不同方案下的航道開挖對橋梁基礎(chǔ)變形影響研究

摘要：某大橋為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，上跨某運河，基礎(chǔ)形式為沉井。由于橋梁基礎(chǔ)距離航道較近，地質(zhì)條件復(fù)雜，極軟巖分布廣泛，富水性較強，因此對橋梁運營安全產(chǎn)生了較大的隱患。文章基于場地勘探數(shù)據(jù)，采用三維有限元分析方法，分析不同河岸邊坡支護(hù)方案及橋梁基礎(chǔ)設(shè)計方案下，航道開挖對橋梁基礎(chǔ)變形的影響。分析結(jié)果表明，航道開挖完成后，橋梁基礎(chǔ)的整體水平位移表現(xiàn)為向邊坡開挖的一側(cè)變形；相較于調(diào)整橋梁基礎(chǔ)設(shè)計方案，采用不同的河岸邊坡支護(hù)措施對控制橋梁基礎(chǔ)變形的效果更顯著。該研究可為優(yōu)化工程設(shè)計、提升橋梁結(jié)構(gòu)安全性提供參考。

關(guān)鍵詞：航道開挖；橋梁基礎(chǔ)；變形；有限元分析

中圖分類號：TU3；U44" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）06-0012-05

0 引言

由于某運河建設(shè)及運營的需要，以及在運河規(guī)劃線路上存在多條即有和在建的公路，因此產(chǎn)生了大量的運河航道上跨橋梁。在航道施工期間，由于運河沿線地形地貌的復(fù)雜性以及地質(zhì)條件的多變性和氣候的多變性，使航道開挖對上跨橋梁的建設(shè)及運營產(chǎn)生了較大的影響［1-3］。這種影響主要表現(xiàn)為可能導(dǎo)致橋梁基礎(chǔ)變形過大，進(jìn)而埋下橋梁損壞的隱患，嚴(yán)重威脅橋梁的施工安全及運營穩(wěn)定［4-6］。在針對橋梁變形的研究中，王鵬等［4］利用ABAQUS有限元軟件，結(jié)合強度折減法，對貴州仁遵高速某在建公路橋梁岸邊坡進(jìn)行分析，揭示了其塑性變形特征及橋基荷載變化對橋梁變形的影響；李成強等［5］基于貴州省清水江特大橋岸坡工程，分析了岸坡變形破壞機(jī)制，指出地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地表水作用及河水浸泡等是引起橋梁變形的主要因素，并提出了相應(yīng)的防護(hù)與治理措施；張位華等［6］利用FLAC 3D數(shù)值模型，評估某污水處理廠調(diào)節(jié)池基坑開挖對既有橋梁岸坡穩(wěn)定性的影響，通過模擬基坑開挖后橋梁岸坡的應(yīng)力及變形分布，為合理評價岸坡穩(wěn)定性及基坑開挖對橋梁的影響提供了科學(xué)依據(jù)。深入分析航道開挖引起的橋梁基礎(chǔ)變形，明確其變形規(guī)律，對航道開挖設(shè)計及施工至關(guān)重要。因此，為確保某運河在航道開挖期間，其沿線高速公路橋梁的運行安全及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，本文基于場地勘探數(shù)據(jù)，采用三維有限元分析方法，研究不同河岸邊坡支護(hù)方案及橋梁基礎(chǔ)設(shè)計方案下，航道開挖對橋梁基礎(chǔ)產(chǎn)生變形的特性及規(guī)律，旨在為類似工程中橋梁基礎(chǔ)方案及岸坡支護(hù)策略的制定提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某高速公路特大橋，其設(shè)計橋型為“（3×40+34.49） m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁+260 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋+2 m×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁”，全長525.184 m。該橋橫跨某運河，路基設(shè)計高程為96.873～100.948 m；運河航道底標(biāo)高為27.3 m，設(shè)計最高通航水位為35.92 m、最低通航水位為34.0 m。大橋兩岸的主墩沉井基礎(chǔ)的設(shè)計底標(biāo)高均高于航道底標(biāo)高。橋址區(qū)屬侵蝕殘丘地貌，地形起伏較緩，地面高程在57.50～94.00 m。地形自然坡度為5°～40°，山體低緩，谷地大致呈北東—南西向發(fā)育。丘谷表層覆蓋第四系沖洪積層；兩側(cè)橋臺位于斜坡上，地表多被第四系地層覆蓋，山丘植被發(fā)育。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，場地主要覆蓋層有第四系人工填土（Qml）、淤泥質(zhì)黏土（Q1）、殘坡積層（Qel+dl）；巖下伏基巖主要為泥盆系下統(tǒng)欽州群（D1qn）基巖，包括泥質(zhì)粉砂巖、硅質(zhì)巖?；鶐r按風(fēng)化程度分為全風(fēng)化、強風(fēng)化、中風(fēng)化3層，具體特征如下。

（1）泥質(zhì)粉砂巖。①全風(fēng)化層：呈褐黃色、褐灰色，原巖結(jié)構(gòu)完全破壞，巖芯呈堅硬土狀或半巖半土狀，局部夾風(fēng)化碎塊，屬極軟巖。②強風(fēng)化層：呈深灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖芯破碎成3～7 cm塊狀或礫砂狀，泥質(zhì)充填。③中風(fēng)化層： 呈深灰色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙極發(fā)育，隙間由泥質(zhì)充填，巖芯機(jī)械破碎呈角礫狀、碎塊狀，屬軟巖。

（2）硅質(zhì)巖。主要為全風(fēng)化層，顏色褐黃，原巖結(jié)構(gòu)完全破壞，巖芯呈角礫含黏土狀，伴有少量土柱狀，粒徑分布不均，屬極軟巖。

（3）孤石。為強至中風(fēng)化硅質(zhì)巖，呈褐黃至灰色，節(jié)理裂隙極發(fā)育，鐵質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯破碎，多呈碎塊狀和少量的5～15 cm短柱狀。

（4）破碎帶。受斷層構(gòu)造活動的影響，巖體有擠壓變形痕跡；斷層帶內(nèi)主要由擠壓破碎的硅質(zhì)巖組成，巖體有重新膠結(jié)的痕跡；巖芯極破碎，呈角礫狀，局部段見短柱狀，角礫間充填黏性土。此外，存在一類破碎帶，表現(xiàn)為紅褐色夾灰色角礫，角礫主要為泥質(zhì)粉砂巖，鐵質(zhì)角礫物充填，膠結(jié)性一般。

在地下水條件方面，勘察區(qū)內(nèi)地表水主要由灌溉水、渠水及雨季形成的面流構(gòu)成，受大氣降水補給，并向低洼地帶匯集。地下水體系則包含覆蓋層中的孔隙水及基巖裂隙水，均屬于潛水?？紫端饕x存于第四系覆蓋層以及全分化硅質(zhì)巖與全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的孔隙中；基巖裂隙水主要賦存于基巖的風(fēng)化帶、破碎帶及裂隙內(nèi)。兩者均受大氣降水或地表水補給，補給后一部分水流會向下或側(cè)向徑流，補給其他地下水體，另一部分通過滲流等形式分散排泄于低洼部位，其水位受季節(jié)影響變化較大。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果與地區(qū)經(jīng)驗，各巖土層的透水性可判定如下：人工填土（Qml）、全風(fēng)化硅質(zhì)巖（D1qn）為中等透水性，淤泥質(zhì)黏土（Qal+pl）、粉質(zhì)黏土（Qal+pl）、強風(fēng)化硅質(zhì)巖（D1qn）、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（D1qn）、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（D1qn）、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（D1qn）為弱透水性，強至中風(fēng)化基巖的透水性則因裂隙發(fā)育程度等情況不同而差異較大。

2 有限元分析模型構(gòu)建

2.1 橋梁基礎(chǔ)及邊坡支護(hù)方案

左岸沉井基礎(chǔ)設(shè)計深度為24 m，井外地基采用高壓旋噴注漿加固，井內(nèi)地基采用“微型鋼管樁+注漿”加固措施，鋼管樁外徑為146 mm，壁厚4.5 mm，深入土層15 m。邊坡支護(hù)方案設(shè)置3級邊坡，坡比均為1∶2，采用2排旋挖鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)。第一排為雙排樁，樁長50～60 m，樁徑為2 m，樁距為5 m，排距為7 m；第二排為單排樁，樁長25～30 m，樁徑為1.6 m，樁距為5 m。右岸沉井基礎(chǔ)設(shè)計深度為17 m，邊坡支護(hù)同樣設(shè)置為3級，坡比均為1∶1.75。邊坡加固亦采用2排旋挖鉆孔灌注樁，第一排為雙排樁，樁長30～45 m，樁徑為1.6 m，樁距為5 m，排距為5.6 m；第二排則依據(jù)沉井基礎(chǔ)寬度呈兩側(cè)分布，布樁寬度分別為56 m和59 m，兩側(cè)灌注樁的樁長為15～30 m，樁徑為1.6 m，樁距為5 m。兩岸剖面圖見圖1、圖2。

2.2 土體本構(gòu)模型及其參數(shù)

本文運用Midas GTS/NX軟件進(jìn)行三維有限元分析，為較好地體現(xiàn)土體的力學(xué)特性并規(guī)避摩爾—庫倫模型在邊坡開挖卸荷后導(dǎo)致的坑底隆起過度的問題，采用修正摩爾—庫倫模型對巖土進(jìn)行模擬，其他結(jié)構(gòu)物則采用彈性模型進(jìn)行模擬。根據(jù)場地勘察結(jié)果，巖土體本構(gòu)模型參數(shù)見表1。

在土體本構(gòu)模擬計算中，假定土體為正常固結(jié)土，即設(shè)定超固結(jié)比為1.0進(jìn)行分析。由于邊坡開挖過程中水力邊界條件一直處于變化狀態(tài)，因此將土體視為排水狀態(tài)進(jìn)行模擬。模型的關(guān)鍵參數(shù)，如泊松比、容重、孔隙率、內(nèi)摩擦角、黏聚力，可直接從勘察報告中獲取。土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)可根據(jù)內(nèi)摩擦角并結(jié)合經(jīng)驗公式K0=1-sin?計算得到。根據(jù)經(jīng)驗，設(shè)定三軸試驗中的割線剛度（E50ref）、加載割線模量（Eoedref）及卸載彈性模量（Eurref）之間的關(guān)系為：E50ref =0.5×E（彈性模量）、E50ref =Eoedref、Eurref =3×E50ref。

2.3 有限元模擬步驟

在有限元模型中，土體、墩身及承臺采用實體單元模擬，旋挖鉆孔灌注樁采用梁單元模擬。為了更真實地反映實際工況，計算時需要特別考慮兩個關(guān)鍵點：一是忽略施工引起的結(jié)構(gòu)位移；二是對于航道邊坡開挖對基礎(chǔ)的影響，不計入上部荷載施加過程中產(chǎn)生的基礎(chǔ)位移，即在加載完成后，必須對模型進(jìn)行位移清零處理。

有限元模擬步驟如下：①施加初始水位，標(biāo)高為50.5 m，形成初始滲流場；激活所有原狀土體，施加初始地應(yīng)力，形成初始應(yīng)力場。②結(jié)構(gòu)物施工模擬。③位移清零處理。④ 施加上部結(jié)構(gòu)荷載，并再次進(jìn)行位移清零。⑤ 降低水位至5#墩基礎(chǔ)底標(biāo)高。⑥每次開挖后重復(fù)位移清零步驟，直至邊坡開挖全部完成。⑧將水位提升至運河運營的常水位標(biāo)高（35.0 m）。

施加于承臺頂部的荷載見表2。

2.4 計算模型

為了盡量減小邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，本文構(gòu)建的模型在長度和寬度上均設(shè)定為沉井基礎(chǔ)尺寸的3～5倍，模型深度則超過沉井基礎(chǔ)深度的5倍。模型邊界條件如下：底部采用豎向及水平約束，四周采用水平約束。兩岸邊坡采用三維有限單元法建立的分析模型見圖3至圖6。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 右岸分析

圖7為右岸邊坡開挖導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)位移分布云圖。邊坡開挖完成后，在坡底開挖卸荷及坡頂向邊坡側(cè)變形的綜合作用下，沉井基礎(chǔ)的水平位移最大值達(dá)到18.2 mm。對于豎向位移，邊坡開挖后，邊坡整體表現(xiàn)為向上隆起的變化趨勢，促使沉井基礎(chǔ)及樁基豎向位移同步向上移，隨著開挖完成，隆起作用逐漸增強，結(jié)構(gòu)物豎向位移最大值達(dá)到11.4 mm。

3.2 左岸分析

圖8為左岸邊坡開挖后導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)位移分布云圖。邊坡開挖完成后，沉井基礎(chǔ)及樁基的整體水平位移表現(xiàn)為朝邊坡開挖側(cè)偏移，其中沉井基礎(chǔ)的水平位移最大值達(dá)到26.3 mm，兩岸總水平位移量為44.5 mm。同時，沉井基礎(chǔ)的豎向位移進(jìn)一步增大，最大值增加至35.0 mm。受開挖卸載效應(yīng)的影響，邊坡開挖完成后，2排旋挖鉆孔灌注樁的豎向位移均表現(xiàn)為隆起趨勢，相比之下，沉井基礎(chǔ)位移則表現(xiàn)為沉降狀態(tài)。

3.3 采用單排樁邊坡支護(hù)方案的橋梁基礎(chǔ)變形分析

將右岸邊坡的雙排樁支護(hù)方案改為單排樁支護(hù)，并對部分樁長和樁與樁之間的間距進(jìn)行調(diào)整。采用單排樁邊坡支護(hù)方案的右岸邊坡開挖導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)位移分布云圖見圖9。在邊坡開挖過程中，采用單排樁支護(hù)的右岸結(jié)構(gòu)物位移趨勢與雙排樁相同。開挖完成后，沉井基礎(chǔ)的水平位移最大值增至22.2 mm，豎向位移最大值達(dá)到22.9 mm。對比分析表明，改用單排樁支護(hù)后，沉井基礎(chǔ)的位移量均有所上升，特別是航道開挖導(dǎo)致的右岸沉井豎向位移更大。

3.4 采用沉井加深方案的橋梁基礎(chǔ)變形分析

在維持雙排樁支護(hù)方案不變的情況下，左岸沉井深度增加至28 m。采用深井加深方案的左岸邊坡開挖導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)位移分布云圖見圖10。在邊坡開挖過程中，位移趨勢與之前的情況保持一致。開挖完成后，沉井基礎(chǔ)的水平位移最大值達(dá)到24.7 mm，豎向位移最大值達(dá)到30.3 mm。對比分析發(fā)現(xiàn)，沉井深度增加后，航道開挖引起的左岸沉井位移量均相對減小，但在沉降方面，2種不同深度的沉井方案之間的差異較小。

4 結(jié)論

本文針對某運河下穿高速公路工程項目，采用三維有限元分析方法分析，對不同河岸邊坡支護(hù)方案及橋梁基礎(chǔ)設(shè)計方案進(jìn)行變形計算，成功揭示了地基及結(jié)構(gòu)物的水平及豎向位移規(guī)律，得到相關(guān)結(jié)論如下。

（1）兩岸邊坡開挖完成后，沉井基礎(chǔ)及樁基的整體水平位移表現(xiàn)為向邊坡開挖一側(cè)變形；受到開挖卸載的影響，旋挖鉆孔灌注樁的豎向位移均表現(xiàn)為隆起。

（2）將雙排樁改為單排樁支護(hù)后，沉井基礎(chǔ)的水平與豎向位移均有所增加，其中豎向位移的增幅更顯著。

（3）在維持雙排樁支護(hù)方案不變的情況下，增加沉井深度雖然能減少航道開挖引起的沉井位移，但是兩種方案的位移差值較小，表明沉井深度增加對位移降幅的影響并不明顯。

5 參考文獻(xiàn)

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［5］李成強，田何林.清水江特大橋岸坡穩(wěn)定性分析與防護(hù)處治［J］.黑龍江交通科技，2019，42（4）：105-107.

［6］張位華，李春峰，曾耀.基坑開挖對既有橋梁岸坡穩(wěn)定性影響研究［J］.交通科技，2014（5）：16-19.

*南寧市“邕江計劃”青年人才專項“水敏性軟巖邊坡災(zāi)變智能監(jiān)控及加固處治關(guān)鍵”（RC20230108）；廣西重點研發(fā)計劃“多時相InSAR在公路地質(zhì)災(zāi)害高效識別與監(jiān)測中的關(guān)鍵技術(shù)研究”（AB22035024）。

【作者簡介】黃劍新，男，廣西崇左人，本科，高級工程師，研究方向：巖土工程設(shè)計；蔣勇，男，廣西全州人，本科，工程師，研究方向：材料化學(xué)；韓琳琳，女，山東淄博人，碩士，工程師，研究方向：巖土工程。

【引用本文】黃劍新，蔣勇，韓琳琳.不同方案下的航道開挖對橋梁基礎(chǔ)變形影響研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：12-16.