軟弱土層河道開(kāi)挖對(duì)群樁影響及數(shù)值模擬

鐘悅鵬，彭孝旺，熊山銘

(1.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院, 江西 贛州 341000；2.贛州交通控股集團(tuán)有限公司, 江西 贛州 341000)

0 引 言

河道開(kāi)挖與基坑開(kāi)挖類(lèi)似，也會(huì)造成地表土層卸載，土層的回彈會(huì)給所在結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性造成不良影響[1-3]。對(duì)于橋梁底部的群樁結(jié)構(gòu)，河道開(kāi)挖可能會(huì)造成樁基偏移與上浮，從而導(dǎo)致橋臺(tái)及上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題。

對(duì)于類(lèi)似施工場(chǎng)景，已經(jīng)有相關(guān)研究者做了一些研究。馮印[4]針對(duì)新溝河新開(kāi)河道對(duì)滬寧城際高鐵橋梁的安全影響通過(guò)有限元定量數(shù)值分析，研究了河道開(kāi)挖帶來(lái)的橋臺(tái)附加位移。才多[5]利用Bently平臺(tái)下的Power GeoPak軟件以上海松江區(qū)洞涇港華陽(yáng)湖的開(kāi)挖為例，研究了河道開(kāi)挖卸載給橋臺(tái)帶來(lái)的影響。倪恒[6]等以浙江省嘉興市一高鐵段鄰近施工工程為背景，研究河道開(kāi)挖、棄土堆載對(duì)橋墩和承臺(tái)的豎向位移、橫向位移的影響。李娟[7]結(jié)合長(zhǎng)臨高速舊縣2號(hào)特大橋工程實(shí)況，分析了河道開(kāi)挖對(duì)橋墩的影響。

已有的研究大多集中于河道開(kāi)挖對(duì)橋墩與橋臺(tái)帶來(lái)的影響，事實(shí)上橋墩與橋臺(tái)的變形是由于橋梁群樁位移的變化帶來(lái)的[8-9]。本文采用有限元軟件Midas/GTS NX建立了三維模型，分析了不同加固措施在河道開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)橋梁群樁位移與內(nèi)力帶來(lái)的影響。

1 工程概況

某高速公路設(shè)計(jì)速度為120 km·h-1，總寬度為26 m，在通過(guò)淤泥質(zhì)地層的時(shí)候采用橋梁施工，運(yùn)行期間該段高速公路線路平順。后來(lái)因?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)，在橋梁底部37#墩與39#墩之間需要開(kāi)挖1條河道。為了減小河道開(kāi)挖對(duì)橋梁群樁的影響，防止樁基偏移，開(kāi)挖過(guò)程中需要對(duì)橋梁群樁周邊進(jìn)行加固，采用高壓旋噴樁加固河道兩側(cè)橋梁墩臺(tái)，采用袖閥管注漿及鋼板樁加固河道中部橋梁墩臺(tái)，如圖1所示。

圖1 橋梁底部群樁加固處理

河道開(kāi)挖采用分塊與分步法，對(duì)橋梁投影河道部分劃分為6個(gè)部分，如圖2所示。先開(kāi)挖橋梁投影河道部分，后開(kāi)挖河道開(kāi)挖投影之外的部分。橋梁37#墩左右兩側(cè)劃分為2個(gè)區(qū)域(區(qū)域一、區(qū)域二)，38#墩左右兩側(cè)劃分為2個(gè)區(qū)域(區(qū)域三、區(qū)域四)，39#墩左右兩側(cè)劃分為2個(gè)區(qū)域(區(qū)域無(wú)、區(qū)域六)。開(kāi)挖施工時(shí)橋墩兩側(cè)開(kāi)挖高差不得大于50 cm，以免土壓力對(duì)橋墩造成破壞。橋梁群樁加固現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖2 橋梁投影河道部分劃分

圖3 橋梁群樁加固現(xiàn)場(chǎng)

2 數(shù)值模擬

為了分析河道開(kāi)挖對(duì)橋梁群樁的位移與內(nèi)力帶來(lái)的影響，本文采用大型有限元軟件Midas/GTS NX建立了全尺寸的三維數(shù)值模型進(jìn)行分析，根據(jù)地勘報(bào)告與樁基測(cè)試報(bào)告，文中采用的地層參數(shù)與樁基參數(shù)見(jiàn)表1、2。所有土層均遵守Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，其中主要參數(shù)為土層的彈性模量，黏聚力與內(nèi)摩擦角，其余材料均為理想線彈性體。采用軟件自帶的混合網(wǎng)格生成器將所有材料劃分為六面體網(wǎng)格，地層、注漿體、橋臺(tái)與橋墩等均采用實(shí)體單元模擬，所有橋梁群樁與高壓旋噴樁均采用樁單元模擬，模型邊界為靜力學(xué)開(kāi)挖常用的自動(dòng)約束邊界，模型荷載僅考慮重力，每個(gè)區(qū)域的開(kāi)挖劃分為8層，第1步進(jìn)行位移清零，即后續(xù)只計(jì)算河道開(kāi)挖帶來(lái)的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)變化。整個(gè)模型長(zhǎng)123 m，寬68 m，高34 m，共有24 655個(gè)節(jié)點(diǎn)，51 170個(gè)單元，整體網(wǎng)絡(luò)劃分與細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 地層與相關(guān)材料計(jì)算參數(shù)

表2 樁界面計(jì)算參數(shù)

圖4 模型整體網(wǎng)絡(luò)劃分與細(xì)部結(jié)構(gòu)

3 計(jì)算結(jié)果

河道中間橋梁群樁采用袖閥管注漿及鋼板樁加固，河道兩側(cè)的橋梁群樁采用高壓旋噴樁加固。為了分析這2種加固方式的不同效果，在河道中間群樁上與右側(cè)群樁上分別設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)。

4.1 群樁位移分析

在河道開(kāi)挖過(guò)程中，群樁上采樣點(diǎn)的水平(X)與豎直位移(Z)的變化曲線如圖5所示，河道開(kāi)挖完成后橋梁墩臺(tái)與群樁位移云圖如圖6所示。

圖5 群樁位移隨著開(kāi)挖步驟變化

圖6 河道開(kāi)挖完成后橋梁墩臺(tái)與群樁位移云圖

圖7 河道開(kāi)挖完成后橋梁群樁內(nèi)力云圖

由圖5可知，對(duì)于中間群樁，在開(kāi)挖河道投影部分過(guò)程中，群樁水平位移幾乎保持不變，豎直方向出現(xiàn)了群樁上浮現(xiàn)象，且豎直方向位移緩慢增加，在開(kāi)挖河道投影之外部分過(guò)程中，群樁呈現(xiàn)了偏向開(kāi)挖方向的水平位移，此時(shí)群樁的豎直位移迅速增加；對(duì)于右側(cè)群樁，類(lèi)似的是，在開(kāi)挖河道投影部分過(guò)程中，群樁水平位移幾乎保持不變，群樁豎直位移緩慢增加，然而在開(kāi)挖河道投影之外部分的過(guò)程中，群樁水平位移先增加后減小，呈現(xiàn)出了一個(gè)倒“V”形結(jié)構(gòu)，群樁豎直位移依然是緩慢地增加。由圖6可知，河道開(kāi)挖完成后，中間群樁依然呈現(xiàn)出了較大的水平位移與豎直位移，右側(cè)群樁水平位移幾乎為零，豎直位移小于中間群樁，橋梁墩臺(tái)最大水平位移為0.82 cm，最大豎直位移為1.76 cm。

4.2 群樁內(nèi)力分析

在河道開(kāi)挖完成后，橋梁群樁內(nèi)力云圖如圖7所示。由圖7可知，兩側(cè)群樁軸力較大，中間群樁軸力較小，最大軸力為708 kN，出現(xiàn)在右側(cè)群樁，兩側(cè)群樁彎矩較小，因此在河道開(kāi)挖的完后，兩側(cè)群樁是處于對(duì)稱(chēng)壓力作用下的，而右側(cè)群樁水平位移幾乎為零，這一點(diǎn)是統(tǒng)一的。而中間群樁受到了偏向開(kāi)挖方向的彎矩的作用，最大彎矩為10.84 kN·m，這一點(diǎn)與中間群樁最大水平位移偏向開(kāi)挖方向表現(xiàn)一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬的方法，依據(jù)已有的施工方案，建立三維模型分析了河道開(kāi)挖對(duì)橋梁群樁的影響，主要結(jié)論如下。

(1)在袖閥管注漿及鋼板樁加固后，橋梁群樁的水平位移與彎矩均偏向河道開(kāi)挖方向，而軸力較小，豎直位移相對(duì)較大。

(2)在高壓旋噴樁加固后，橋梁群樁的水平位移與彎矩幾乎為零，軸力較大，而豎直位移相對(duì)較小。

(3)對(duì)于軟弱土層河道開(kāi)挖，為了減小對(duì)群樁的影響，袖閥管注漿及鋼板樁加固或高壓旋噴樁加固后采用分塊分步開(kāi)挖均能取得較好地效果。