河道開挖對鄰近橋墩樁基影響的數值分析

邱 超 王平安 劉建元

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

河道開挖對鄰近橋墩樁基影響的數值分析

邱 超 王平安 劉建元

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

結合河道開挖工程實例，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估，發現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測變形控制值，為以后的實際工程提供借鑒。

河道開挖,樁基礎,數值分析,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，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果。由于數值分析能夠更加真實的反映工程場地的實際情況，數值模擬越來越多的被應用到工程當中去，并且數值計算的結果與實際工程更加接近。朱逢斌等[4]運用數值分析的方法研究了軟土地區隧道開挖對鄰近樁基的影響規律；左殿軍等[5]運用Abaqus數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上，對鄰近基坑不同樓層建筑作了細致化的有限元分析。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行研究。

運用Abaqus數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估。給出了合理的樁基監測變形控制值，為以后的實際工程提供借鑒。

2 河道開挖橋墩影響的數值分析

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。有限元計算采用總應力法進行分析，可以揭示樁土相互作用機理，研究河道開挖施工引起的樁基變形和應力分布規律。

河段的河道頂寬約50 m，臨橋側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，整體結構具有對稱性，因此本次三維數值分析在綜合考慮精度和運算時間成本基礎上，確定模型區域為：水平向140 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

計算區域內的土采用改進的Mor-Colomb彈塑性本構模型，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置接觸單元，樁側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格，橋墩和樁基的網格尺寸在0.2 m～2.5 m之間，其他部分的土體網格相對稀疏。有限元網格圖如圖1所示。承臺、樁、土體均采用三維實體8節點等參單元(C3D8)，其中土體單元86 928個，承臺、樁單元9 556個，總節點數為97 702個。

有限元模型X軸方向為橫橋向，以河道斷面指向橋墩方向為正，Y軸正向豎直朝上，Z軸方向為沿河道走向。模型底部平面約束三個方向的位移自由度，模型側面垂直于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，河道施工對觀測斷面的卸荷影響變形越小。本小節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力分析方法，計算模擬時步驟如下：

Step1：初始地應力計算，形成初始自重應力場并確保初始位移接近于0；

Step2(Remove1)：開挖1.8 m；

Step3(Remove2)：繼續開挖2.0 m；

Step4(Remove3)：繼續開挖1.5 m。

2.4開挖對樁基影響計算分析

運用三維有限元法計算得到主橋墩在不同開挖高程的位移，結果于表1。

主橋墩頂的變形特征點及橋樁位置參見圖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(設計高程)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；當開挖至河底設計高程引起的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，最大變形位置出現在9.8 m埋深位置。此時的變形都小于1 mm，因此當河道開挖深度不大，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

平變形規律主要與開挖深度，土層變形模量、強度參數密切相關。

通過大型三維有限元靜力計算，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力變形，研究了施工對橋梁樁基受力變形的影響。主要結論歸納如下：

1)根據橋墩距離河道岸邊最近距離45 m方案的計算結果，河道開挖產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 結語

通過以上研究與分析，得到如下結論：

模擬了河道開挖對鄰近樁基的側向變形的影響，對實際工程中的樁基變形作了一個預測。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值分析[J].巖土力學，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，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].建筑結構，2007,37(11)：79-83.

[4] 朱逢斌，楊 平,ONG C W.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響豎直分析[J].巖土工程學報，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值計算分析[J].巖土工程學報，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值分析[J].中南大學學報(自然科學版)，2015,46(11):4240-4247.

[7] 周 晉.基坑開挖對鄰近建筑物影響的數值分析[J].水利與建筑工程學報，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].天津大學學報，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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