栗木寨大橋樁基施工對麻桿寨明渠結構安全影響分析

張 斌，楊文豐，任興隆

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

擬建烏當（羊昌）至長順高速公路（以下簡稱烏長高速）栗木寨大橋起訖樁號為K123+982.46～K124+111.54,凈跨120 m,上部結構采用3×40.0 m,預應力砼（后張）裝配式簡支T 梁。下部結構橋臺采用肋板臺,橋墩采用樁柱一體墩,墩臺采用樁基礎。本橋樁基共計38根,樁徑2 m 的有12根,樁徑1.5 m的有26根,樁長15 m～24 m。

已建黔中水利樞紐一期工程桂松干渠麻桿寨明渠（以下簡稱麻桿寨明渠）樁號桂松K74+689.5～桂松K75+211.032,明渠成型斷面矩形,襯砌成型后凈尺寸為3.5 m（寬）×3.4 m（高）,為挖填式明渠。

擬建烏長高速栗木寨大橋上跨桂松干渠麻桿寨明渠（樁號K74+825～桂松K74+879）,如圖1所示,橋與明渠夾角約38°。本次分析評價通過資料收集與利用、地質調繪。

圖1 烏長高速栗木寨大橋與桂松干渠位置關系圖

烏長高速栗木寨大橋第二跨上跨麻桿寨明渠兩側橋梁樁基左側分別是1-0#、1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#,右側分別是2-0#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5#,共計12根；樁徑2 m,樁長分別為24 m（1-0#、1-1#、1-2#）、17 m（1-3#、1-4#、1-5#）、19 m（2-0#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5# ）。明渠蓋板至栗木寨大橋凈空最小垂直距離為3.963 m,距明渠邊墻較近距離的樁基見表1。

表1 樁基邊緣距明渠邊墻距離統計表

1 地質概況

工程區地處高原中西部、苗嶺西段,場地為山間斜坡平緩地帶,谷地寬闊,谷底高程1258 m～1279 m,其間零星分布有高20 m～30 m 殘丘,谷地兩側溶丘椎體渾圓,山頂高程1285 m～1350 m,相對高差20 m～90 m。地貌形態以峰林谷地間的溶丘盆地為主,屬低中山溶蝕地貌區。

工程區地層巖性為第四系（Q）殘坡積層黃褐色粘土及二疊系中統茅口組（P2m）灰巖。

工程區地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水賦存于場區第四系粘土中,該含水土層厚度薄,分布不均,埋藏較淺,主要由降雨補給,匯水補給面積有限,水量小。巖溶水主要賦存于巖溶發育地段,接受大氣降水的直接補給和地表水的徑流補給。

2 栗木寨大橋與麻桿寨明渠工程地質評價

2.1 栗木寨大橋工程地質評價

1）地基巖體基本質量等級

橋址區下伏基巖巖性單一,為二疊系中統茅口組（P2m）灰巖。橋址區鉆探揭露未發現溶洞等強巖溶現象。

橋址區基巖為灰巖,風化程度中等,依據《栗木寨大橋施工圖設計階段工程地質勘察報告》試驗資料[1],綜合判定得出：灰巖屬較硬巖,中風化巖體較破碎-較完整,綜合判定得出：灰巖中風化巖體基本質量等級為Ⅲ級。

2）場地穩定性及建設適宜性

橋址區場地及附近無高邊坡、活動斷層、滑坡、泥石流、土洞、巖溶塌陷及大規模溶洞等不利于建筑的地形、地質構造、不良物理地質體等,場地穩定性良好,適宜建設。

3）巖土物理力學參數及基礎形式

橋臺及墩臺基礎均采用樁基礎,推薦各巖土物理力學指標見表2,基礎形式及持力層頂面位置見表3。

表2 各巖土物理力學指標

表3 基礎形式及持力層頂面位置

2.2 麻桿寨明渠工程地質評價

該段整體地形較平緩,地形坡度5°～20°。覆蓋層厚5 m～15 m,為第四系殘坡積的粘土層,可塑狀,局部含碎石,下伏基巖為二迭系中統茅口組（P2m）厚層狀灰巖,巖層產狀90°∠21°,無強風化層。明渠開挖邊坡較矮,為土質邊坡,邊坡穩定性較好,明渠基礎為土基,基礎承載力滿足＞100 kPa的設計要求。

3 栗木寨大橋樁基施工擾動對麻桿寨明渠安全影響分析

施工擾動有橋梁旋挖鉆孔灌注樁開挖的振動、孔壁垮塌振動、蓋梁施工振動、支座墊石施工振動及橋面鋪裝施工振動等,其中影響最大的是橋梁旋挖鉆孔灌注樁開挖的振動,必然會對周邊土體產生不同程度的擾動,改變了周邊土體的應力狀態,使土體的結構遭到破壞,引起周邊土體的變形,從而引起周邊地表沉降可能會影響明渠結構的安全穩定問題[2]。對明渠結構的安全是否有影響通過仿真計算進行分析評價。

3.1 仿真計算

1）三維計算模型

在考慮模型幾何條件與實際情況接近的同時,也應考慮計算機實現的可能性,滿足研究對象的主要因素條件,忽略次要因素,從而簡化模型,以方便操作計算。根據工程實際地質條件,結合計算機性能,施工期主要考慮臨近樁基礎施工對明渠安全影響。本模型采用三維地質建模軟件進行模型建立,并通過ANSYS 進行網格劃分,最后導入FLAC3D 中進行計算。研究段地質結構較為簡單,地層為第四系殘破積層,下部為二疊系中統茅口組灰巖,無斷裂結構；模型尺寸取值超過橋梁一定范圍滿足邊界條件要求,模型尺寸為172 m×137 m,鉛錘方向上自1245 m 水平標高以上,模型采用四面體單元,為了保證計算結果的精確性,樁孔位置采用加密網格處理,共劃分233404 個網格和1340207 個單元。

模型邊界條件為：地應力分析時除地表為自由邊界外,其余各邊界進行位移約束；振動時程分析中除地表為自由邊界外,其余各邊界采取帶阻尼系數的粘彈性邊界。

2）計算參數

本次數值模擬計算參數參考橋梁勘察資料和明渠勘察成果,參數值見表2。

3）施工振動參數取值

本工程樁基礎深度在15 m～24 m 間,覆蓋層厚度較厚,人工開挖難度大,樁基施工方式采用旋挖成孔,旋挖鉆施工引起的動荷載為一種隨機荷載,荷載大小隨時間、位置和地表特征不斷變化的復雜荷載。目前,在有限元分析中采用的都是近似的簡化模型,鉆頭動荷載為簡諧波荷載,具體的表達式為：

式中：P 為振動荷載幅值；ω 為振動頻率。

參考國內相關文獻資料,在樁基施工微擾動情況下,參數取值如下：荷載大小取100 kN,頻率取值20 Hz,動荷載總持續時間為5 s。

3.2 數值結果分析

本次計算過程主要為先計算模型在原始地貌下的初始應力場分布,在對明渠區域進行開挖、澆筑,計算在明渠修建過程中對原始應變場的改變,最后計算在樁基施工過程的擾動情況。本次擾動計算并未對所有樁基施工進行模擬,主要是通過距離明渠邊墻最近的2-2 號樁基礎施工對明渠邊墻的影響,通過在數值模擬中明渠邊墻模型上設置監測點,監測明渠邊墻上的變形影響和振動速率的變化影響。

1）變形影響：通過對計算結果整理,如圖2和圖3,隨著樁基施工的進行,位移變化較大的區域位于孔樁樁壁區域,最大位移量約為2 mm,通過剖面分析,孔樁施工過程中的變形區域主要集中在覆蓋層內,基巖段幾乎無變形；從數值模擬中監測點數據結果可知,當樁基礎施工結束后,明渠邊墻監測點最大變形值約為1×10-5m,幾乎無變形。

圖2 位移分布云圖

圖3 監測點位移變化曲線

2）振動速率的變化影響：通過對計算結果整理,如圖4和圖5,樁基施工產生的提振速率變化較大的區域位于孔樁樁壁區域,最大速率約為13.6 cm/s,主要分布在覆蓋層區域。從數值模擬中監測點數據結果可知,在明渠邊墻產生的最大提振速率約為0.08 cm/s,影響很小。

圖4 振動速度分布云圖

圖5 監測點振動速度曲線

4 結論及建議

根據栗木寨大橋樁基施工對麻桿寨明渠安全仿真分析,施工擾動對明渠安全影響很小。建議優化施工方案,采用先進的施工設備和施工技術,降低成孔旋挖設備轉速,同時可采用全回轉全套管技術,減少樁基施工對明渠周邊土體的擾動。