考慮土－支架耦合的大型渡槽開挖施工響應研究

付建勝

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300)

1 引言

渡槽，也叫過水橋，是兩端與渠道相連接的橋梁式水槽。與其他橋梁一樣，渡槽通常架設(shè)在洼地、山谷、河流上，大型的渡槽還可用作通航[1－2]。近年來，世界多國已經(jīng)修建了很多大型渡槽，如里斯本阿瓜里弗渡槽[3]、美國生命線渡槽[4]，以及中國“南水北調(diào)”工程[5－6]等。大型渡槽工程對于水資源配置的優(yōu)化、受水區(qū)水環(huán)境的改善以及生態(tài)環(huán)境保護具有重要作用。

目前已有大量學者針對渡槽工程的開挖以及邊坡穩(wěn)定性進行研究。董玉樂[7]針對漂塘鎢礦大跨度渡槽工程的施工步驟及施工要點進行總結(jié)，確定了渡槽基礎(chǔ)開挖邊坡的坡比。趙龍輝[8]針對龍場渡槽工程實例，基于有限元軟件FLAC3D對邊坡穩(wěn)定性進行分析，得到了加固前與加固后渡槽的最大位移值，并與現(xiàn)場監(jiān)測值進行對比分析。此外，姜勇[9]針對黔中水利總干渡槽工程中臨時支架結(jié)構(gòu)的施工過程進行總結(jié)，結(jié)果表明該施工方案能夠保證臨時支架的穩(wěn)定性。燕曉東[10]通過理論推導與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對抗滑組合結(jié)構(gòu)受力機制進行了研究，得到分級邊坡開挖過程中的最不利狀態(tài)。目前的研究工作存在不足:在渡槽邊坡開挖過程中同時設(shè)置臨時支架的施工過程研究較少，且尚未有學者采用有限元方法研究其施工響應。

本文采用有限元軟件MIDAS GTS NX，基于淠河渡槽工程案例，考慮結(jié)構(gòu)與土體的耦合，建立土體與臨時支架施工過程的有限元模型，預測分析土體與臨時支架的施工位移響應。淠河總干渠渡槽是為引江濟淮輸水渠道下穿淠河總干渠而設(shè)置的立體交叉建筑物。渡槽布置跨徑為(68＋110＋68)m，結(jié)構(gòu)形式為桁架式梁拱組合體系，為全焊接鋼結(jié)構(gòu)。鋼渡槽兩側(cè)各設(shè)52 m長的混凝土槽型過渡段，全長350 m，單槽凈寬16 m，高度7 m。

主墩基坑分層開挖，逐層施工臨時支架，重粉質(zhì)壤土地層采用1∶1.75邊坡，中－強風化巖地層采用1∶0.5坡度。由于基坑開挖土方量較大，深度較深，若采用傳統(tǒng)倒梯形斷面進行開挖，兩側(cè)土壓力極大，對邊坡穩(wěn)定性不利且易使得基坑底部土體發(fā)生較大隆起變形。故創(chuàng)新性提出“W”型斷面形式，如圖1所示，保留部分底面土體以平衡兩側(cè)邊坡土壓力，使得邊坡基坑開挖施工更為安全，并為中跨渡槽臨時支架的架設(shè)提供平臺。本文基于該形式基坑，對土－臨時支架耦合的大型渡槽開挖施工響應開展研究，成果可為今后類似大型渡槽工程提供參考。

圖1 1/2渡槽邊坡及支架立面(單位:mm)

2 有限元模型

本文基于有限元軟件MIDAS GTS NX，針對淠河總干渠渡槽邊坡開挖及臨時支架施工全過程建立有限元模型，分析采用地層－結(jié)構(gòu)法，考慮土層－結(jié)構(gòu)相互作用。

如圖2a所示，渡槽施工區(qū)域內(nèi)的土層分布包括重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土，中、重粉質(zhì)壤土夾細砂，全～強風化粉、細砂巖及中等風化～新鮮粉、細砂巖。土體采用考慮區(qū)分加卸載的修正摩爾—庫倫本構(gòu)模型，土層物理力學參數(shù)如表1所示，材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報告提供的參數(shù)及相關(guān)工程經(jīng)驗進行取值。

圖2 土體有限元模型

表1 土層物理力學參數(shù)

主墩及臨時支架結(jié)構(gòu)(包括臨時墩、鋼聯(lián)系梁等)有限元模型如圖3所示。橋墩、擴大基礎(chǔ)、混凝土樁采用三維實體單元模擬，鋼管樁、鋼聯(lián)系梁采用一維梁單元模擬。材料模型采用線彈性本構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)材料參數(shù)及截面尺寸如表2所示。

圖3 臨時支架結(jié)構(gòu)有限元模型

表2 臨時墩計算參數(shù)

土體和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分分別如圖2和圖3所示。結(jié)構(gòu)實體單元與其相鄰土體單元耦合，與土體直接接觸的結(jié)構(gòu)一維單元通過析取土體單元得到，不與土體接觸的一維單元結(jié)構(gòu)直接進行1D單元劃分。由于渡槽結(jié)構(gòu)及地層分布總體對稱，且橋墩結(jié)構(gòu)對稱施工，為簡化計算，本文建立的數(shù)值計算模型為1/4模型。

土體邊界施加沿邊界法線方向的平動自由度約束。為避免邊界范圍對有限元計算結(jié)果精度的影響，本文基于鄭穎人[11]建議的計算范圍，綜合考慮渡槽實際情況，建立整體三維模型尺寸為180 m×20.4 m×78 m(長×寬×高)。由于模型為1/4模型，因此需設(shè)置對稱邊界條件。

為更直接地體現(xiàn)基坑開挖對主墩及臨時支架施工過程中應力和變形的影響，將渡槽主體結(jié)構(gòu)自重及其上主要荷載轉(zhuǎn)換為集中力加載到支架及墩柱上。渡槽橋梁主體結(jié)構(gòu)施工過程中的主要荷載包括:各土層的重力(含開挖過程的荷載釋放)、支護結(jié)構(gòu)的重力和各墩施工階段荷載(包括渡槽自重及其上施工荷載)。

模型主要分為35個施工階段:設(shè)初始應力場為工況1(如圖2a所示)，其余共包含8個開挖步驟和31個加載步驟。8個開挖步驟對應工況2～14，31個加載步驟對應工況5～35(其中工況2～4對應開挖步驟1～3，工況5～14對應開挖步驟4～8和加載步驟1～10，即每兩個工況對應1個開挖步驟)。主要工況有限元模型如圖4所示，具體荷載如表3所示。表3中各墩施工階段荷載主要為各階段渡槽自重及其上施工荷載。由于橋梁結(jié)構(gòu)對稱施工，Z1與Z4、Z2與Z3步驟相同，加載一致。

表3 橋墩在各施工階段荷載布置

圖4 主要工況有限元模型

3 有限元結(jié)果分析

土體和渡槽臨時支架結(jié)構(gòu)在主要工況下水平和豎向位移云圖如圖5～圖7所示。各個工況下土體和支架結(jié)構(gòu)的水平和豎向位移量匯總于圖8。

圖5 主要工況土體位移云圖

圖6 主要工況臨時支架水平位移云圖

圖7 主要工況臨時支架豎向位移云圖

圖8 各施工階段最大位移

對于土體，從工況2(即開挖步驟1)至工況14(即開挖步驟8和加載步驟10)，水平變形不斷增大達到最大值12.19 mm，滿足?建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程?(JGJ 120—2012)[12]對于基坑、邊坡工程施工水平變形規(guī)定的控制值，土體最大變形位置位于臨時支架結(jié)構(gòu)處，圖5b所示。此外，由于邊坡開挖卸載，坡體處的土體主要表現(xiàn)為整體隆起變形，最大豎向變形為16.64 mm，圖5d所示。

從工況15(即加載步驟11)至工況35(即加載步驟31)，土體水平變形呈減小趨勢。最終土體最大水平變形和豎向隆起變形分別穩(wěn)定在11.38 mm和16.70 mm，如圖8a所示。

對于主墩及臨時支架結(jié)構(gòu)，在工況2(即開挖步驟1)和工況3(即開挖步驟2)最大水平與豎向變形分別出現(xiàn)在主墩Z1和臨時支架P′1處，最大水平變形值分別為0.80 mm和7.28 mm，最大豎向變形值分別為1.44 mm和13.41 mm，如圖6a、圖6b、圖7a和圖7b所示。從工況4(即開挖步驟3)至工況35(即加載步驟31)，最大水平和豎向變形均出現(xiàn)在橋墩P′2處，如圖6c、圖6d、圖7c和圖7d所示。 從工況4至工況14(即開挖步驟8和加載步驟10)，臨時支架水平變形不斷增大，最大水平變形值為12.19 mm；后續(xù)的施工階段，臨時支架最大水平變形呈減小趨勢，最終穩(wěn)定至11.38 mm。由于邊坡開挖卸載，橋墩及臨時支架結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為豎向向上隆起變形。在工況7(即開挖步驟5和加載步驟3)豎向變形達到最大值13.89 mm，如圖7c所示。隨后的施工階段，結(jié)構(gòu)最大豎向變形最終穩(wěn)定在13.40 mm，如圖8b所示。

4 結(jié)論

本文基于MIDAS GTS NX有限元軟件，對“W”型渡槽基坑邊坡開挖及臨時支架施工全過程進行精細化模擬，得到的結(jié)論總結(jié)如下:

(1)對于深大邊坡基坑開挖，“W”型斷面基坑底部預留土體可有效抵抗兩側(cè)邊坡部分土壓力，增大邊坡穩(wěn)定性且對基坑底部土體隆起變形起到一定抑制作用；此外，預留土體為中跨渡槽臨時支架的架設(shè)提供施工平臺，降低支架高度，提高了施工安全性，節(jié)省了材料使用。

(2)土體開挖施工階段，土體水平和豎向變形持續(xù)增大，坡體處的土體主要表現(xiàn)為整體隆起變形，土體最大水平和豎向變形值分別為12.19 mm和16.70 mm；后續(xù)施工工況的土體水平變形呈減小趨勢；最終土體水平和豎向變形分別趨于穩(wěn)定值11.38 mm和16.70 mm。

(3)土體最大水平變形位置位于臨時支架結(jié)構(gòu)處，水平變形最大值小于?建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程?規(guī)定的控制值。

(4)土體開挖施工階段，臨時支架結(jié)構(gòu)的水平變形同樣持續(xù)增加；隆起土體處對應的臨時支架呈現(xiàn)向臨空面隆起變形；臨時支架最大水平和豎向變形值分別為12.19 mm和13.89 mm；后續(xù)施工工況臨時支架最大水平和豎向變形趨于穩(wěn)定值11.38 mm和13.40 mm。