栗木寨大橋樁基施工對麻桿寨明渠結(jié)構(gòu)安全影響分析

張 斌，楊文豐，任興隆

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

擬建烏當(dāng)（羊昌）至長順高速公路（以下簡稱烏長高速）栗木寨大橋起訖樁號為K123+982.46～K124+111.54,凈跨120 m,上部結(jié)構(gòu)采用3×40.0 m,預(yù)應(yīng)力砼（后張）裝配式簡支T 梁。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺,橋墩采用樁柱一體墩,墩臺采用樁基礎(chǔ)。本橋樁基共計(jì)38根,樁徑2 m 的有12根,樁徑1.5 m的有26根,樁長15 m～24 m。

已建黔中水利樞紐一期工程桂松干渠麻桿寨明渠（以下簡稱麻桿寨明渠）樁號桂松K74+689.5～桂松K75+211.032,明渠成型斷面矩形,襯砌成型后凈尺寸為3.5 m（寬）×3.4 m（高）,為挖填式明渠。

擬建烏長高速栗木寨大橋上跨桂松干渠麻桿寨明渠（樁號K74+825～桂松K74+879）,如圖1所示,橋與明渠夾角約38°。本次分析評價(jià)通過資料收集與利用、地質(zhì)調(diào)繪。

圖1 烏長高速栗木寨大橋與桂松干渠位置關(guān)系圖

烏長高速栗木寨大橋第二跨上跨麻桿寨明渠兩側(cè)橋梁樁基左側(cè)分別是1-0#、1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#,右側(cè)分別是2-0#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5#,共計(jì)12根；樁徑2 m,樁長分別為24 m（1-0#、1-1#、1-2#）、17 m（1-3#、1-4#、1-5#）、19 m（2-0#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5# ）。明渠蓋板至栗木寨大橋凈空最小垂直距離為3.963 m,距明渠邊墻較近距離的樁基見表1。

表1 樁基邊緣距明渠邊墻距離統(tǒng)計(jì)表

1 地質(zhì)概況

工程區(qū)地處高原中西部、苗嶺西段,場地為山間斜坡平緩地帶,谷地寬闊,谷底高程1258 m～1279 m,其間零星分布有高20 m～30 m 殘丘,谷地兩側(cè)溶丘椎體渾圓,山頂高程1285 m～1350 m,相對高差20 m～90 m。地貌形態(tài)以峰林谷地間的溶丘盆地為主,屬低中山溶蝕地貌區(qū)。

工程區(qū)地層巖性為第四系（Q）殘坡積層黃褐色粘土及二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）灰?guī)r。

工程區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水賦存于場區(qū)第四系粘土中,該含水土層厚度薄,分布不均,埋藏較淺,主要由降雨補(bǔ)給,匯水補(bǔ)給面積有限,水量小。巖溶水主要賦存于巖溶發(fā)育地段,接受大氣降水的直接補(bǔ)給和地表水的徑流補(bǔ)給。

2 栗木寨大橋與麻桿寨明渠工程地質(zhì)評價(jià)

2.1 栗木寨大橋工程地質(zhì)評價(jià)

1）地基巖體基本質(zhì)量等級

橋址區(qū)下伏基巖巖性單一,為二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）灰?guī)r。橋址區(qū)鉆探揭露未發(fā)現(xiàn)溶洞等強(qiáng)巖溶現(xiàn)象。

橋址區(qū)基巖為灰?guī)r,風(fēng)化程度中等,依據(jù)《栗木寨大橋施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告》試驗(yàn)資料[1],綜合判定得出：灰?guī)r屬較硬巖,中風(fēng)化巖體較破碎-較完整,綜合判定得出：灰?guī)r中風(fēng)化巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。

2）場地穩(wěn)定性及建設(shè)適宜性

橋址區(qū)場地及附近無高邊坡、活動斷層、滑坡、泥石流、土洞、巖溶塌陷及大規(guī)模溶洞等不利于建筑的地形、地質(zhì)構(gòu)造、不良物理地質(zhì)體等,場地穩(wěn)定性良好,適宜建設(shè)。

3）巖土物理力學(xué)參數(shù)及基礎(chǔ)形式

橋臺及墩臺基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ),推薦各巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表2,基礎(chǔ)形式及持力層頂面位置見表3。

表2 各巖土物理力學(xué)指標(biāo)

表3 基礎(chǔ)形式及持力層頂面位置

2.2 麻桿寨明渠工程地質(zhì)評價(jià)

該段整體地形較平緩,地形坡度5°～20°。覆蓋層厚5 m～15 m,為第四系殘坡積的粘土層,可塑狀,局部含碎石,下伏基巖為二迭系中統(tǒng)茅口組（P2m）厚層狀灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀90°∠21°,無強(qiáng)風(fēng)化層。明渠開挖邊坡較矮,為土質(zhì)邊坡,邊坡穩(wěn)定性較好,明渠基礎(chǔ)為土基,基礎(chǔ)承載力滿足＞100 kPa的設(shè)計(jì)要求。

3 栗木寨大橋樁基施工擾動對麻桿寨明渠安全影響分析

施工擾動有橋梁旋挖鉆孔灌注樁開挖的振動、孔壁垮塌振動、蓋梁施工振動、支座墊石施工振動及橋面鋪裝施工振動等,其中影響最大的是橋梁旋挖鉆孔灌注樁開挖的振動,必然會對周邊土體產(chǎn)生不同程度的擾動,改變了周邊土體的應(yīng)力狀態(tài),使土體的結(jié)構(gòu)遭到破壞,引起周邊土體的變形,從而引起周邊地表沉降可能會影響明渠結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定問題[2]。對明渠結(jié)構(gòu)的安全是否有影響通過仿真計(jì)算進(jìn)行分析評價(jià)。

3.1 仿真計(jì)算

1）三維計(jì)算模型

在考慮模型幾何條件與實(shí)際情況接近的同時(shí),也應(yīng)考慮計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的可能性,滿足研究對象的主要因素條件,忽略次要因素,從而簡化模型,以方便操作計(jì)算。根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件,結(jié)合計(jì)算機(jī)性能,施工期主要考慮臨近樁基礎(chǔ)施工對明渠安全影響。本模型采用三維地質(zhì)建模軟件進(jìn)行模型建立,并通過ANSYS 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后導(dǎo)入FLAC3D 中進(jìn)行計(jì)算。研究段地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為簡單,地層為第四系殘破積層,下部為二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r,無斷裂結(jié)構(gòu)；模型尺寸取值超過橋梁一定范圍滿足邊界條件要求,模型尺寸為172 m×137 m,鉛錘方向上自1245 m 水平標(biāo)高以上,模型采用四面體單元,為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性,樁孔位置采用加密網(wǎng)格處理,共劃分233404 個(gè)網(wǎng)格和1340207 個(gè)單元。

模型邊界條件為：地應(yīng)力分析時(shí)除地表為自由邊界外,其余各邊界進(jìn)行位移約束；振動時(shí)程分析中除地表為自由邊界外,其余各邊界采取帶阻尼系數(shù)的粘彈性邊界。

2）計(jì)算參數(shù)

本次數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)參考橋梁勘察資料和明渠勘察成果,參數(shù)值見表2。

3）施工振動參數(shù)取值

本工程樁基礎(chǔ)深度在15 m～24 m 間,覆蓋層厚度較厚,人工開挖難度大,樁基施工方式采用旋挖成孔,旋挖鉆施工引起的動荷載為一種隨機(jī)荷載,荷載大小隨時(shí)間、位置和地表特征不斷變化的復(fù)雜荷載。目前,在有限元分析中采用的都是近似的簡化模型,鉆頭動荷載為簡諧波荷載,具體的表達(dá)式為：

式中：P 為振動荷載幅值；ω 為振動頻率。

參考國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)資料,在樁基施工微擾動情況下,參數(shù)取值如下：荷載大小取100 kN,頻率取值20 Hz,動荷載總持續(xù)時(shí)間為5 s。

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

本次計(jì)算過程主要為先計(jì)算模型在原始地貌下的初始應(yīng)力場分布,在對明渠區(qū)域進(jìn)行開挖、澆筑,計(jì)算在明渠修建過程中對原始應(yīng)變場的改變,最后計(jì)算在樁基施工過程的擾動情況。本次擾動計(jì)算并未對所有樁基施工進(jìn)行模擬,主要是通過距離明渠邊墻最近的2-2 號樁基礎(chǔ)施工對明渠邊墻的影響,通過在數(shù)值模擬中明渠邊墻模型上設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測明渠邊墻上的變形影響和振動速率的變化影響。

1）變形影響：通過對計(jì)算結(jié)果整理,如圖2和圖3,隨著樁基施工的進(jìn)行,位移變化較大的區(qū)域位于孔樁樁壁區(qū)域,最大位移量約為2 mm,通過剖面分析,孔樁施工過程中的變形區(qū)域主要集中在覆蓋層內(nèi),基巖段幾乎無變形；從數(shù)值模擬中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知,當(dāng)樁基礎(chǔ)施工結(jié)束后,明渠邊墻監(jiān)測點(diǎn)最大變形值約為1×10-5m,幾乎無變形。

圖2 位移分布云圖

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線

2）振動速率的變化影響：通過對計(jì)算結(jié)果整理,如圖4和圖5,樁基施工產(chǎn)生的提振速率變化較大的區(qū)域位于孔樁樁壁區(qū)域,最大速率約為13.6 cm/s,主要分布在覆蓋層區(qū)域。從數(shù)值模擬中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在明渠邊墻產(chǎn)生的最大提振速率約為0.08 cm/s,影響很小。

圖4 振動速度分布云圖

圖5 監(jiān)測點(diǎn)振動速度曲線

4 結(jié)論及建議

根據(jù)栗木寨大橋樁基施工對麻桿寨明渠安全仿真分析,施工擾動對明渠安全影響很小。建議優(yōu)化施工方案,采用先進(jìn)的施工設(shè)備和施工技術(shù),降低成孔旋挖設(shè)備轉(zhuǎn)速,同時(shí)可采用全回轉(zhuǎn)全套管技術(shù),減少樁基施工對明渠周邊土體的擾動。