軟弱土層河道開挖對群樁影響及數值模擬

鐘悅鵬，彭孝旺，熊山銘

(1.江西省贛南公路勘察設計院, 江西 贛州 341000；2.贛州交通控股集團有限公司, 江西 贛州 341000)

0 引 言

河道開挖與基坑開挖類似，也會造成地表土層卸載，土層的回彈會給所在結構的安全性與可靠性造成不良影響[1-3]。對于橋梁底部的群樁結構，河道開挖可能會造成樁基偏移與上浮，從而導致橋臺及上部結構出現問題。

對于類似施工場景，已經有相關研究者做了一些研究。馮印[4]針對新溝河新開河道對滬寧城際高鐵橋梁的安全影響通過有限元定量數值分析，研究了河道開挖帶來的橋臺附加位移。才多[5]利用Bently平臺下的Power GeoPak軟件以上海松江區洞涇港華陽湖的開挖為例，研究了河道開挖卸載給橋臺帶來的影響。倪恒[6]等以浙江省嘉興市一高鐵段鄰近施工工程為背景，研究河道開挖、棄土堆載對橋墩和承臺的豎向位移、橫向位移的影響。李娟[7]結合長臨高速舊縣2號特大橋工程實況，分析了河道開挖對橋墩的影響。

已有的研究大多集中于河道開挖對橋墩與橋臺帶來的影響，事實上橋墩與橋臺的變形是由于橋梁群樁位移的變化帶來的[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挖過程中對橋梁群樁位移與內力帶來的影響。

1 工程概況

某高速公路設計速度為120 km·h-1，總寬度為26 m，在通過淤泥質地層的時候采用橋梁施工，運行期間該段高速公路線路平順。后來因為城市建設，在橋梁底部37#墩與39#墩之間需要開挖1條河道。為了減小河道開挖對橋梁群樁的影響，防止樁基偏移，開挖過程中需要對橋梁群樁周邊進行加固，采用高壓旋噴樁加固河道兩側橋梁墩臺，采用袖閥管注漿及鋼板樁加固河道中部橋梁墩臺，如圖1所示。

圖1 橋梁底部群樁加固處理

河道開挖采用分塊與分步法，對橋梁投影河道部分劃分為6個部分，如圖2所示。先開挖橋梁投影河道部分，后開挖河道開挖投影之外的部分。橋梁37#墩左右兩側劃分為2個區域(區域一、區域二)，38#墩左右兩側劃分為2個區域(區域三、區域四)，39#墩左右兩側劃分為2個區域(區域無、區域六)。開挖施工時橋墩兩側開挖高差不得大于50 cm，以免土壓力對橋墩造成破壞。橋梁群樁加固現場如圖3所示。

圖2 橋梁投影河道部分劃分

圖3 橋梁群樁加固現場

2 數值模擬

為了分析河道開挖對橋梁群樁的位移與內力帶來的影響，本文采用大型有限元軟件Midas/GTS NX建立了全尺寸的三維數值模型進行分析，根據地勘報告與樁基測試報告，文中采用的地層參數與樁基參數見表1、2。所有土層均遵守Mohr-Coulomb屈服準則，其中主要參數為土層的彈性模量，黏聚力與內摩擦角，其余材料均為理想線彈性體。采用軟件自帶的混合網格生成器將所有材料劃分為六面體網格，地層、注漿體、橋臺與橋墩等均采用實體單元模擬，所有橋梁群樁與高壓旋噴樁均采用樁單元模擬，模型邊界為靜力學開挖常用的自動約束邊界，模型荷載僅考慮重力，每個區域的開挖劃分為8層，第1步進行位移清零，即后續只計算河道開挖帶來的位移場與應力場變化。整個模型長123 m，寬68 m，高34 m，共有24 655個節點，51 170個單元，整體網絡劃分與細部結構如圖4所示。

表1 地層與相關材料計算參數

表2 樁界面計算參數

圖4 模型整體網絡劃分與細部結構

3 計算結果

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群樁上分別設置1個采樣點。

4.1 群樁位移分析

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

圖5 群樁位移隨著開挖步驟變化

圖6 河道開挖完成后橋梁墩臺與群樁位移云圖

圖7 河道開挖完成后橋梁群樁內力云圖

由圖5可知，對于中間群樁，在開挖河道投影部分過程中，群樁水平位移幾乎保持不變，豎直方向出現了群樁上浮現象，且豎直方向位移緩慢增加，在開挖河道投影之外部分過程中，群樁呈現了偏向開挖方向的水平位移，此時群樁的豎直位移迅速增加；對于右側群樁，類似的是，在開挖河道投影部分過程中，群樁水平位移幾乎保持不變，群樁豎直位移緩慢增加，然而在開挖河道投影之外部分的過程中，群樁水平位移先增加后減小，呈現出了一個倒“V”形結構，群樁豎直位移依然是緩慢地增加。由圖6可知，河道開挖完成后，中間群樁依然呈現出了較大的水平位移與豎直位移，右側群樁水平位移幾乎為零，豎直位移小于中間群樁，橋梁墩臺最大水平位移為0.82 cm，最大豎直位移為1.76 cm。

4.2 群樁內力分析

在河道開挖完成后，橋梁群樁內力云圖如圖7所示。由圖7可知，兩側群樁軸力較大，中間群樁軸力較小，最大軸力為708 kN，出現在右側群樁，兩側群樁彎矩較小，因此在河道開挖的完后，兩側群樁是處于對稱壓力作用下的，而右側群樁水平位移幾乎為零，這一點是統一的。而中間群樁受到了偏向開挖方向的彎矩的作用，最大彎矩為10.84 kN·m，這一點與中間群樁最大水平位移偏向開挖方向表現一致。

4 結 語

本文采用數值模擬的方法，依據已有的施工方案，建立三維模型分析了河道開挖對橋梁群樁的影響，主要結論如下。

(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挖方向，而軸力較小，豎直位移相對較大。

(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，而豎直位移相對較小。

(3)對于軟弱土層河道開挖，為了減小對群樁的影響，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挖均能取得較好地效果。