周國志

(蘇交科集團股份有限公司新疆分院 烏魯木齊市 830000)

0 引言

作為公路交通中重要連接載體，橋梁是不可或缺的工程設施，而橋梁的安全穩(wěn)定性與橋樁息息相關，當橋樁下方受到其他施工影響擾動時，均會在一定程度上影響橋樁承載能力[1-3]。一些城市在大力發(fā)展地鐵軌道交通時，盾構(gòu)是其中快速而安全的施工手段，但當面臨橋樁施工環(huán)境時，盾構(gòu)施工穿越橋樁對其穩(wěn)定性影響不可忽視[4-5]。已有一些工程師或?qū)W者通過巖土體理論公式或施工技術參數(shù)指標研究盾構(gòu)穿越橋樁時，對樁間土擾動影響，極大豐富了橋梁樁基礎受施工擾動影響研究[6-7]。但也有一些學者通過有限元數(shù)值軟件，建立工程模型，分析各種復雜工況下橋樁受擾動的影響規(guī)律[8-10]，為工程施工提供重要理論參考。為此，借助FLAC有限元軟件，根據(jù)工程資料，模擬不同穿越工況下不同橋梁結(jié)構(gòu)時橋樁受擾動影響變形特征。

1 工程概況

某橋梁設計為城市快速公交的三環(huán)外環(huán)城公路連接架構(gòu)體，是城市BRT公交的實現(xiàn)載體，研究區(qū)段內(nèi)橋梁長度約為1.2km，設計橋面寬度7.5m，設計橋面行車速度不超過80km/h，但由于該橋梁設計時還并未確定采用簡支梁或連續(xù)梁，即橋梁結(jié)構(gòu)形式還處于討論環(huán)節(jié)，但由于橋梁下方正進行地鐵盾構(gòu)施工，因而其對橋梁樁基影響不可忽視，且由于橋梁結(jié)構(gòu)形式設計差異性，一定程度會對橋梁樁基穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。該橋梁設計耐久性為Ⅱ級，盾構(gòu)施工隧道面直徑約為5.8m，盾構(gòu)施工掘進速率8m/d，盾構(gòu)管片厚度為30cm，樁隧間距為15m，通過在中間層注漿加固土層穩(wěn)定性。盾構(gòu)施工斷面鋪設有土工隔膜作為止水設施，施工過程中已搭建好橋梁樁基如圖1所示，本文將針對于盾構(gòu)施工過程中橋梁樁基安全性進行研究分析。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料得知，橋梁所在區(qū)域表面土層主要為人工填土，厚度約有3.6m，土體主要為粘性土與細砂土體，密實性較差，析水性較強；另在填土下層中還含有第四系的沉積土層，主要為淤泥質(zhì)土、砂土層以及礫石土交織錯雜，其中淤泥質(zhì)土含水量達44%，礫石土所含顆粒粒徑均超過3mm，級配不良，盾構(gòu)施工所在土層中主要面臨的即是該土層中砂土層，該層土體占比較大，最厚處達6.4m，可塑性較強，已產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，對盾構(gòu)掘進施工帶來影響。基巖層為花崗巖體，中風化作用，根據(jù)現(xiàn)場取樣得知，該基巖層穩(wěn)定性較好，取樣表面磨圓度較好，肉眼不可見孔隙分布，室內(nèi)土工試驗確定該基巖層可作為橋梁樁基重要載體，即使工程研究區(qū)域內(nèi)地下水位較高，但花崗巖圖受滲透破壞影響較弱。

2 計算理論與建模

2.1 計算理論

本工程考慮采用FLAC 3D有限元數(shù)值軟件作為求解基礎，F(xiàn)LAC求解時將所建模型進行網(wǎng)格單元化后，對每一個網(wǎng)格認為是其中一個質(zhì)點，而每個質(zhì)點運動與變形服從以下式：

(1)

(2)

上述所計算出來的即為各質(zhì)點的應變與運動速率參數(shù)，另FLAC中還有運動平衡方程，其可表述為

(3)

式(1)～式(3)中，ρ指密度參數(shù)；vi指運動速度值。

運動方程與靜力學方程聯(lián)立可得到靜力平衡方程，可針對于質(zhì)點應力進行求解，其靜力平衡方程為

(4)

式中，σij指應力值；bi指體力。

其中每個材料質(zhì)點又有自身本構(gòu)方程，以M-C模型本構(gòu)方程為巖土體應力應變性質(zhì)，該模型方程以下式可表述為

Δ[σ]=[E]Δ[ε]

(5)

式中，[E]指剛度矩陣。

應力增量在彈性變形中可表述為

(6)

式中，α1、α2與材料模量參數(shù)有關。

在求解應力變形特征參數(shù)時利用有限差分迭代逼近最優(yōu)解，其中差分服從高斯積分，有

(7)

式中，[n]指法向矢量矩陣

針對正交原理與線性速度迭代逼近原則，有

(8)

在獲得應力應變等特征參數(shù)條件下，針對性分析材料安全穩(wěn)定性。根據(jù)工程實際情況，考慮土體應力分布均勻，且影響荷載僅考慮自重應力，隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式考慮為混凝土抹面剛體模型，各個管片之間的連接考慮為無摩擦界面，巖土體材料強度準則均服從M-C屈服準則，相關材料參數(shù)以土工試驗報告為依據(jù)。樁基與土層之間接觸界面不僅有摩擦力，亦與土體材料剛度性質(zhì)有關，且樁基穿越土層性質(zhì)差異較大，因而樁間土接觸關系統(tǒng)一以FLAC 3D推薦模型表述，如下式所述：

(9)

式中，K、G指模量；ΔZmin指接觸面上最小單元體尺寸。

2.2 建模

由于不同研究工況下建模基本類似，按照工程實際資料在FLAC 3D中創(chuàng)建數(shù)值模型，工程設計幾何剖面與橋樁編號如圖2所示，以盾構(gòu)施工穿越簡支梁橋設計形式為例，研究考慮盾構(gòu)側(cè)面穿越橋樁上部、中部、下部不同形式以及下穿橋樁四種工況。圖3為盾構(gòu)側(cè)面穿越橋樁基礎中部工況下所建數(shù)值模型，并已劃分好網(wǎng)格單元，樁基與盾構(gòu)隧道之間的空間位置關系如圖4(a)所示，樁間土界面間接觸關系如圖4(b)所示。設定X、Y、Z向分別為橋樁的水平向、縱向及豎向位移。另為分析方便，按照盾構(gòu)隧道掘進方向及橋樁分布在盾構(gòu)隧道兩側(cè)形式，以左側(cè)(前排左側(cè)、后排左側(cè))、右側(cè)(前排右側(cè)、后排右側(cè))區(qū)分橋樁位置。另在連續(xù)橋結(jié)構(gòu)中，根據(jù)距離隧道遠近又分為遠端(前排左側(cè)、后排左側(cè))、近端(前排左側(cè)、后排左側(cè))、遠端(前排右側(cè)、后排右側(cè))、近端(前排右側(cè)、后排右側(cè))。

3 數(shù)值試驗結(jié)果分析

3.1 簡支梁橋結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)盾構(gòu)施工不同側(cè)穿越簡支梁結(jié)構(gòu)形式，獲得了橋樁位移云圖，限于篇幅，本文列出工況一側(cè)穿越橋樁上部位移云圖，如圖5所示。從側(cè)穿越形式來看，橋樁受盾構(gòu)擾動影響，呈左側(cè)橋樁X向位移高于右側(cè)，且左側(cè)橋樁位移由頂部增大至底部，而右側(cè)與之相反，最大位移出現(xiàn)在左側(cè)1#、2#橋樁上，達2.847mm，兩側(cè)位移分布具有對稱性分布；左右兩側(cè)橋樁Y向位移分布基本一致，橋樁頂端局部Y向位移較大，達到4.267mm，分析是由于盾構(gòu)側(cè)穿越橋樁上部影響Y向位移分布；從沉降云圖來看，最大沉降仍然在左側(cè)4#橋樁，最大沉降達3.389mm，且側(cè)穿越中最大沉降均出現(xiàn)在左側(cè)橋樁。

為準確對比側(cè)穿越橋樁不同形式工況下樁基變形特性，以其中左右兩側(cè)2#、6#橋樁作為特征樁，分別對比不同工況下橋樁變形特性，獲得如圖6所示結(jié)果。從圖中可看出，X向位移中，除工況四以外，側(cè)穿越各工況中兩側(cè)橋樁位移分布互為對稱，量值上亦是側(cè)穿越形式橋樁位移值更大，其中下穿越工況四中2#橋樁最大位移為0.1mm，僅為側(cè)穿越橋樁上部工況一的3.5%，側(cè)穿越工況中又以工況一位移值最大，工況二僅為其的87.6%、23.7%。Y向位移中各工況下左右兩側(cè)橋樁上位移分布變化基本一致，且量值上亦較為接近，以工況三為例，左側(cè)2#橋樁最大Y向位移為0.8mm，右側(cè)6#橋樁最大位移亦是0.8mm左右，且樁長上位移分布均呈底部至頂部，逐漸增大。Z向沉降位移中分布處于較“穩(wěn)定”狀態(tài)，即樁長上沉降位移均為一致性，其中工況一2#橋樁沉降位移穩(wěn)定在4.43mm，工況二、工況三2#橋樁沉降位移相比前者分別下降了14.5%、33.2%，結(jié)合沉降云圖可看出，沉降變形以前排橋樁位移更大，后排橋樁位移較低，但工況四中以左側(cè)沉降位移更大，右側(cè)橋樁位移較低，右側(cè)6#橋樁沉降位移穩(wěn)定在0.26mm。

3.2 連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式

連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式下盾構(gòu)施工穿越研究工況、橋樁分布及編號如圖7所示，模型參數(shù)及巖土材料均與前文一致。圖8為側(cè)穿越橋樁上部樁身位移分布特征云圖，限于篇幅，以圖8開展分析，遠端左側(cè)橋樁X向位移從頂部至底部逐漸由負向位移過渡至以正向位移為主，且為遞增態(tài)勢；近端及遠端右側(cè)橋樁為從頂部至底部逐漸在負方向上位移增大的態(tài)勢，且近端左側(cè)橋樁增大幅度極為顯著，靠近遠端右側(cè)橋樁增長斜率較小。Y向位移在橋樁上分布均呈底部至頂部逐漸增大態(tài)勢，橋樁愈靠近遠端右側(cè)，則位移增長斜率愈小，工況一中最大Y向位移為2.331mm。Z方向沉降變形中以后排橋樁更小，愈靠近前排橋樁的沉降更大，其中最大沉降出現(xiàn)在前排遠端右側(cè)4#橋樁，達5.3mm左右。

對比不同工況下位移特征，如圖9所示，從圖中可看出工況一的2#橋樁X向位移為負向位移，且為增大態(tài)勢，但工況二、工況三、工況四該根橋樁的位移值為X正向位移區(qū)間內(nèi)遞增，最大值分別達到2.2mm，其中工況二、工況三、工況四中的2#橋樁最大值分別為3.47mm、0.2mm、0.8mm(負向)。Y向位移中工況一近側(cè)2#橋樁、遠測4#橋樁位移值從底部至頂部增長斜率基本一致，樁身上每米增長位移值約0.15mm，工況二乃是減小態(tài)勢，樁長每增長1m位移值增大約0.2mm，工況三、工況四亦是如此，同一工況下2#、4#橋樁位移值增長斜率基本相近。各工況中均以2#、4#橋樁為最大Z向沉降變形，其中4#橋樁沉降變形又相比2#稍大，工況二中2#橋樁沉降變形穩(wěn)定在4.62mm，4#橋樁沉降變形相比高5.8%，約為4.89mm，四個工況中又以工況四沉降變形為最大，達8.1mm。

當盾構(gòu)施工均為下穿越形式時，即工況四，簡支梁與連續(xù)梁兩種橋梁結(jié)構(gòu)形式下以3#樁作為對比，如圖10所示，簡支梁結(jié)構(gòu)形式中樁身上X向位移基本上一半為正向位移，另一半處于負向位移，約在樁身13m處X向位移為0；但連續(xù)梁橋約在樁身13m處為最小位移(負向)，樁頂至樁身13m處，呈逐漸減小，樁身13m至樁底部，逐漸增大。Y向位移中，簡支梁與連續(xù)梁橋3#樁身位移值均從頂部至底部遞增，但增長斜率以簡支梁為更大，平均每米增長位移值0.1mm。Z向位移中以簡支梁更大，3#橋樁沉降變形約為8.7mm，連續(xù)梁橋僅為前者的55%。綜上分析表明，相同盾構(gòu)穿越橋樁形式工況下，簡支梁橋結(jié)構(gòu)設計的水平向位移或沉降變形均是最大，受盾構(gòu)施工擾動影響更敏感。

4 結(jié)論

針對盾構(gòu)施工對橋梁樁基影響特性，利用FLAC 3D有限元數(shù)值軟件建立網(wǎng)格模型，分析了簡支梁與連續(xù)梁橋兩種結(jié)構(gòu)形式下，不同穿越形式工況中橋樁位移變化特征，獲得了以下幾點結(jié)論：

(1)獲得了盾構(gòu)穿越簡支梁橋時，側(cè)穿越形式下兩側(cè)橋樁X向位移分布互為對稱，其位移高于下穿越形式，側(cè)穿越中上部樁基位移值最大；各工況Y向位移分布變化均呈底部至頂部遞增，量值接近，工況三2#、6#橋樁最大位移均為0.8mm左右；前排橋樁Z向沉降變形高于后排橋樁，下穿越形勢下左側(cè)橋樁沉降高于右側(cè)，6#橋樁沉降穩(wěn)定在0.26mm。

(2)研究了盾構(gòu)穿越連續(xù)梁橋時，側(cè)穿或下穿X向位移均由頂部至底部遞增，但側(cè)穿樁基上部時為X正向位移；Y向位移中遠近側(cè)橋樁從底部至頂部增長或減小斜率一致，側(cè)穿越樁基上部時每米樁長增長位移值約0.15mm，其余穿越形式均為遞減；各工況Z向位移中均為4#橋樁沉降變形最大，其中下穿越工況沉降變形又是4#橋樁中最大，達8.1mm。

(3)對比了簡支梁與連續(xù)梁橋下穿工況時位移特征，簡支梁與連續(xù)梁橋樁X向位移分布呈相反；兩種梁橋結(jié)構(gòu)Y向位移均為從頂部至底部遞增，但以簡支梁增長斜率最大，平均每米增長位移值0.1mm；簡支梁Z向位移中更大，3#橋樁達8.7mm，連續(xù)梁橋僅為其55%。