橋跨下管道開挖對(duì)橋梁基礎(chǔ)影響分析

王甫友

【摘 ? ?要】：為了研究雨水管道開挖對(duì)鄰近既有橋梁基礎(chǔ)的影響，以實(shí)際工程為例，采用Midas有限元分析軟件，研究管道溝槽開挖土層的壓縮模量等因素對(duì)鄰近橋梁基礎(chǔ)位移的影響，分析結(jié)果表明：管道開挖過程對(duì)基礎(chǔ)沉降影響主要集中在距管道開挖邊緣兩側(cè)1.5D（D為管道直徑）范圍，距溝槽越遠(yuǎn)，沉降越小并趨于零；管道開挖范圍地基土壓縮模量影響樁基水平位移，壓縮模量越大，水平位移越小。

【關(guān)鍵詞】：管道；開挖；橋梁；基礎(chǔ)；壓縮模量；位移

【中圖分類號(hào)】：TU753【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-38-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.009

Effect Analysis of Pipeline Excavation under Bridge Span

WANG Fuyou

（Tianjin Transportation Science Research Institute， Tianjin 300300， China）

【Abstract】：In order to study the effect of rainwater pipeline excavation of bridge foundation， herein， the paper takes the pipeline excavation project as an example， uses Midas finite element analysis method ?to study the influence of soil compression modulus and other factors of pipeline excavation on the displacement of adjacent bridge foundation. The analysis results show that the influence of pipeline excavation on foundation settlement mainly concentrated in the range 1.5D （D is the diameter of the pipeline） from both sides of the excavation edge of the pipeline， the further away from the trench， settlement decreases and tends to zero. The horizontal displacement of pile fundation is affected by the compression modulus of foundation soil within the excavation range，the larger the compression modulus is， the smaller the horizontal displacement is.

【Key words】：pipeline; excavation; bridge; foundation; compression modulus; displacement

近年來，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，地下管線工程也進(jìn)入快速發(fā)展階段。管道溝槽開挖是管道埋設(shè)工程的重要環(huán)節(jié)，開挖過程是否合理直接影響管道工程的質(zhì)量?，F(xiàn)有大量研究表明，管道溝槽開挖會(huì)對(duì)附近既有建筑地基與基礎(chǔ)變形產(chǎn)生一定影響；尤其對(duì)大型建筑物地基及基礎(chǔ)的變形不可忽略[1～3]，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題[4]。

關(guān)于開挖引起的鄰近既有建筑地基與基礎(chǔ)變形問題突出，國內(nèi)外學(xué)者已做出許多研究并取得重要研究結(jié)果。鄒國鎖等[5]通過數(shù)值模擬的方法研究發(fā)現(xiàn)地鐵盾構(gòu)隧道過程會(huì)引起附近地面明顯沉降；戴文亭等[6]采用Miads/GTS和FLAC等有限元軟件分析了地鐵換乘站開挖施工對(duì)附近建筑物基礎(chǔ)沉降的影響；張達(dá)棟[7]進(jìn)一步對(duì)地基沉降機(jī)制做了分析，指出地鐵盾構(gòu)過程中土艙壓力與等代層模量是影響地表沉降的兩個(gè)主要因素；趙延林等[8]通過ABAQUS有限元分析了基坑開挖對(duì)臨近獨(dú)立基礎(chǔ)變形的影響，研究結(jié)果表明基坑開挖對(duì)基礎(chǔ)沉降的影響程度大于對(duì)側(cè)向變形的影響程度。但針對(duì)管線埋設(shè)過程對(duì)既有橋梁影響的分析相對(duì)較少，本文實(shí)際工程為例，采用Midas/GTS有限元軟件，研究管道開挖過程對(duì)鄰近橋梁樁基位移的影響。

1 工程概況

天津市濱海新區(qū)開挖管道Y-3～Y-4和Y-30～Y-6段管線位于某橋下，橋下凈空高度3.5 m左右，不具備鋼板樁支護(hù)條件，因此采用放坡分三步等高度開挖，槽底寬D+1 200 mm（D為管徑），邊坡1∶1。Y-3～Y-4段管徑600 mm，最大埋深3.47 m，排水管中心距最近橋梁墩柱5 m，槽口上沿距最近墩柱僅為0.63 m；Y-30～Y-6段管徑1 200 mm，最大埋深4.42 m，排水管中心距最近橋梁墩柱11.2 m，槽口上沿距最近墩柱5.58m。見圖1。

管道下穿橋梁上部結(jié)構(gòu)為25 m簡支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為雙矩形和馬蹄形組合墩，墩柱底部外輪廓尺寸西幅橋?yàn)?.5 m×1.4 m、東幅橋?yàn)?.5 m×2.2 m，承臺(tái)尺寸為7.4 m×5.0 m×2.0 m，下設(shè)6根直徑1m的鉆孔灌注樁，樁長42～44 m。

基于工程勘察報(bào)告，將部分性質(zhì)相近的土層合并，自上而下簡化為5層土。見表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建模

采用Midas/GTS有限元軟件建立模型。各層地基土力學(xué)指標(biāo)見表2。

樁基與頂部承臺(tái)為線彈性模型，分別按C20、C25混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)置參數(shù)；樁基與地基土間無厚度接觸面，用于模擬樁-土間相互作用；地基土的本構(gòu)模型為修正的摩爾-庫倫彈塑性模型。見表3。

假定各層土體為各向同性連續(xù)介質(zhì)且呈均質(zhì)層狀分布；計(jì)算時(shí)不考慮活荷載、地下水位變化的對(duì)工程的影響，僅考慮樁-土結(jié)構(gòu)自重及上部結(jié)構(gòu)傳遞的橋梁荷載。地基土邊界條件除頂部表面為自由面外，其余表面邊界均固定。為了消除模型邊界效應(yīng)，X、Y、Z方向長度分別為120、50、60 m。見圖2。

2.2 數(shù)值分析

因開挖深度內(nèi)素填土與淤泥質(zhì)土的壓縮模量變化較大，分別取最小值、最大值和均值（其他土壓縮模量取均值），共9種工況分析鄰近橋梁基礎(chǔ)變形。見表4。

取Y-3～Y-4和Y-30～Y-6段管線鄰近樁基進(jìn)行分析，見圖3。

2.2.1 地基土沉降

對(duì)不同工況下地基土位移情況進(jìn)行分析，各工況位移趨勢相似，工況1的地基土豎向位移見圖4。

溝槽兩側(cè)土體的沉降明顯大于地基其他各處的沉降。溝槽兩側(cè)區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)地基沉降幅值優(yōu)勢區(qū)，即地表沉降量從溝槽開挖處向外逐漸減少。這是由于溝槽開挖會(huì)對(duì)周圍土體擾動(dòng)，形成溝內(nèi)土體上抬，兩側(cè)土下沉的趨勢，隨著距溝槽距離的增大，開挖對(duì)土層附加擾動(dòng)也逐漸減小，在1.5D范圍外，沉降量變化趨于零。

2.2.2 基礎(chǔ)沉降

L1～L6、R1～R6樁基在工況1～工況9下的最大沉降變化值見表5和表6。

L1～L6隨著淤泥質(zhì)土的壓縮模量增大，最大沉降變化值增大；隨著素土的壓縮模量增大，最大沉降變化值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。R1～R6隨著淤泥質(zhì)土的壓縮模量增大，兩側(cè)樁最大沉降變化值減小，中間樁基最大沉降變化值增大；隨著素土的壓縮模量增大，最大沉降變化值減小。主要是因?yàn)長1～L6距開挖點(diǎn)稍遠(yuǎn)，R1～R6距開挖點(diǎn)較近；開挖時(shí)，R1～R6第一層土處于地基土位移場中，以豎向位移為主的區(qū)域，受地基土豎向位移影響較大，最大沉降值呈現(xiàn)出隨第一層素土的壓縮模量增大而減小的趨勢；而其他區(qū)域會(huì)受到較為復(fù)雜的地基土位移影響，尤其是水平位移的影響，導(dǎo)致隨該區(qū)域土的壓縮模量變化也相應(yīng)復(fù)雜，但最大豎向沉降變化值為1.252 mm。根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》，25 m跨徑橋梁相鄰墩臺(tái)均勻總沉降差容許限值為5 cm，不考慮已經(jīng)累積的沉降差，因管道開挖對(duì)基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的影響較小。

2.2.3 基礎(chǔ)水平位移分析

由于溝槽開挖卸荷導(dǎo)致土體位移對(duì)鄰近樁基產(chǎn)生較大推力，故使樁基發(fā)生水平位移。水平位移與地基土壓縮模量呈負(fù)相關(guān)，壓縮模量越大，水平位移越小，最不利工況為工況1，最大位移值為4.008 mm。見圖5。

借鑒JGJ 106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》，按強(qiáng)度控制時(shí)，對(duì)水平位移敏感的結(jié)構(gòu)物樁頂?shù)乃轿灰圃试S值取6 mm的0.83倍，即4.92 mm。不考慮已經(jīng)累積的水平位移，基礎(chǔ)因管道開挖而產(chǎn)生的水平位移未超限值，但已達(dá)限值的81.5%。

3 結(jié)論

1）管道開挖引起的鄰近橋梁基礎(chǔ)沉降量較小，與土層壓縮模量的關(guān)系跟基礎(chǔ)距開挖邊緣的距離、土層所處位置等有關(guān)系，并不是簡單的負(fù)相關(guān)。管道開挖對(duì)兩側(cè)地基沉降影響范圍在1.5D內(nèi)。

2）管道開挖導(dǎo)致鄰近樁基發(fā)生水平位移，水平位移與開挖范圍地基土壓縮模量負(fù)相關(guān)，壓縮模量越大，水平位移越小。

3）案例中水平位移雖未超限值，但考慮施工中的不確定因素及后期養(yǎng)護(hù)等因素，建議將線路改至跨中，盡可能的遠(yuǎn)離兩側(cè)墩柱，以將管道開挖對(duì)橋梁的影響降到最低。

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