軟土場地航道近接開挖對既有橋梁樁基穩(wěn)定性的影響

劉曉鵬,蘇學(xué)林,旦 東,朱 楓,吳志堅(jiān),王盛年

(1.中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司 重慶分公司,重慶 401320;2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,南京 211816)

軟土常見于沿海地帶、內(nèi)陸湖盆、洼地及河流兩岸地帶,在我國上海、天津、廈門等地區(qū)分布廣泛[1-3]。軟土場地因天然含水量大,具有承載力低、壓縮性高、沉降速度快等特點(diǎn)[4]。近幾十年,許多工程科研人員已就軟土工程問題明確指出,軟土具有顯著應(yīng)變軟化現(xiàn)象,且經(jīng)剪切大變形重新固結(jié)后,軟土將出現(xiàn)峰值強(qiáng)度降低與殘余強(qiáng)度增大現(xiàn)象[5-7]。同時(shí),受軟土“蠕變效應(yīng)”和“深度效應(yīng)”影響,軟土場地工程建設(shè)也極易發(fā)生擾動(dòng)變形[8],特別是近接施工,其不可避免地對周圍土體及鄰近建筑物產(chǎn)生顯著影響,不斷給工程建設(shè)和防護(hù)帶來新的科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)[9-13]。

就橋梁樁基而言,近接軟土開挖勢必對臨近橋梁樁身、承臺及橋墩產(chǎn)生影響。當(dāng)位移增大到一定閾值時(shí),其將直接影響交通運(yùn)營安全性和舒適性[14]。Michael[15]對大量因深基坑開挖引起的地面運(yùn)動(dòng)和地表沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后指出,軟土地層開挖采用Clough圖預(yù)測會導(dǎo)致變形位置判別不準(zhǔn);Poulos和Chen[16-17]運(yùn)用有限元和邊界元耦合方法研究了黏土層基坑開挖對鄰近樁基的影響,發(fā)現(xiàn)土體開挖時(shí)臨近建筑物的樁基礎(chǔ)將受到開挖引起土體位移的作用,導(dǎo)致樁身產(chǎn)生附加應(yīng)力、彎矩和側(cè)向位移;皇甫明等[18]利用模型樁試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算,分析了水平荷載對豎向承載樁樁頂沉降變形與豎向荷載對橫向承載樁樁頂水平位移和樁身彎矩的影響,發(fā)現(xiàn)豎向荷載對水平承載樁影響較小,水平荷載對豎向承載樁的影響較大。這些研究可為樁基施工擾動(dòng)研究提供有利借鑒。然而,當(dāng)前更需要引起重視的是,隨著大跨度橋梁和超高層建筑的不斷建設(shè),如蘇通大橋采用長約100 m、直徑2.5 m的鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ),京滬高鐵在深厚軟土段的蘊(yùn)藻浜特大橋群樁樁長73 m、直徑1.2 m,上海的港匯大廈和世貿(mào)商城三期都采用了直徑8.5 m,入土深度分別為85、74 m的鉆孔灌注樁,浙江溫州瑞安皇都大廈采用了直徑10 m、樁長98 m的鉆孔灌注樁,杭州錢塘江六橋采用的鉆孔灌注樁樁長達(dá)130 m,直徑達(dá)到2.3 m,這些已建工程在未來勢將不可避免地受到新建工程施工開挖的影響。特別地,由于這些區(qū)域多為高含水率軟土地層,工程施工必然擾動(dòng)周圍地層,引起地層沉降和變形,對臨近既有橋梁樁基承載力產(chǎn)生影響,導(dǎo)致橋樁基礎(chǔ)發(fā)生變形[19],可能危及橋梁正常使用和結(jié)構(gòu)安全,也會給新建工程施工造成嚴(yán)重影響。如何準(zhǔn)確預(yù)測并控制土體開挖對鄰近樁基變形的影響將是工程建設(shè)必須考慮的實(shí)際難題。

在前人研究基礎(chǔ)上,以杭州市海寧段某既有橋梁下方航道近接開挖為例,采用飽和非飽和理論開展軟土場地航道近接既有橋梁工程施工過程數(shù)值模擬,探討航道開挖、通航對橋梁樁基周邊地下水水位及樁基穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

京杭運(yùn)河二通道海寧段地處杭嘉湖沖湖積平原地區(qū),是海寧融杭戰(zhàn)略橋頭堡,也是海寧西部的水上大動(dòng)脈和沿河產(chǎn)業(yè)帶,對今后海寧西部乃至全市經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)都將產(chǎn)生重要影響。京杭運(yùn)河二通道海寧段凈寬60 m,通航凈高7 m,最高通航水位2.4 m。航道主線沿海寧與余杭邊界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等鐵路、高等級公路和城市主干道,全長4.5 km,新建橋梁7座。該航段最大特點(diǎn)是陸地開挖航段,施工流程為先建造橋梁,再開挖航道。橋梁下部結(jié)構(gòu)主墩采用墩接承臺,下設(shè)鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁徑為1.5、1.8 m兩種,樁長70～80 m。工程護(hù)岸選用重力式護(hù)岸(含生態(tài)護(hù)岸)、樁基護(hù)岸等類型。該航段地層主要為沖湖相、海相、沖海相沉積層,第四系松散沉積層厚度62～66 m。在如此深厚軟土地層進(jìn)行航道近接橋梁樁基施工(圖1),開挖擾動(dòng)必將對上跨橋梁樁基穩(wěn)定性帶來重大影響。

圖1 現(xiàn)場施工

另外,該航段河道縱橫,河道屬于杭嘉湖平原河流水系,水網(wǎng)密布,河道比降小,水流平緩,水位變幅小。沿線與本工程關(guān)系較密切的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水,分布在淺部,主要含水介質(zhì)為沖海(湖)積的黏性土、粉土層,一般透水性較差,水位動(dòng)態(tài)變化受季節(jié)、大氣降水及河道水位控制,勘察期間實(shí)測地下水位埋深0.9～1.5 m,年變化幅度為0.5～1.0 m。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

基于上述工程地質(zhì)背景,采用有限元法開展軟土場地航道近接既有橋梁工程施工過程模擬。

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)勘察報(bào)告與施工方圖紙資料,建立如圖2所示模型。模型包括各地層以及上跨橋梁的承臺、樁基和擋墻。為消除邊界效應(yīng),模型長取100 m,高95 m。地層主要考慮填土、黏土、粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉砂和基巖。受Geo-studio軟件局限性,為保證水能正常滲流,樁體采用結(jié)構(gòu)單元模擬,并增加碎石、排水口等填方設(shè)計(jì)。航道側(cè)地下水標(biāo)高為+2 m,對向側(cè)地下水標(biāo)高為+3.5 m。

圖2 航道開挖初始模型

2.2 本構(gòu)關(guān)系選擇

數(shù)值模擬中,巖土材料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu),模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則表征材料屈服特性。

I1=σx+σy+σz

(4)

式中：J2、J3、I1為應(yīng)力不變量;σx、σy、σz為坐標(biāo)中方向應(yīng)力;τxy為xy平面剪應(yīng)力。

考慮到航道軟土開挖、通航灌水過程將導(dǎo)致河岸土體出現(xiàn)飽和-非飽和排水和入滲。采用Richards模型描述非飽和滲透系數(shù)K與非飽和基質(zhì)吸力h或含水率θ間關(guān)系,表征航道軟土飽和-非飽和滲流特征,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Q=-K(h)?H或Q=-K(θ)?H

(5)

式中：Q為滲流速度;?H為非飽和滲流場總水勢梯度;K(h)和K(θ)為非飽和滲透系數(shù),分別是關(guān)于非飽和土基質(zhì)吸力h或含水率θ的函數(shù)。

對于非線性土體模型,通常可采用Newton-Raphson迭代方法計(jì)算土中應(yīng)力[20-22],即令

式中：i為空間維度;Hi為由J的二階導(dǎo)數(shù)組成的矩陣,其第k行第l列的元素為

式中：i、k、l為空間維度。φi(σ)為在σ=σi附近對J的二階逼近,令

則

2.3 計(jì)算參數(shù)取值

數(shù)值模型中各地層、混凝土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型各土層主要力學(xué)參數(shù)

2.4 模型邊界條件

采用固定位移約束模型邊界,即在模型底部設(shè)置X、Y固定邊界,在模型兩側(cè)設(shè)置X固定邊界?？紤]到地層中地下水滲流相對穩(wěn)定,在計(jì)算初始,設(shè)置航道內(nèi)土體地下水位為+2 m,航道外土體地下水位為3.5 m;在擋墻和承臺等混凝土下方用結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建橋梁樁基,外邊緣施加不透水邊界條件(水流量為0)。同時(shí),承臺上部施加-100 kN豎向荷載。在進(jìn)行工程開挖時(shí),移除航道內(nèi)側(cè)定水頭邊界。為探討航道軟土開挖、通航灌水對橋梁樁基周邊地下水水位及樁基穩(wěn)定性的影響,分別在航道護(hù)岸前、護(hù)岸與承臺間及承臺后選取3個(gè)孔壓監(jiān)測面,如圖3所示,每條截面選取-1(1-1截面)或0(2-2、3-3截面)、-5、-10、-15、-20 m 5個(gè)監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測航道開挖樁周土體孔壓變化;同時(shí),在樁身上每10 m選取一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測樁體位移與變形。

圖3 模型邊界條件施加及監(jiān)測面選取

2.5 計(jì)算工況設(shè)置

根據(jù)施工過程設(shè)計(jì),數(shù)值模擬分以下3步進(jìn)行：

1)未開挖階段。如圖2所示,模型運(yùn)行至地層水位達(dá)初始穩(wěn)定狀態(tài)。

2)開挖階段。在航道內(nèi)側(cè)進(jìn)行均勻開挖,7 d后土層被挖至標(biāo)高-2.4 m,中間設(shè)置長8.8 m、坡比為1∶4的斜坡。之后再運(yùn)行6 d,使模型滲流處于穩(wěn)定。因此,二階段總計(jì)13 d。

3)通航階段。在第二階段基礎(chǔ)上,向航道內(nèi)灌水,水位抬升方案如圖4所示。河道水深5 m,按等分7次階梯式(每天抬升水位1次并穩(wěn)定7 d)進(jìn)行,第三階段總計(jì)56 d。最終通航狀態(tài)如圖5所示。

圖4 通航水位邊界條件設(shè)置

圖5 開挖與通航水位模型

3 結(jié)果分析與討論

3.1 航道開挖對樁周土體水位及變形的影響

3.1.1 地下水位變化

航道內(nèi)側(cè)土體開挖過程及開挖后13 d內(nèi)樁周土體孔壓變化(采用孔壓改變間接表示地下水位變化)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 3個(gè)截面航道開挖樁周土體孔壓變化

由圖6可知,總體上,航道開挖過程中航道內(nèi)側(cè)、混凝土擋墻后、航道外側(cè)3個(gè)截面7 d內(nèi)的水位變化規(guī)律基本一致,其均隨時(shí)間發(fā)展呈不斷下降趨勢,但在航道開挖完成后混凝土擋墻后、航道外側(cè)近地表地層孔壓有所回升。這可能是由于樁基以下20 m內(nèi)同一水平面上,航道外側(cè)地下水位始終高于航道內(nèi)側(cè),導(dǎo)致航道外側(cè)土層地下水不斷對航道內(nèi)側(cè)水位進(jìn)行補(bǔ)給,從而產(chǎn)生航道外側(cè)地下水向航道內(nèi)滲流;當(dāng)航道開挖完成后,航道內(nèi)側(cè)滲流逐漸趨于穩(wěn)定,混凝土擋墻后、航道外側(cè)土層地下水則因航道遠(yuǎn)處持續(xù)性補(bǔ)給滯后性導(dǎo)致水位出現(xiàn)回升,但這種抬升只是臨時(shí)性的,隨著時(shí)間發(fā)展,這一抬升會再次回落,最終在航道內(nèi)側(cè)、混凝土擋墻后、航道外側(cè)形成水力梯度相對一致的穩(wěn)定滲流。對于較深處土層,在開挖完成2 d后,隨著航道內(nèi)側(cè)地下水位逐漸趨于穩(wěn)定,航道外側(cè)土層地下水滲流也逐漸趨于穩(wěn)定。這表明,航道開挖對近接樁基影響主要發(fā)生在開挖完成初期。因此,工程施工需重點(diǎn)關(guān)注這段時(shí)期的地層水位變化。

3.1.2 樁身位移分析

為分析航道開挖工程活動(dòng)對樁基變形的影響,提取不同工期樁身不同位置監(jiān)測點(diǎn)水平(X)方向(垂直于河道方向)位移量如圖7(a)所示。由圖7(a)可知,開挖施工進(jìn)行2 d后,樁身開始隨土層變形有向航道內(nèi)側(cè)偏移趨勢,監(jiān)測點(diǎn)水平(X)方向變形隨深度先增大后減小;樁深80 m處監(jiān)測點(diǎn)水平(X)方向變形則隨時(shí)間發(fā)展變化不大,表明樁身底端已近乎不受航道開挖擾動(dòng)影響;當(dāng)開挖施工結(jié)束第2天后,樁身變形開始趨緩趨穩(wěn),樁身最大變形出現(xiàn)在約樁深30 m(3/8樁長)處,樁身最大水平位移約60 mm。圖7(b)所示為航道內(nèi)側(cè)土體開挖過程及開挖后13 d內(nèi)樁身監(jiān)測點(diǎn)豎直(Y)方向(沉降)位移量變化。由圖7(b)可知,樁身沉降變形受航道內(nèi)側(cè)土體開挖擾動(dòng)影響相對較小,但近地表樁身變形明顯大于深層變形,近地表10 m處樁身變形量約為6 mm,80 m深處樁身變形約為4.5 mm。另外,由于開挖過程中隨著航道內(nèi)土壓力及水位降低,樁周土體對樁基負(fù)摩阻力同步減小,因此,航道土體開挖過程中樁基出現(xiàn)沉降;而在開挖完成后,由于水位逐漸穩(wěn)定,樁基沉降因此逐漸趨緩。

圖7 航道開挖樁身X向、Y向位移

3.2 航道通航對樁周土體水位及變形影響

3.2.1 地下水位變化

圖8所示為航道通航灌水過程中航道內(nèi)側(cè)、混凝土擋墻后、航道外側(cè)3個(gè)截面位置土層地下水位的變化。由圖8可知,航道通航后,隨著航道內(nèi)水位(孔壓)不斷抬升,航道內(nèi)側(cè)、混凝土擋墻后、航道外側(cè)地下水位隨之不斷抬升;相較航道外側(cè),航道內(nèi)側(cè)和混凝土擋墻后土層水位變化總體上受通航灌水影響較大,呈階梯式發(fā)展,土層深度越淺,階梯式特征越明顯,且最終灌水完成后,土層孔壓變化范圍更大;航道外側(cè)土層因相距航道有一定距離,受土層滲流作用,土層中地下水位抬升速率相對穩(wěn)定,但土層中最終地下水高度略高于航道內(nèi)側(cè)和混凝土擋墻后土層。航道外側(cè)深部土層孔壓在灌水初期存在更為顯著地先快速降低后緩慢增加變化,這可能是由于前期航道開挖導(dǎo)致航道外側(cè)處于非飽和狀態(tài)所致。

圖8 3個(gè)截面航道通航樁周土體孔壓變化

另外,承臺和擋墻周邊填土、碎石層的最終穩(wěn)定水位將高于構(gòu)筑物頂面,使得該區(qū)域土體將基本處于飽和狀態(tài)。需要注意的是,盡管航道灌水會使地層水位回升,但最終卻沒有達(dá)到未開挖時(shí)標(biāo)高,這表明通航注水并不能完全恢復(fù)因開挖排水對土體擾動(dòng)的影響。

3.2.2 樁身位移分析

為分析通航灌水對樁身變形影響,提取樁身監(jiān)測點(diǎn)水平(X)方向(垂直于河道方向)位移量,如圖9(a)所示。由圖9(a)可知,隨著通航水位不斷抬升,地下水位波動(dòng)將導(dǎo)致近地表樁周土對樁體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力,引起樁身向航道外側(cè)小幅度偏移,但這種影響在航道水位到達(dá)一定高度以及航道內(nèi)外側(cè)土層滲壓差降低后逐漸減弱并反轉(zhuǎn),最終因受樁周土向航道內(nèi)側(cè)變形使得樁身也向航道側(cè)偏移。

圖9 航道通航樁身X向、Y向位移

圖9(b)所示為航道內(nèi)側(cè)航灌水過程中樁身監(jiān)測點(diǎn)豎直(Y)方向(沉降)位移量變化。由圖9(b)可知,相較于開挖時(shí)期,通航時(shí)期樁基沉降相對較緩,這是因?yàn)橥ê焦嗨^程中地下水位的抬升將對樁身產(chǎn)生浮托作用,抑制樁體下沉;與此同時(shí),樁身含水量以及重度的增加以及樁身與樁周土間滲壓差隨時(shí)間的降低則又使得樁身因自重而下沉,最終在總趨勢上依然以樁身沉降為主,并顯著受航道開挖擾動(dòng)影響。另外,航道開挖引起的承臺向航道傾斜變形同樣在航道通航后有所遏制,橋梁承臺有明顯補(bǔ)償式反向運(yùn)動(dòng)趨勢,且在通航水位穩(wěn)定后會達(dá)到新的平衡。這里同樣需要注意的是,航道通航后的這種補(bǔ)償式位移要遠(yuǎn)小于航道開挖造成的影響,且航道開挖至通航直至最后平衡還需很長一段時(shí)間后才能達(dá)到。

3.3 討論

航道開挖和通航施工過程中,勢必將引起航道內(nèi)外側(cè)土層出現(xiàn)較大孔壓差。這種不平衡的孔壓將促使航道外側(cè)土層中的水向開挖航道排水或由航道內(nèi)向航道外側(cè)土層補(bǔ)給,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本文中,航道開挖之后,開挖一側(cè)地下水位降低,航道外側(cè)土層中的水不斷向開挖一側(cè)滲流,導(dǎo)致樁基周圍土體含水量降低,抗剪強(qiáng)度提升,但地下水對樁體浮托作用的快速消散,導(dǎo)致樁基沉降變形受自重作用貢獻(xiàn)更為顯著,因此,樁基出現(xiàn)下沉變形。與此同時(shí),地下水滲流所引發(fā)的動(dòng)水壓力和軟弱土體向開挖側(cè)變形所產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力則共同攜帶樁身水平向變形[圖10(a)],既有橋梁樁基穩(wěn)定性因此受開挖擾動(dòng)影響顯著。當(dāng)航道灌水通航時(shí)[圖10(b)],航道內(nèi)側(cè)水位不斷抬升,并向航道外側(cè)土層進(jìn)行補(bǔ)給,航道外側(cè)土層地下水位隨之不斷抬升,地下水對樁體浮托作用不斷變強(qiáng),航道內(nèi)側(cè)土體孔壓高于航道外側(cè),在側(cè)向水壓力和浮托力的共同作用下樁身向航道外側(cè)形變,然而這種形變只是暫時(shí)的,隨著側(cè)向水壓力消散,軟弱土體向開挖側(cè)變形所產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力將再次其主控作用,最終致使樁身向航道開挖側(cè)偏移,并可能存在傾覆風(fēng)險(xiǎn),這規(guī)律類似于軟土地區(qū)的基坑開挖工程,開挖后的影響與本文的結(jié)果大致相同[23]。特別是在軟黏土地區(qū),由于土體的彈性模量比較小,更容易受到影響。

Ea為航道水位壓力;Fs為地下水動(dòng)水壓力;Δx為變形量圖10 樁基結(jié)構(gòu)受力示意圖

另外,由計(jì)算結(jié)果可知,航道開挖和通航施工擾動(dòng)對橋梁樁基帶來的影響是幾乎互斥的,且開挖過程對樁基周圍土體帶來得到影響大于通航時(shí)的影響。因此,在實(shí)際施工過程中,需對樁基兩側(cè)都要做好防護(hù)措施,以應(yīng)對土體擾動(dòng)帶來的安全問題。例如,可設(shè)置支護(hù)樁應(yīng)對樁基的沉降與上升,必要時(shí)采取排水與回填措施應(yīng)對開挖與通航過程中兩側(cè)不平衡的側(cè)向土壓力引起的樁基不穩(wěn);或通航時(shí)盡可能水位緩慢抬升,以確保土體孔壓不會發(fā)生大幅度波動(dòng)。

此外,亦不難發(fā)現(xiàn),盡管有限元軟件具有使用方便、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn),但這種方法在某些方面有其局限性。例如,軟件中土體參數(shù)是固定的,事實(shí)上這些參數(shù)受到工況的影響會產(chǎn)生變化和不確定性,同時(shí),二維模擬結(jié)果也無法代表三維真實(shí)情況,特別地,對于混凝土樁基這種不透水單元,其會對二維滲流產(chǎn)生巨大影響。因此,發(fā)展更為全面的計(jì)算方法,對準(zhǔn)確分析開挖類工程問題將更為有利。

4 結(jié)論

以海寧航道開挖施工項(xiàng)目為原型構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型,利用飽和非飽和理論研究了航道開挖、通航對樁周場地地下水位及樁身變形的影響,得到以下主要結(jié)論：

1)航道開挖對樁周土體擾動(dòng)主要表現(xiàn)為開挖后開挖側(cè)水位會迅速減小,然后緩慢回升至穩(wěn)定;開挖后樁周土層地下水位降低,土體向開挖側(cè)變形,使得樁身受到主動(dòng)土壓力作用,樁身負(fù)摩阻力降低則引發(fā)樁基沉降。

2)航道通航后樁周土體孔壓變化與開挖時(shí)相反,主要表現(xiàn)為階梯式抬升至穩(wěn)定;航道外側(cè)土體由于土水壓力作用會有背離開挖一側(cè)趨勢,但總趨勢上依然以樁身沉降為主。

3)通航灌水會在一定程度上彌補(bǔ)開挖時(shí)帶來的影響,但是兩者不能相互抵消。在經(jīng)過開挖和通航整個(gè)施工階段后,總體上樁基還是會沉降并向航道內(nèi)側(cè)位移。

4)航道開挖與通航過程中均需對橋梁樁身做好加固與防護(hù),通航后應(yīng)盡可能保持水位穩(wěn)定。