低矮凈空下軟土基坑施工對(duì)橋梁基礎(chǔ)變形影響分析

毛祖夏 李佳明 楊蘭強(qiáng)

1.寧波市鄞城集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江 寧波 315010

2.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江 寧波 315010

1 引言

隨著地下空間開發(fā)進(jìn)一步發(fā)展，經(jīng)常面臨低凈空建（構(gòu)）筑物下方施工深基坑問(wèn)題。針對(duì)低凈空下深基坑問(wèn)題，需解決2個(gè)問(wèn)題：即低凈空下圍護(hù)樁施工可行性和基坑開挖對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物安全保護(hù)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)關(guān)于低凈空下基坑施工有一定報(bào)道但為數(shù)不多。如蘇建峰[1]在凈高只有6.9m條件下采用高壓旋噴樁進(jìn)行圍護(hù)。張世宏[2]采用MJS工法樁對(duì)凈高只有4.8m情況下完成高架下穿基坑圍護(hù)。

在低凈空條件下，既要保證圍護(hù)樁順利實(shí)施，又要確保橋梁安全，開挖U型槽基坑顯得困難重重、風(fēng)險(xiǎn)性較大。故借助工程案例，采用三維有限元方法進(jìn)行分析，研究軟土基坑施工對(duì)鄰近橋梁基礎(chǔ)的變形影響。

2 工程概況及支護(hù)方案

2.1 工程概況

U型槽下穿現(xiàn)狀鄞縣大橋西側(cè)橋孔。鄞縣大橋下方為30m簡(jiǎn)支梁，蓋梁式橋墩，下部基礎(chǔ)采用1.5m樁接1.3m立柱的形式。

橋墩處基坑開挖深度為2.879～3.019m，橋下凈空僅2～2.5m。橋墩最近距離基坑邊線僅6.2m。現(xiàn)狀橋梁與U型槽相對(duì)位置如圖1所示。各土層厚度、主要土層力學(xué)參數(shù)詳見表1所示。

圖1 擬建U型槽與橋梁位置關(guān)系

2.2 基坑支護(hù)方案

國(guó)內(nèi)大部分圍護(hù)樁施工機(jī)械高度均超過(guò)20m。為了解決超低凈空下圍護(hù)樁施工問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)低凈空下施工的圍護(hù)樁主要有高壓旋噴樁、MJS工法等。

故橋梁下方基坑采用高壓旋噴樁+MJS工法的支護(hù)形式，MJS工法做隔離樁用途。

高壓旋噴樁加固寬度為2.85m，樁長(zhǎng)6m。MJS工法采用φ2600@2000mm（全圓），樁長(zhǎng)12m。上部按1:1坡率，一級(jí)放坡，坡高0.7m。

圖2 基坑支護(hù)豎向布置圖

2.3 橋墩基礎(chǔ)變形控制要求

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》：相鄰墩臺(tái)間不均勻沉降差值，不應(yīng)使橋面形成大于0.2%的附加縱坡[3]。

故橋墩沉降差不應(yīng)大于60mm。考慮到鄞縣大橋已運(yùn)營(yíng)多年，故要求基坑開挖對(duì)橋梁橋墩的變形控制不應(yīng)超過(guò)20mm。

3 基坑施工的有限元分析

3.1 有限元數(shù)值模型

采用三維有限元軟件MIDAS GTS進(jìn)行數(shù)值模擬。本次模型按如下原則建立：

高壓旋噴樁、MJS工法樁、橋墩以及橋梁工程樁、基坑內(nèi)外土體的模擬均采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元模擬，如下圖3~4所示。

圖3 土體三維實(shí)體單元模型

模型邊界條件：對(duì)土體四周邊界法向方向進(jìn)行約束以限制其法向上的位移；對(duì)土體底邊界x、y、z三個(gè)方向均固定，地面為自由面。荷載取自重，單個(gè)橋墩豎向壓力荷載取2580kN。

圖4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、橋梁、河坎結(jié)構(gòu)模型

3.2 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

選用HS模型作為土體本構(gòu)模型。橋墩、河坎擋墻、MJS工法、高壓旋噴樁選用彈性模型。各土層參數(shù)見表1所示。橋墩、河坎擋墻、MJS工法、高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2所示。

表1 土層物性參數(shù)表

表2 橋墩、河坎擋墻、MJS工法、高壓旋噴樁參數(shù)表

3.3 模擬工況

模擬工況根據(jù)實(shí)際施工工況進(jìn)行設(shè)置，分為4個(gè)工況，見表3所示。

表3 基坑施工工況描述

4 模擬結(jié)果分析

圖6為基坑開挖至基坑底時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)總位移云圖。結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)總位移最大為4.3mm，遠(yuǎn)小于20mm控制值。說(shuō)明當(dāng)U型槽基坑開挖時(shí)，對(duì)鄰近橋梁結(jié)構(gòu)的影響處于可控范圍，能夠保證基坑開挖期間，鄰近橋梁的安全性。

圖6 橋梁結(jié)構(gòu)總位移云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

借助MIDAS GTS有限元軟件，對(duì)低矮凈空下基坑及鄰近的橋墩的整個(gè)施工階段進(jìn)行模擬分析。表明采用MJS工法+高壓旋噴樁重力式擋墻的支護(hù)方案在低矮空間下保護(hù)鄰近橋梁墩基起了良好效果。采用三維有限元分析評(píng)估軟土深基坑對(duì)周圍環(huán)境變形影響是一種較為有效的手段。