深基坑開挖邊坡上橋梁樁基模型試驗研究

曹周紅，王志鵬，汪映紅，祝偉程，彭云溪

(1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410011)

隨著中國腹地經濟和沿江產業的高速發展，內河航運貨運量呈持續增長態勢，航電樞紐年通過能力趨于飽和。為改善其通航能力，促使大量內河航電樞紐及其改擴建工程加速建設，對原有低等級航道進行了優化升級。航電樞紐建設中新建船閘深基坑開挖往往會對原有重要構筑物產生影響，而鄰近的橋梁樁基就是其中一種重要構筑物。

目前，很多學者展開了深基坑開挖對鄰近橋梁樁基影響的研究。王恒[1]等人以廈門某水閘深基坑開挖為研究背景，采用有限元軟件建立三維數學模型，研究基坑開挖時鄰近橋梁樁基的響應性狀，分析了樁體水平位移和彎矩的變化規律。姜博[2]依托成都某商業樓盤深基坑工程，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立三維數學模型，研究深基坑開挖過程對既有橋梁的影響，分析了橋梁樁基和橋樁主墩的變形特征，并與實際監測值進行了比較，還評估了深基坑開挖過程既有橋梁的穩定性。王翠[3]等人以天津地鐵二號線某深基坑工程為背景，建立有限元數學模型，計算基坑開挖過程鄰近橋梁樁基和樁周土體的變形，并與實測數據進行了對比，還提出了深基坑開挖對鄰近橋梁樁基影響的作用機制。黎科[4]依托天津某車站深基坑開挖工程，對臨近立交橋的變形、基坑周圍的地表沉降及地下深層沉降進行了跟蹤監測，并采用有限差分法對基坑開挖進行了三維模擬分析，應用實測數據校準了計算模型，探討了基坑開挖對臨近橋梁樁基變形影響的控制因素，研究其規律性并提出基坑開挖對橋梁樁基變形影響的范圍。劉建華[5]等人對高陡巖質邊坡上橋梁基樁的受力性狀進行了研究，通過室內模型試驗測得不同荷載組合以及加載方式條件下樁身彎矩和樁頂水平位移的變化規律，并獲得樁側土壓力、抗力的分布形態及影響范圍，深入探討了巖質邊坡面上橋梁樁基的受力性狀。這些學者研究的橋梁樁基都是位于基坑的外部或者在天然邊坡上進行樁基施工，而對基坑開挖形成的邊坡上的橋梁樁基研究則較少。為此，作者擬依托某二線船閘深基坑工程，采用離心物模模型試驗手段，對位于船閘深基坑開挖邊坡上橋梁樁基的受力和變形進行研究，分析由于基坑開挖引起的橋梁樁基樁側土壓力變化規律和樁頂水平位移變化規律，為相關工程提供借鑒和參考。

1 離心模型試驗

1.1 模型設計

土工構筑物進行離心試驗模擬時，為保證模型的應力水平與原型相同，采用離心機對模型施加超過重力數倍的離心慣性力來補償模型因縮尺造成的自重應力損失，達到與原型相同的應力水平，并在模型中再現原狀土工構筑物的性狀。根據近代相對論原理，重力與慣性力是等效的，而土體的性質又不隨加速度的改變而改變，因此，離心模擬技術對于以重力為主要荷載的土工構筑物特別有效[6]。為研究基坑開挖對邊坡上橋梁樁基的影響，著重分析由于開挖引起的橋梁樁基水平向受力和變形特征，忽略樁頂以上的豎向荷載，忽略地下水位及其變化所帶來的荷載，簡化橋墩、橋跨結構及地下水位荷載，設計概化的離心模型試驗。該模型試驗采用長沙理工大學TLJ-150A大型土工離心機及配置的中模型箱，其技術指標為：最大離心加速度150g；旋轉半徑3.5 m；離心加速度100g時，最大有效載荷容量1 500 kg；離心加速度150g時，最大有效載荷容量1 000 kg。模型箱的尺寸(L×W×H)為：0.9 m×0.7 m×0.7 m(大)； 0.9 m×0.36 m×0.7 m(中)； 0.8 m×0.5 m×0.5 m(小)。

離心模型的模型率為：

(1)

Hm≤δaRb。

(2)

a=ng≤amax。

(3)

C≤Cemax。

(4)

式中：Hp為原型構建物高度；Hm為模型構建物的高度；δa為離心模擬允許的梯度誤差，對于巖土工程，可在10%～15%之間取值；Rb為離心模型底板至離心機旋轉中心的距離，也即旋轉半徑；a為離心模型試驗加速度；amax為離心機運行允許的最大加速度；C為離心模型載荷容量，不包括模型箱的質量；Cemax為離心機允許的最大有效載荷容量[7]。

經反復試算，該試驗模型率n定為80，即選定幾何比尺λL=80，加速度比尺λg=1/80，離心加速度為80g，模型載荷容量遠小于離心機允許的最大有效載荷容量，將其帶入式(1)～(4)均可以得到滿足。

土工離心模型試驗的剖面圖如圖1所示，圖1中虛線段表示已簡化的構筑物或將要挖除的土層，模型各構筑物的標注尺寸為幾何縮尺后的尺寸，標注的高程與原型高程一致。位于基坑底部的0#橋梁樁基開挖前已作加固處理，2#橋梁樁基到基坑距離大于開挖深度并且坐落于閘室墻上，設計時簡化掉這2橋梁樁基。本試驗研究的對象是位于基坑開挖所形成的邊坡上的1#橋梁樁基(后續稱的橋梁樁基就是1#橋梁樁基)，其樁長為33 m，樁徑為1.8 m。

圖1 土工離心模型試驗剖面(單位：mm)Fig. 1 Test model profile of the geotechnical centrifuge(unit:mm)

1.2 模型制作

根據《港口工程離心模型試驗技術規程(JTS/T231-7-2013)》[8]進行模型制作。采用差動式位移傳感器(LVDT)測量樁頂水平位移；微型土壓力盒布設在土層分界處的樁基兩側，測量樁基(9～24 m埋深樁段)兩側的土壓力。對于粘性土，采用原型土料即可。只要其干密度和含水率與原型的保持一致，就可滿足相似關系要求[7]。將采集的粉質粘土烘干，再配置出與原型相同的含水率即可。其主要物理力學參數為：天然密度1 970 kg/m3；含水率0.262；壓縮模量8.25 MPa；泊松比0.30；粘聚力31.30 kPa；內摩擦角14.50°。巖體、圓礫及樁體混凝土材料的主要物理力學參數見表1。采集的實際巖體在試驗中難以成型，需要進行重塑模擬。根據土工離心模擬相似關系的推導，巖體天然密度、粘聚力及內摩擦角等物理力學參數的相似常數均為1，即要求模型與原型巖性材料的物理力學參數一致。試驗采用200目重晶石粉與河沙(中砂)為骨料，特級石膏和普通硅酸鹽水泥為膠結劑，水作為調節劑，將這些材料以不同比例進行混合，模擬出強風化含礫砂巖、中風化礫巖及中風化含礫砂巖。其中，模擬強風化含礫砂巖及中風化礫巖、中風化含礫砂巖的配比(重晶石粉∶河砂∶水泥∶石膏∶水)分別為：24∶14∶2∶6∶4，29∶11∶7∶5∶5和26∶10∶4∶5∶4。模擬的巖體經過三軸直剪試驗和單軸抗壓強度試驗測試達到相關要求后方可作為試驗材料。原型中的圓礫主要由石英和砂巖組成，呈次圓狀角，粒徑為1～4 cm，質量分數為70%，充填礫石和砂泥質。根據相似關系推導，試驗采用細砂(0～0.5 mm)進行模擬。橋梁樁基(混凝土灌注樁)的模擬要求滿足密度、彈性模量及抗彎剛度等相似，本試驗采用與原型橋梁樁基一致的C25混凝土材料。根據相似關系的推導，只需將原型橋梁樁基尺寸進行幾何縮尺后即為模型橋梁樁基的尺寸。該模型試驗制作過程需要將模擬好的土體、巖體及樁體按順序進行填筑，并布設相應的量測儀器。

表1 巖體、圓礫及混凝土材料主要物理力學參數Table 1 The main physical and mechanical parameters of the rock mass,round gravel and the concrete material

2 模型試驗結果

2.1 樁側土壓力荷載變化分析

試驗樁側土壓力結果如圖2所示，圖2中左、右折線分別表示橋梁樁基左、右側土壓力沿埋深方向分布。從圖2中可以看出，初始階段由于土體固結沉降比較均勻，橋基兩側所受土壓力荷載及分布一致；基坑開挖7 m深時，由于樁基左側的土體卸載量比右側的大，使得樁基右側所受土壓力荷載比左側的大，樁基右側所受土壓力荷載的平均值比左側的大8.2 kPa；基坑開挖17 m深時，巖土層的卸載均位于樁基左側，左側樁基所受土壓力荷載比上一開挖階段減幅較大，而右側樁基所受土壓力荷載減幅較小，進而使得樁基兩側土壓力的差更大，樁基兩側土壓力平均值相差20.7 kPa。表明：隨著基坑開挖的加深，由于橋梁樁基兩側巖土層的卸載不均勻，致使樁基兩側所受土壓力荷載的差越來越大。

圖2 橋樁兩側土壓力沿埋深分布Fig. 2 The soil pressure on both sides of the bridge pile distribution along the depth

2.2 樁頂水平位移的分析

在基坑開挖過程中，選取典型開挖深度對邊坡上橋樁樁頂水平位移累計值的原型觀測值與其土工離心試驗值進行對比，見表2。從表2中可以看出，當基坑開挖7 m深時，由于土層開挖的卸荷作用，使得橋梁樁基兩側存在土壓力差，這種壓力差直接影響橋梁樁基的側向變形，其結果表現為橋梁樁基的樁頂朝基坑方向發生了16.6 mm的水平位移；基坑開挖17 m深時，橋梁樁基兩側土壓力的差進一步增加，樁頂繼續朝基坑方向發生了24.5 mm水平位移；基坑開挖完成時，樁頂朝基坑方向發生的水平位移累計達41.1 mm。在基坑開挖7和17 m深度時，試驗誤差分別為7.79%和3.27%，試驗值的誤差均在合理誤差范圍內，兩者的數值相吻合。

表2 2種方法下基坑開挖樁頂的水平位移累計值Table 2 Accumulation of the horizontal displacement of bridge pile top when excavating in two methods

3 結論

以某二線船閘深基坑開挖為研究背景，設計并進行了土工離心模型試驗，探求基坑開挖對邊坡上橋梁樁基的受力和變形性狀的影響，得到的結論為：

1) 隨著基坑開挖的進行，橋梁樁基兩側所受土壓力荷載的差越來越大，進而影響樁基的水平位移。樁頂水平位移表現為朝基坑方向運動，它隨著基坑開挖深度的增加而增加。

2) 離心模型試驗模擬了基坑開挖過程，獲得了樁頂的水平位移累計值并與其原型觀測數據進行對比分析，得出兩者數值相吻合。