàn)表2[5-7]。

表2 橋樁各測(cè)項(xiàng)監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)

4 結(jié)果分析

本文分析側(cè)重考慮管溝開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基的影響，分別評(píng)價(jià)樁頂水平位移、樁頂豎向位移、樁身水平變形。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如下：

（1）樁身水平變形

管溝開(kāi)挖完成后樁基礎(chǔ)X 向（垂直于管溝開(kāi)挖方向）位移云圖如圖4 所示。由圖4 可知，管溝開(kāi)挖完成后，1～8 號(hào)樁X 向變形較小，兩側(cè)樁向管溝內(nèi)傾斜變形。1～4 號(hào)樁變形稍大于5～8 號(hào)樁。其中X 向最大位移出現(xiàn)在4 號(hào)樁樁底附近，最大位移為2.18×10-3m，小于樁身變形控制標(biāo)準(zhǔn)，表明管溝開(kāi)挖對(duì)橋樁變形影響處于可控范圍內(nèi)。

圖4 樁基礎(chǔ)X 向位移云圖

管溝開(kāi)挖完成后，樁基礎(chǔ)Z 向（平行于管溝開(kāi)挖方向）位移云圖如圖5 所示。由圖5 可知，管溝開(kāi)挖完成后，1～8 號(hào)樁均產(chǎn)生Z 正向（順坡向）位移。5～8 號(hào)樁變形稍大于1～4 號(hào)樁。5～8 號(hào)樁中8 號(hào)樁變形最大達(dá)到4.6×10-3m；1～4 號(hào)樁中，4號(hào)樁變形最大達(dá)到3.0×10-3m。1～8 號(hào)樁樁身水平變形均處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，表明管溝開(kāi)挖對(duì)樁基礎(chǔ)變形可控。

圖5 樁基礎(chǔ)Z 向位移云圖

（2）樁身豎向位移

由圖6 樁豎向位移云圖可知，管溝開(kāi)挖完成后1～8 號(hào)樁均產(chǎn)生下沉位移，1～4號(hào)樁下沉位移大于5～8 號(hào)樁下沉位移。其中4 號(hào)樁下沉位移最大，達(dá)到了4.88×10-3m，5 號(hào)樁下沉位移最小為1.3×10-3m。1～8 號(hào)樁樁身豎向位移均處于控制范圍內(nèi)，說(shuō)明因管溝開(kāi)挖而導(dǎo)致的樁豎向位移可控。

圖6 樁基礎(chǔ)豎向位移云圖

（3）樁頂水平位移、豎向位移

管溝開(kāi)挖完畢后，橋梁1～8 號(hào)樁樁頂水平位移、樁頂豎向位移見(jiàn)表3。

表3 管溝開(kāi)挖完畢后1～8 號(hào)樁樁頂水平位移、豎向位移

由上表可知，管溝開(kāi)挖完畢后，1～8 號(hào)樁水平位移、豎向位移均符合控制指標(biāo)要求，傾斜率也符合控制指標(biāo)要求，管溝開(kāi)挖對(duì)1～8 號(hào)樁影響不大。

5 結(jié)論

（1）管溝開(kāi)挖完成后，1～8 號(hào)樁X 向變形較小，兩側(cè)樁向管溝內(nèi)傾斜變形。1～4 號(hào)樁變形稍大于5～8 號(hào)樁。其中X 向最大位移出現(xiàn)在4 號(hào)樁樁底附近，最大位移為2.18×10-3m，小于樁身變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）1～8 號(hào)樁均產(chǎn)生Z 正向（順坡向）位移。5～8 號(hào)樁變形稍大于1～4 號(hào)樁。5～8 號(hào)樁中8 號(hào)樁變形最大達(dá)到4.6×10-3m；1～4 號(hào)樁中，4 號(hào)樁變形最大達(dá)到3.0×10-3m。1～8 號(hào)樁樁身水平變形均處于控制標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)。

（3）1～8 號(hào)樁均產(chǎn)生下沉位移，1～4 號(hào)樁下沉位移大于5～8 號(hào)樁下沉位移。其中4 號(hào)樁下沉位移最大，達(dá)到了4.88×10-3m，5 號(hào)樁下沉位移最小為1.3×10-3m。1～8 號(hào)樁樁身豎向位移均處于控制范圍內(nèi)。

（4）綜合以上分析說(shuō)明，管溝開(kāi)挖完畢后，1～8 號(hào)樁水平位移、豎向位移均符合控制指標(biāo)要求，傾斜率也符合控制指標(biāo)要求，管溝開(kāi)挖對(duì)1～8 號(hào)樁影響不大。在規(guī)范施工的前提下，管溝開(kāi)挖對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響較小。