下穿橋梁樁基礎管溝開挖對樁基礎安全穩(wěn)定性的影響分析

易明清 胡士克

（1.廣元市交通投資集團有限公司， 四川 廣元 628000；2.西南交通大學交通安全技術研究院， 四川 成都 610031）

0 引言

隨著技術的發(fā)展和運輸需求的持續(xù)增加，交通基礎設施建設逐漸深入各類復雜地質環(huán)境中，這為工程設施建設帶來了新的難題和挑戰(zhàn)。在巖土體內施工新建地下結構會對周圍土體產生擾動，破壞其原有應力狀態(tài)并使其產生位移變形，這會對周圍結構物和環(huán)境產生影響，若不采取對應措施，在施工工程中就可能會對既有建筑物產生不利影響。依托達州市某天然氣管道管溝開挖橋梁下穿工程，構建了管溝開挖過程的數值模型，基于該數值模型，研究管溝開挖對鄰近橋梁樁基的影響，并分析了橋樁的豎向和水平位移，對管溝開挖對橋梁樁基的安全性影響做出了判斷[1-4]。

1 工程概況

某天然氣管道工程穿越高速公路，采用箱涵方式穿越，管道與橋梁正交，管溝開挖與橋梁樁基具體位置關系見圖1。橋梁下部構造采用柱式墩、挖孔樁基礎，墩徑1.2m、樁徑1.3m。管道設計中心線分別距離芭蕉村大橋1#墩、2#墩中心線8m 和12m，開挖深度3.4m、開挖寬度3.2m，管溝開挖參數見圖2。開挖豁口與墩柱凈距分別為5.8m（1#）、9.8m（2#）。

圖1 管溝開挖與橋梁樁基礎位置關系圖

圖2 管溝開挖參數圖

2 模型的建立

2.1 計算模型的建立

建立數值模型，模型高度分別按照現場坡度尺寸，高度方向分別取46.5m、35.7m、20.5m 和26.5m，寬度方向97m，長度方向35m。開挖豁口與墩柱凈距分別為5.8m、9.8m，開挖深度3.4m、開挖寬度3.2m。模型邊界條件頂面為自由面，左右和前后邊界固定水平方向約束，底面固定豎向位移，如圖3 所示。

圖3 模型圖

2.2 計算參數的選取

計算時，管溝、圍巖本構關系均選擇理想彈塑性摩爾～庫倫準則，樁基礎選擇線彈性模型作為本構模型。實際計算參數如表1 所示。

表1 計算參數

2.3 計算過程

計算過程分為三步。包括：初始應力場的生成、樁基礎的開挖及生成、管溝的開挖。

初始應力場：直接施加重力計算至平衡，平衡后清零速度場和位移場；

樁基礎的開挖及生成：按照1m 進尺開挖樁孔，并在孔內施加泥漿壓力，泥漿重度按照11.9kN/m3取值。完畢后，按照1m 進尺生成C35 混凝土樁基礎。并清零速度場和位移場；

管溝開挖：按照1m 進尺開挖管溝，混凝土箱涵設置進尺落后管溝5m。分別在樁身設置水平位移監(jiān)測點和豎向位移監(jiān)測點，并計算至平衡。

3 樁基礎變形控制值確定

在管溝開挖前，依據《建筑樁基技術規(guī)范》，樁頂（承臺）水平位移允許值，當以位移控制時，可取10mm（對水平位移敏感的結構物取6mm）。建筑物高度≤20m 時，樁基整體傾斜允許值為0.8%。擬對橋梁樁頂、承臺水平位移控制值為6mm，樁身水平位移控制值為10mm，橋樁傾斜控制值為0.8%。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，墩頂頂面水平位移控制值為，L 為相鄰墩臺間最小跨徑（m）。結合類似工程案例，擬定橋墩/承臺豎向位移控制值為10mm，相鄰橋墩頂面水平位移控制值為28mm。依據《公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》，當墩身高度滿足5m＜墩身高度≤60m 時，全高豎直度應≤0.1%H 且≤20mm。擬定橋墩傾斜控制值為0.1%。具體控制指標見表2[5-7]。

表2 橋樁各測項監(jiān)測控制指標

4 結果分析

本文分析側重考慮管溝開挖對橋梁樁基的影響，分別評價樁頂水平位移、樁頂豎向位移、樁身水平變形。數值模擬計算結果如下：

（1）樁身水平變形

管溝開挖完成后樁基礎X 向（垂直于管溝開挖方向）位移云圖如圖4 所示。由圖4 可知，管溝開挖完成后，1～8 號樁X 向變形較小，兩側樁向管溝內傾斜變形。1～4 號樁變形稍大于5～8 號樁。其中X 向最大位移出現在4 號樁樁底附近，最大位移為2.18×10-3m，小于樁身變形控制標準，表明管溝開挖對橋樁變形影響處于可控范圍內。

圖4 樁基礎X 向位移云圖

管溝開挖完成后，樁基礎Z 向（平行于管溝開挖方向）位移云圖如圖5 所示。由圖5 可知，管溝開挖完成后，1～8 號樁均產生Z 正向（順坡向）位移。5～8 號樁變形稍大于1～4 號樁。5～8 號樁中8 號樁變形最大達到4.6×10-3m；1～4 號樁中，4號樁變形最大達到3.0×10-3m。1～8 號樁樁身水平變形均處于控制標準范圍以內，表明管溝開挖對樁基礎變形可控。

圖5 樁基礎Z 向位移云圖

（2）樁身豎向位移

由圖6 樁豎向位移云圖可知，管溝開挖完成后1～8 號樁均產生下沉位移，1～4號樁下沉位移大于5～8 號樁下沉位移。其中4 號樁下沉位移最大，達到了4.88×10-3m，5 號樁下沉位移最小為1.3×10-3m。1～8 號樁樁身豎向位移均處于控制范圍內，說明因管溝開挖而導致的樁豎向位移可控。

圖6 樁基礎豎向位移云圖

（3）樁頂水平位移、豎向位移

管溝開挖完畢后，橋梁1～8 號樁樁頂水平位移、樁頂豎向位移見表3。

表3 管溝開挖完畢后1～8 號樁樁頂水平位移、豎向位移

由上表可知，管溝開挖完畢后，1～8 號樁水平位移、豎向位移均符合控制指標要求，傾斜率也符合控制指標要求，管溝開挖對1～8 號樁影響不大。

5 結論

（1）管溝開挖完成后，1～8 號樁X 向變形較小，兩側樁向管溝內傾斜變形。1～4 號樁變形稍大于5～8 號樁。其中X 向最大位移出現在4 號樁樁底附近，最大位移為2.18×10-3m，小于樁身變形控制標準。

（2）1～8 號樁均產生Z 正向（順坡向）位移。5～8 號樁變形稍大于1～4 號樁。5～8 號樁中8 號樁變形最大達到4.6×10-3m；1～4 號樁中，4 號樁變形最大達到3.0×10-3m。1～8 號樁樁身水平變形均處于控制標準范圍以內。

（3）1～8 號樁均產生下沉位移，1～4 號樁下沉位移大于5～8 號樁下沉位移。其中4 號樁下沉位移最大，達到了4.88×10-3m，5 號樁下沉位移最小為1.3×10-3m。1～8 號樁樁身豎向位移均處于控制范圍內。

（4）綜合以上分析說明，管溝開挖完畢后，1～8 號樁水平位移、豎向位移均符合控制指標要求，傾斜率也符合控制指標要求，管溝開挖對1～8 號樁影響不大。在規(guī)范施工的前提下，管溝開挖對橋梁樁基礎穩(wěn)定性的影響較小。