航道開挖對上跨橋梁樁基影響及控制措施研究

谷雷雷，李鋒，谷素兵，韓海，楊貝貝

（1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.海寧市港航管理服務(wù)中心，浙江 海寧 314400；3.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.浙江鼎盛交通建設(shè)有限公司，浙江 紹興 312069）

1 引言

作為國家級重點水運項目以及海寧市“兩橫兩縱一連”骨干航道網(wǎng)中的重要一縱，京杭運河二通道海寧段由北向南依次穿越杭海城際鐵路、滬杭高鐵、滬杭高速公路和東西大道，沿線新建7 座橋梁。在海寧深厚軟土場地進行航道開挖，土體卸荷效應(yīng)對鄰近橋梁樁基的影響，勢必會進一步影響上跨橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，分析和控制航道開挖對上跨橋梁樁基的影響成為軟土地區(qū)水運工程建設(shè)的主要問題。

當前，針對大面積土體卸載對鄰近建筑物樁基的影響特性，國內(nèi)學者進行了相關(guān)的研究與探索并取得了很好的成果。沈建芳等[1]利用MIDAS GTS NS 三維有限元分析軟件研究了寧波軟土地區(qū)U 形槽開挖對鄰近橋梁樁基的變形影響。劉穎[2]以上海虹橋三角形基坑開挖為背景，采用數(shù)值模擬手段，對軟土地區(qū)深大基坑施工過程中的力學性能和變形規(guī)律開展了系統(tǒng)研究。陳卓有[3]采用有限元軟件MIDAS 對基坑開挖時鄰近的建筑物的樁基礎(chǔ)變形情況進行了分析，并結(jié)合實際工程模擬分析了樁承臺在基坑開挖過程中對已有建筑樁基礎(chǔ)的水平承載性能的影響。張樂樂[4]以上海浦東國際機場新建長時停車庫連接匝道工程為背景，采用MIDAS GTS NX 研究了新建非對稱基坑開挖對鄰近地鐵樁基變形的影響規(guī)律。張奇[5]等依托玉溪市紅塔大道綜合管廊下穿昆玉高速公路橋梁工程為例，運用數(shù)值軟件分析基坑開挖對鄰近橋梁樁基的影響，結(jié)果表明，深基坑開挖將使鄰近橋梁樁基產(chǎn)生附加變形及附加內(nèi)力。然而，針對這種處在深厚軟土層中的土體開挖對超長樁基承載性狀影響的研究相對較少[6，7]，尤其是針對航道開挖對上跨橋梁樁基結(jié)構(gòu)的影響研究更是少見?；诖?，以京杭運河二通道典型橋梁工程為研究對象，采用數(shù)值方法分析航道直接開挖和采取支護結(jié)構(gòu)的航道開挖對上跨橋梁樁基的影響，對航道開挖控制措施效果進行評價，其研究結(jié)果可為后續(xù)相類似的工程及施工提供參考依據(jù)。

2 工程概述

東西大道公路橋是為了保證航道通航凈空的新建波形鋼腹板連續(xù)箱梁特大橋。京杭運河二通道新開挖航道緊鄰東西大道大橋橋梁主墩，新開挖航道挖深約8.4 m，橋梁配跨8×25 m+（60 m+100 m+60 m）+8×25 m，橋梁全長620 m，橋梁寬2×17.25 m，左右幅橋梁間隔0.5 m。橋墩承臺樁基為直徑1.8 m 的鉆孔灌注樁，樁長83 m，每個承臺下對稱布置8 根鉆孔灌注樁，分兩排布置，雙排樁水平中心距4.8 m、豎直中心距4.5 m。航道縱斷面及橋梁樁基俯視圖如圖1 所示。

圖1 航道縱斷面及橋梁樁基俯視圖

工程地處浙北平原區(qū)屬杭嘉湖沖湖積平原，地形平坦。地層按成因類型自上而下可分為：①粉質(zhì)黏土（），灰黃色，土質(zhì)均勻，平均層厚為1.8 m；②淤泥質(zhì)黏土（），灰色，流塑狀，平均層厚為5.8 m；③粉質(zhì)黏土（），青灰黃色，軟塑狀，平均層厚為45 m；④粉砂（），青灰色、灰色，密實狀，平均層厚為14.3 m；⑤1中風化泥質(zhì)粉砂巖（K1c），棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，錘擊易碎；⑤2中風化砂礫巖（K1c），紫紅色，砂礫質(zhì)結(jié)構(gòu)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)。兩者平均層厚為33.1 m。

3 航道開挖模擬計算

3.1 計算模型

根據(jù)東西大道橋工程地質(zhì)條件及航道開挖施工工況，以航道縱斷面及橋梁樁基俯視圖為基準，采用FLAC 3D 建立三維有限元模型，針對新開挖航道對鄰近東西大道橋橋梁主墩的影響問題進行模擬分析。數(shù)值計算模型如圖2 所示。模型順橋向（X 向）長160 m，橫橋向（Y 向）寬40 m，豎（Z 向）深110 m，承臺和樁基參數(shù)與現(xiàn)場一致。模型前后左右約束其相應(yīng)的法向位移，底部采用固定邊界條件。

圖2 數(shù)值計算模型圖

數(shù)值模擬分別考慮航道直接開挖和先采取支護結(jié)構(gòu)再進行航道開挖兩種不同的施工工藝。土體及橋墩承臺、樁基、支護結(jié)構(gòu)均采用實體單元模擬，可采用排樁與地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進行支護，支護結(jié)構(gòu)深12 m，寬0.8 m。模型共劃分單元1 636 816 個，節(jié)點916 169 個。

3.2 模型本構(gòu)及參數(shù)

航道開挖數(shù)值計算中，軟土采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，該模型參數(shù)較少且能夠采用常規(guī)的土工試驗獲得。樁、承臺以及支護結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，樁-土界面采用庫侖剪切本構(gòu)模型。土體開挖采用空單元模型進行模擬。

數(shù)值計算土體參數(shù)根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)勘察資料確定，如表1 所示。樁土界面參數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗取值，樁土界面的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ 取與樁相鄰?fù)翆拥酿ぞ哿蛢?nèi)摩擦角的0.5 倍，接觸面的法向剛度Kn和剪切剛度Ks特征值均為6.7×109Pa/m，取接觸面相鄰區(qū)域“最硬”土層的等效剛度的10 倍，即：

表1 研究區(qū)巖土體物理力學參數(shù)

式中，K 為體積模量；G 為剪切模量；ΔZmin為接觸面法向方向上連接區(qū)域上最小尺寸。

3.3 計算步驟

為了模擬實際施工過程航道開挖對東西大道橋某主墩橋梁樁基的影響，采用分步施工的方式進行計算（通過激活與鈍化對應(yīng)單元實現(xiàn)）。分別考慮航道土體直接開挖與先采取支護結(jié)構(gòu)再進行土體開挖兩種施工條件。

土體直接開挖模擬過程為：

1）原地基（初始應(yīng)力場分析，位移清零）；

2）打入樁基（激活樁基單元）；

3）航道土體開挖。

先支護再開挖模擬過程為：

1）原地基（初始應(yīng)力場分析，位移清零）；

2）打入樁基（激活樁基單元）；

3）進行排樁或地連墻支護（激活支護單元）；

4）航道土體開挖。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 航道直接開挖

圖3 為航道直接開挖后趨于穩(wěn)定時橋梁樁基水平偏移云圖。航道開挖引起周圍巖土體的卸載效應(yīng)，改變了原始土體應(yīng)力平衡狀態(tài)，在樁基作用下，周圍巖土體自身進行重新平衡，這一階段巖土體應(yīng)力重新分布，同時造成巖土體的位移，而橋梁樁基處于這種自我平衡而運動的巖土體中，勢必會產(chǎn)生變形。

圖3 航道直接開挖樁基水平偏移云圖（單位：m）

圖4 為航道直接開挖后各樁樁頂水平偏移曲線。航道開挖以后各樁樁頂水平偏移量隨著時間步的增加而逐漸增大。當平衡時，由圖3 與圖4 可以明顯看出，樁體最大變形發(fā)生在樁基中部（距樁頂距離大約40 m 處），偏轉(zhuǎn)位移約為32.89 mm，而樁基頂部偏轉(zhuǎn)位移約為14.30 mm，出現(xiàn)在1 號樁位置。這是由于航道開挖以后，鄰近開挖處一側(cè)的承臺裸露在外面，在土體運動作用下，帶動著承臺一起向著坑內(nèi)一側(cè)傾斜，致使鉆孔灌注樁向著坑內(nèi)偏斜。鑒于航道開挖深度遠小于樁基長度，采取支護手段對樁基變形控制的影響深度主要在開挖深度以內(nèi)，其中樁頂變形控制效果最為明顯，因此，重點對樁基頂部變形進行分析。

圖4 航道直接開挖各樁樁頂水平偏移曲線圖

4.2 先支護再開挖

圖5 為先支護再開挖趨于穩(wěn)定時航道樁基水平偏移云圖。由圖5 可知，土體大面積卸載后，在支護結(jié)構(gòu)作用下，開挖導(dǎo)致土體向著坑內(nèi)一側(cè)滑動的效應(yīng)逐漸被抵消，樁基樁頂偏移僅為4.95 mm，樁身樁基中部最大變形約為33.80 mm。這說明支護結(jié)構(gòu)的存在，主要影響樁基頂部的水平偏轉(zhuǎn)位移，而對于樁身偏轉(zhuǎn)位移來說，影響的變化較小，基本上可以忽略。

圖5 航道先支護再開挖樁基水平偏移云圖（單位：m）

4.3 支護效果評價

航道開挖后，樁基向著開挖側(cè)傾斜。以1 號樁樁頂位移時程表征樁基變形過程，以特征觀測點的位移時程表征土體變形特征，特征觀測點位置如圖2a 所示。對比不同施工條件的模擬計算結(jié)果，進行支護效果評價。圖6 為航道不同施工條件下樁基樁頂水平偏移曲線，從圖6 中可以明顯看出，當采取直接開挖方式施工時，樁基頂部偏斜位移隨著時間步的增加而逐漸增大，樁頂最大偏斜位移為14.30 mm。而采取先支護再開挖的方式施工時，樁基頂部偏斜曲線先反向增大再逐漸正向增大，這是由于土體大面積卸載，坑底隆起，由于支護結(jié)構(gòu)的存在，使得樁基頂部向著背離開挖側(cè)方向傾斜，當應(yīng)力釋放完畢以后，樁基隨著土體的運動逐漸向著開挖側(cè)傾斜直至平衡。進行支護后，樁基頂部偏斜位移減小至4.95 mm。

圖6 航道不同開挖方式樁基樁頂水平偏移曲線

對比不同施工條件的模擬結(jié)果，采取支護結(jié)構(gòu)以后，樁基樁頂偏斜減小量達66%，這說明，在實際施工中，可以優(yōu)先采用先支護加固后開挖的方式，這不僅節(jié)省了人力，還保證了施工效益，更重要的是可以更好地保證樁基的穩(wěn)定性，減小樁基因航道開挖擾動對其的影響。

圖7 為航道不同開挖方式下1 號樁基水平方向正應(yīng)力隨樁長變化曲線。由圖7 可知，當采取直接開挖方式施工時，水平主應(yīng)力隨著樁長的增加而逐漸增大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在樁底位置，可以達到1 200 kPa。當采取先支護再開挖的方式施工時，由于當土體大面積卸載時，坑底隆起而導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)拉著樁基頂部向航道開挖一側(cè)的相反方向運動，從而導(dǎo)致樁基頂部出現(xiàn)較大的反向水平應(yīng)力，樁頂水平主應(yīng)力為-527 kPa。當開挖應(yīng)力釋放完畢以后，開挖側(cè)周圍土體逐漸向著坑內(nèi)運動，在土體的沖擊作用下，樁基水平應(yīng)力逐漸正向增大，當計算達到收斂時，樁基最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在樁底一側(cè)，最大為804 kPa，相比直接開挖施工條件，樁基最大應(yīng)力減小33%。由于支護結(jié)構(gòu)的存在，使得土體對樁基的水平?jīng)_擊作用逐漸減弱，故在實際施工中，優(yōu)先采用先支護加固后開挖的方式，更加有利于橋梁樁基的穩(wěn)定性。

圖7 航道不同開挖方式下樁基水平應(yīng)力隨樁長變化曲線

5 結(jié)論

本文以京杭運河二通道海寧段東西大道橋航道開挖工程為背景，采用FLAC 3D 建立三維有限元分析模型，研究了航道不同開挖方式對橋梁樁基穩(wěn)定性的影響，得到了以下結(jié)論及建議：

1）航道開挖過程中，采取邊坡先支護加固后開挖的方式，可以大大減小樁基頂部的傾斜，更加有利于橋梁樁基的穩(wěn)定性。

2）當采取直接開挖方式施工時，樁基頂部偏斜位移為14.30 mm，樁身中部最大偏轉(zhuǎn)位移為32.89 mm。而采取先支護再開挖的方式施工時，進行支護后，樁基頂部偏斜位移減小至為4.95 mm，樁身中部最大偏轉(zhuǎn)位移為33.80 mm，這也表明支護效果對樁基頂部變形影響較大，而對樁身中部變形影響較小，幾乎可忽略不計。

3）當采取直接開挖方式施工時，水平主應(yīng)力隨著樁長的增加而逐漸增大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在樁底位置，可以達到1 200 kPa。采取先支護再開挖的方式施工，樁基最大應(yīng)力減小33%。