河道開挖對鄰近橋墩樁基影響的數(shù)值分析

邱 超 王平安 劉建元

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

河道開挖對鄰近橋墩樁基影響的數(shù)值分析

邱 超 王平安 劉建元

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

結(jié)合河道開挖工程實(shí)例，通過三維有限元分析，研究了河道開挖對鄰橋墩樁基的影響。對樁基變形作了初步預(yù)估，發(fā)現(xiàn)同等條件下開挖深度越大，擾動變形越明顯，靠近河道位置最近的1號樁身的變形最大，位于12.72 m埋深處的最大水平變形約-0.98 mm，樁端水平位移約-0.19 mm，樁頂水平位移約-0.92 mm；同時給出了合理的橋墩監(jiān)測變形控制值，為以后的實(shí)際工程提供借鑒。

河道開挖,樁基礎(chǔ),數(shù)值分析,變形

1 概述

河道開挖工程對鄰近土體及建筑物有著重要的影響，在河道開挖的過程中，如果開挖不當(dāng)，就有可能造成巨大的損失。因此河道開挖一直是工程界研究的熱點(diǎn)之一[1-3]。

研究表明，河道開挖引起的周圍地表變形及建筑物的沉降是多種因素作用的結(jié)果。由于數(shù)值分析能夠更加真實(shí)的反映工程場地的實(shí)際情況，數(shù)值模擬越來越多的被應(yīng)用到工程當(dāng)中去，并且數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際工程更加接近。朱逢斌等[4]運(yùn)用數(shù)值分析的方法研究了軟土地區(qū)隧道開挖對鄰近樁基的影響規(guī)律；左殿軍等[5]運(yùn)用Abaqus數(shù)值模擬研究了考慮隧道襯砌與土相互作用時的基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響；林杭等[6]運(yùn)用FLAC3D有限差分法研究了基坑開挖對鄰近隧道變形的影響。周晉[7]運(yùn)用巖土工程分析軟件Plaxis分析了基坑開挖對鄰近建筑物及地下水的影響。鄭剛等[8]在考慮小變形的基礎(chǔ)上，對鄰近基坑不同樓層建筑作了細(xì)致化的有限元分析。以上分析都是基于距離不超過50 m的鄰近建筑的影響研究，因此有必要對距離超過50 m的鄰近建筑的影響進(jìn)行研究。

運(yùn)用Abaqus數(shù)值分析軟件研究了河道開挖對鄰近橋墩樁基的影響，對樁基變形作了初步的預(yù)估。給出了合理的樁基監(jiān)測變形控制值，為以后的實(shí)際工程提供借鑒。

2 河道開挖橋墩影響的數(shù)值分析

2.1模型尺寸

分析所選取的典型不利河段，開挖河道的河邊線距離鐵路中心線最近約50 m，橋墩采用8根φ1.25 m等長的混凝土灌注樁，承臺尺寸均為12.3 m×5.7 m×2.5 m。有限元計(jì)算采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析，可以揭示樁土相互作用機(jī)理，研究河道開挖施工引起的樁基變形和應(yīng)力分布規(guī)律。

河段的河道頂寬約50 m，臨橋側(cè)的河邊坡頂線距橋墩中心線約50 m，橋墩間距均為32.6 m，而且河道與大橋走向基本平行，整體結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此本次三維數(shù)值分析在綜合考慮精度和運(yùn)算時間成本基礎(chǔ)上，確定模型區(qū)域?yàn)椋核较?40 m(左邊界距離橋墩50 m)×75 m(深度方向，下邊界取樁底向下延伸10 m)×32.6 m(橋梁走向)。

2.2模型的建立

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土采用改進(jìn)的Mor-Colomb彈塑性本構(gòu)模型，承臺、樁體采用線彈性模型。

樁土接觸面和承臺土接觸面上設(shè)置接觸單元，樁側(cè)土體與樁體的接觸摩擦采用罰剛度算法，允許彈性滑移變形，法向采用硬接觸；樁底，以及承臺與土體接觸面均使用無摩擦硬接觸模型。模型在橋墩承臺及樁周的地基土體位置劃分密集網(wǎng)格，橋墩和樁基的網(wǎng)格尺寸在0.2 m～2.5 m之間，其他部分的土體網(wǎng)格相對稀疏。有限元網(wǎng)格圖如圖1所示。承臺、樁、土體均采用三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)等參單元(C3D8)，其中土體單元86 928個，承臺、樁單元9 556個，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 702個。

有限元模型X軸方向?yàn)闄M橋向，以河道斷面指向橋墩方向?yàn)檎琘軸正向豎直朝上，Z軸方向?yàn)檠睾拥雷呦颉ＤＰ偷撞科矫婕s束三個方向的位移自由度，模型側(cè)面垂直于X軸的平面約束Z向的位移自由度，垂直于Z軸的平面約束X向的位移自由度。

2.3模擬工況

根據(jù)無樁開挖對地層的變形影響分析可知，觀測斷面距離開挖河道越遠(yuǎn)，河道施工對觀測斷面的卸荷影響變形越小。本小節(jié)以河道邊線與鐵路最近處的橋墩(距離河道邊線約50 m)為研究對象，分析河道開挖施工對橋臺和樁身變形影響。

河道開挖對樁基的影響分析采用總應(yīng)力分析方法，計(jì)算模擬時步驟如下：

Step1：初始地應(yīng)力計(jì)算，形成初始自重應(yīng)力場并確保初始位移接近于0；

Step2(Remove1)：開挖1.8 m；

Step3(Remove2)：繼續(xù)開挖2.0 m；

Step4(Remove3)：繼續(xù)開挖1.5 m。

2.4開挖對樁基影響計(jì)算分析

運(yùn)用三維有限元法計(jì)算得到主橋墩在不同開挖高程的位移，結(jié)果于表1。

主橋墩頂?shù)淖冃翁卣鼽c(diǎn)及橋樁位置參見圖2，其中主橋墩的位移取墩頂中軸線(垂直河道方向)的a，b，c處，距離河道邊線分別約43.8 m,50 m,56.2 m；主橋墩下樁基礎(chǔ)取1號，2號，3號，4號，樁軸距離河道邊線分別約44.0 m，48.4 m,51.6 m,55.0 m。

表1 河道開挖至河底引起橋梁主橋墩變形值

圖3～圖5為河道開挖高程分別為2.0 m(一級馬道)，0.0 m和-1.5 m(設(shè)計(jì)高程)引起樁身變形曲線。河道開挖至2.0 m高程引起1號，2號，3號，4號樁的最大水平變形分別約0.64 mm(數(shù)值為正表示朝著河道方向)，0.60 mm，0.59 mm，0.59 mm，最大值位于12.7 m位置附近；當(dāng)河道開挖至0.0 m高程時，1號,2號,3號,4號樁的最大水平變形分別約0.85 mm，0.80 mm，0.78 mm，0.78 mm，最大值亦位于12.7 m附近；當(dāng)開挖至河底設(shè)計(jì)高程引起的1號、2號、3號、4號樁最大水平變形分別約為0.99 mm，0.93 mm，0.92 mm，0.92 mm，最大變形位置出現(xiàn)在9.8 m埋深位置。此時的變形都小于1 mm，因此當(dāng)河道開挖深度不大，河道開挖對距離超過50 m的建筑物的影響很小。

由以上分析可知，河道開挖深度對橋墩、樁身的變形大小成正相關(guān)性，即開挖深度越深，橋墩、樁的變形相對越大。樁身的水

平變形規(guī)律主要與開挖深度，土層變形模量、強(qiáng)度參數(shù)密切相關(guān)。

通過大型三維有限元靜力計(jì)算，分析河道開挖對大橋主橋墩的擾動影響，分析了橋梁樁基的內(nèi)力變形，研究了施工對橋梁樁基受力變形的影響。主要結(jié)論歸納如下：

1)根據(jù)橋墩距離河道岸邊最近距離45 m方案的計(jì)算結(jié)果，河道開挖產(chǎn)生的主墩頂沉降變形和橫橋向變形分別約-0.08 mm～0.02 mm和0.85 mm。

2)河道開挖工程將引起樁身擾曲變形，同等條件下開挖深度越大，擾動變形越明顯。根據(jù)施工方案，開挖至河底高程，靠近河道位置的1號樁身變形最大，朝河向的最大水平變形約-0.98 mm，位于12.72 m埋深處，樁端水平位移約-0.19 mm，樁頂水平位移約-0.92 mm。

3)結(jié)合本工程具體情況，建議橋墩的均勻沉降量宜控制在0.1 cm；主橋墩橫橋向水平位移限值宜控制在0.1 cm，順橋向位移限值宜控制在0.1 cm。

3 結(jié)語

通過以上研究與分析，得到如下結(jié)論：

模擬了河道開挖對鄰近樁基的側(cè)向變形的影響，對實(shí)際工程中的樁基變形作了一個預(yù)測。河道開挖工程將引起樁身擾曲變形，同等條件下開挖深度越大，擾動變形越明顯。根據(jù)施工方案，開挖至河底高程，靠近河道位置的1號樁身變形最大，朝河向的最大水平變形約-0.98 mm，位于12.72 m埋深處，樁端水平位移約-0.19 mm，樁頂水平位移約-0.92 mm。當(dāng)河道開挖深度不大，建筑物與河道開挖的距離超過50 m時，河道開挖對建筑的影響很小。河道開挖對建議橋墩的均勻沉降量宜控制在1 mm；主橋墩橫橋向水平位移限值宜控制在1 mm，順橋向位移限值宜控制在1 mm。

[1] 羅曉輝，白世偉.深基坑大變形耦合分析與數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2003，24(6)：974-978.

[2] 李志偉，鄭 剛.基坑開挖對鄰近不同剛度建筑物影響的三維有限元分析[J].巖土力學(xué)，2013,34(6)：1807-1814.

[3] 劉國彬，劉登攀.基坑施工對周圍建筑物沉降的影響分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007,37(11)：79-83.

[4] 朱逢斌，楊 平,ONG C W.盾構(gòu)隧道開挖對鄰近樁基影響豎直分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008,30(2)：298-302.

[5] 左殿軍，史 林，李銘銘,等.深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014,36(2):391-395.

[6] 林 杭，陳靖宇，郭 春，等.基坑開挖對鄰近既有隧道變形影響范圍的數(shù)值分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015,46(11):4240-4247.

[7] 周 晉.基坑開挖對鄰近建筑物影響的數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(5):162-166.

[8] 鄭 剛，李志偉.基坑開挖對鄰近不同樓層建筑物影響的有限元分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,45(9):829-837.

Numericalanalysisofinfluenceofriverexcavationonadjacentpilefoundation

QiuChaoWangPinganLiuJianyuan

(CollegeofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Combined with the example of river excavation, the influence of excavation on the pile foundation is studied by three-dimensional finite element analysis. The deformation of pile foundation is preliminarily estimated. It is found that the excavation depth is bigger and the disturbance deformation is more obvious under the same condition. The maximum deformation of the 1# pile near the river location is about -0.98 mm at the depth of 12.72 m, the horizontal displacement of the pile is about -0.19 mm, and the horizontal displacement of the pile is about -0.92 mm. Moreover, the reasonable monitoring value of pier is given, which maybe provide some reference for future practical projects.

river excavation, pile foundation, numerical analysis, deformation

1009-6825(2017)32-0167-02

2017-09-03

邱 超(1992- )，男，碩士

U445.551

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