管廊建設工程對于海堤結構的安全穩(wěn)定影響分析

徐華林，劉星樂，江晨鑫

（臺州市水利水電勘測設計院有限公司，浙江 臺州 318000）

近年來，城市基礎設施建設高速發(fā)展，在完善水資源配置體系、加大城市水管網(wǎng)建設過程中，出現(xiàn)了一系列輸水管道與海堤相交的問題。管廊工程建設期間，樁基礎的施工與荷載會造成海堤周圍土體的應力和位移變化，這將會影響海堤的安全運行[1]。因此，研究管廊樁基施工對海堤的安全穩(wěn)定影響是十分有必要的。

本文根據(jù)擬建涉堤管廊工程實例，基于Midas GTS NX 有限元軟件構建三維數(shù)值模型，分析近距離摩擦樁施工對既有海堤結構的變形影響。同時基于Autobank軟件探討了施工荷載對于海堤的整體穩(wěn)定影響。通過分析結果提出相應的施工控制措施，以期為今后涉堤管廊建設工程提供參考和積累經驗。

1 工程概況

擬建管廊工程線路途經海堤內鎮(zhèn)壓層，共計長度約2.3km。該段海堤的工程等級為Ⅲ等，設計防潮標準為50 年一遇。堤身結構布置具體如下：堤頂寬度約2.6～3.4m，高程為5.33～6.10m，外海側設置高50cm 的C25 砼防浪墻。沿海堤擋墻外側設置鎮(zhèn)壓平臺，陸域側采用M10 漿砌塊石護坡。

管廊工程采用架空形式布置，下部結構為鋼筋混凝土基礎，使用純摩擦預制樁，上部結構采用縱梁式鋼管架，工程與海堤結構位置的立面關系如圖1 所示。樁基位于海堤內鎮(zhèn)壓層，施工階段將會引起海堤中土體的受力和變形產生一定變化。為此，須計算分析管廊工程樁基礎施工對海堤結構造成的不利影響。

圖1 海堤與擬建管廊位置圖

2 樁基礎施工對海堤的變形影響分析

2.1 計算原理

對于管廊樁基礎施工過程中的海堤變形分析，本文采用Midas GTS 軟件計算。該軟件主要運用領域是巖土隧道領域的結構分析，軟件具備眾多優(yōu)點，可以快速直觀地進行模型處理及三維建模、智能化生成自動網(wǎng)格、專業(yè)化的巖土分析功能，當前在巖土領域越來越多受到歡迎。

變形計算采用非線性彈性分析，即利用模型單元體構成的離散化結構替代海堤本身的連續(xù)體結構，以分析海堤整體的結構變形情況。同時進行施工階段結果累加，施工階段只輸入結構或者荷載的變化，通過有限元軟件單元的激活或鈍化、荷載加載來模擬完整過程施工[2]。

2.2 計算模型及參數(shù)

為真實地模擬樁基礎施工對于海堤結構的變形影響，根據(jù)實際地層結構與參數(shù)、樁基礎位置及海堤各部分結構構建三維有限元數(shù)值模型，賦予合理的材料參數(shù)，劃分合適數(shù)目的網(wǎng)格。按照實際施工過程，從地層土體自重固結、樁基礎加載、到施加管廊荷載的整個過程，進行全過程模擬。本次變形計算中，混凝土及樁采用彈性本構，其他土體材料采用摩爾-庫倫本構。模型計算范圍為高50m，寬度為35m，垂直管道軸線方向的長度為200m。模型計算材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

2.3 計算結果

樁基礎施工造成施工區(qū)域土體發(fā)生擾動，造成水平側向卸載和豎向卸載，進而導致海堤結構發(fā)生一定程度的水平側向位移和豎向變形。圖2 及圖3 分別為海堤X向位移圖和Z 向位移圖，其中Z-X 平面為海堤的縱斷面，X 軸方向為海堤橫向斷面，Y 軸的方向為管廊鋪設方向。由圖可知：樁基礎施工導致海堤產生最大水平位移為3.1mm，豎直方向最大位移為 2.1 mm，最大總變形值為 5.0 mm，屬于安全范圍內。綜上所述，可認為管廊工程施工會造成鄰近海堤結構發(fā)生一定程度的水平側向位移和豎向位移，但整體位移量較小，在正常施工條件下，該工程樁基礎施工不會危及鄰近海堤的安全運行。

圖2 樁基礎施工期間海堤X 向位移圖

圖3 樁基礎施工期間Z 向位移圖

3 樁基礎施工對海堤的整體穩(wěn)定分析

3.1 計算方法

本工程樁基礎采用摩擦樁型式，施工期間會產生一定的擠土效應和振動，對海堤結構整體穩(wěn)定產生不利影響。擠土效應會增大土中的水平應力，導致超空隙水壓力發(fā)生急劇變化,破壞土體原有結構。施工振動會對土體造成一定擾動，導致土體抗剪強度降低，不利于結構整體抗滑穩(wěn)定[3]。本次計算將動態(tài)施工過程中的施工荷載進行簡化，用靜力代替施工荷載，均勻地施加至各土層中，求得施工過程中海堤的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[4]。海堤穩(wěn)定分析采用Autobank 軟件中瑞典圓弧法進行計算。瑞典圓弧法的計算公式如下：

式中：K 為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Ti指被滑弧所切割的土工織物的強度；ci、分別為土體的粘結力和摩擦角；bi為土條寬度；αi為土條滑動面中點的切線與水平線的夾角；R 為滑弧半徑；Mi為水平向慣性力對圓心的力矩；Qi為作用于土條重心處的水平地震慣性力；Qi’為作用于土條重心處的豎向地震慣性力，在程序中通過試算確定。

3.2 計算工況

結合海堤的現(xiàn)狀運行情況，綜合考慮結構形式、地質條件、海堤走向等因素，選取三個典型斷面進行安全穩(wěn)定計算。本次計算分為以下三種工況：

現(xiàn)狀運行期Ⅰ：外側為設計高潮位5.31m，內側護堤河常水位1.6m。

現(xiàn)狀運行期Ⅱ：外側采用地面高程，內側為護堤河20 年一遇設計洪水位2.65m。

施工期Ⅲ：外側設計高潮位5.31m，內側為護堤河常水位1.6m。

3.3 計算成果

由Autobank 軟件計算成果（詳見表2）可知：現(xiàn)狀運行期間，三個典型斷面的最小滑動安全系數(shù)值為1.62，大于規(guī)范要求值1.20；管廊施工期間，三種典型斷面的最小滑動安全系數(shù)值為1.56，大于規(guī)范要求值1.10。即海堤在三種工況下，整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。管廊施工期間，安全系數(shù)比現(xiàn)狀運行工況有所降低，即施工期荷載對于海堤的整體穩(wěn)定不利，造成安全系數(shù)值減少[5]。但整體安全系數(shù)降低幅度較小，且均滿足穩(wěn)定要求。

表2 典型斷面在三種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結論及建議

結合數(shù)值模擬分析結果，管廊施工時，樁加載引起海堤結構的內力和位移變化均處于較低水平，變形影響較小。同時，施工期抗滑安全系數(shù)存在降低幅度，對海堤整體穩(wěn)定存在一定影響，但是在規(guī)范要求范圍內。為保障海堤結構的整體安全運行，主要建議如下:

（1）加強對施工區(qū)域的觀測。施工階段及運行階段應加強對堤頂位移的監(jiān)控量測，以及時了解海堤結構的安全狀態(tài)。

（2）做好施工期間的安全管理。管廊工程施工過程中，應注意施工車輛尤其是重型機械的通行，實施相關處置措施。

（3）完善施工階段管理。優(yōu)化施工工期，控制壓樁速率，有效釋放施工區(qū)域內土層應力，減輕施工對于土體的擾動，以減少對海堤結構的不利影響。