岸坡開挖對公路特大橋橋墩基礎變形的影響分析

摘要：為分析橋墩岸坡開挖對某高速公路橋梁主墩沉井基礎變形的影響，文章采用Midas Civil和Midas GTS/NX數值模擬軟件，分別對不考慮岸坡開挖影響下上部荷載施加后的地基變形和岸坡開挖后的地基變形情況進行了模擬分析。

關鍵詞：岸坡；特大橋；沉井基礎；變形位移

中圖分類號：U443.22 A 50 177 4

0 引言

近年來，隨著國家經濟的不斷發展，我國的公路工程建設得到了迅速的發展，公路采用橋梁的型式上跨已建或規劃建設中的公路、鐵路、航道、運河等的現象也越來越普遍。橋梁基礎是將橋梁荷載傳遞到地基中的一種結構，基礎的穩定性對于橋梁而言是非常關鍵的，同時，橋梁基礎附近邊坡開挖會對其穩定性產生重要影響。胡恒等［1］以地鐵鄰近深基坑工程為背景，通過數值模擬的方法，分析了基坑支護樁不同嵌固深度對鄰近地下結構基礎的影響作用；張靜元等［2］通過采用 Midas-GTS 有限元模擬軟件，分析了路基開挖對高鐵高架橋橋墩和基礎的影響作用；王耀等［3］通過數值模擬對新建道路下穿高鐵橋梁的橋墩穩定性影響進行了研究；謝欽方［4］以新建礦山道路工程下穿某鐵路橋梁為例，采用了接觸非線形及材料非線形等計算手段，分析了道路施工前自身荷載、施工過程中道路施工荷載及道路運營過程中車輛荷載對橋墩基礎的位移影響。因此，分析邊坡開挖對橋墩基礎位移的影響對于評價橋梁穩定性具有十分重要的意義。

本文以某高速公路特大橋主橋為研究背景，通過采用Midas Civil和Midas GTS/NX數值模擬軟件對岸坡開挖工況進行模擬，以期分析岸坡開挖對主橋橋墩基礎變形的影響。

1 研究背景及研究區域工程地質概況

某高速公路特大橋設計跨越規劃建設中的某運河，設計橋梁起點樁號為K52+459.500，路基高程為96.873 m，終點樁號為K52+984.684，路基高程為100.948 m，全長為525.184 m。如下頁圖1所示，主橋設計橋型為下承式鋼箱系桿拱橋，跨徑為260 m，設計主橋橋墩基礎坐落在規劃建設的運河兩岸，主橋橋墩基礎設計采用沉井基礎。左、右岸沉井尺寸分別為25.4 m×18.0 m×20.0 m和25.4 m×18.0 m×17.0 m，設計左岸沉井頂、底標高分別為55.0 m和35.0 m，設計右岸沉井頂、底標高分別為55.0 m和38.0 m。同時，在左岸設置三排地下連續墻，寬度為58 m，深度分別為60 m、70 m、75 m，在右岸設置一排地下連續墻，寬度為58 m，深度為31 m。

橋址區屬侵蝕殘丘地貌，地形起伏較緩，地面高程為57.50～94.00 m，地形自然坡度為5°～40°，山體低緩，谷地大致呈北東-南西向發育。根據地質調查及鉆探揭示，橋址場地主要覆蓋層有第四系人工填土（Qml），淤泥質黏土（Q1），殘坡積層（Qel+dl），下伏基巖為泥盆系下統（D1qn）硅質巖、泥質粉砂巖，薄層狀為主，受附近斷層影響，節理裂隙極發育，巖體破碎。

2 數值計算方法

為更好地反映沉井基礎的變形，真實反映實際工況，數值計算分兩個部分進行：（1）在運河岸坡開挖前，橋梁上部荷載施加后沉井的位移計算；（2）不考慮上部荷載施加過程中沉井基礎所產生的位移，只考慮岸坡開挖過程中沉井的位移計算，在數值計算過程中，在上部荷載施加完成后至岸坡開挖前，對模型位移進行清零處理。將以上兩部分的位移結果進行疊加，即得到沉井基礎變形總位移。

2.1 數值計算模型

采用Midas Civil軟件計算橋梁上部荷載施加后沉井基礎的豎向位移，建立的計算模型如圖2所示。計算中，主拱、橫撐采用梁單元模擬，吊桿、系桿采用桁架單元模擬，主梁鋼結構采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，主橋下構采用梁單元模擬。

采用Midas GTS/NX軟件模擬計算運河岸坡開挖后沉井基礎的位移，建立的計算模型如圖3所示。模型尺寸長度、寬度均為沉井基礎的3～5倍，模型深度大于沉井基礎的5倍，模型邊界條件為底部采用固定約束，四周采用水平約束。土體、墩身及承臺采用實體單元進行模擬，地下連續墻采用板單元進行模擬。

2.2 本構模型及計算參數的選取

為較好地刻畫土體的力學行為，避免采用摩爾-庫侖模型所導致的岸坡開挖卸荷后坑底隆起過大，模型中巖土層均采用修正摩爾-庫侖模型進行模擬，其他結構物采用彈性模型進行模擬。計算參數見表1。

3 橋梁橋墩基礎變位限值的確定

通過分析基礎水平變位、豎向沉降變位對橋梁結構受力的影響，以此確定橋梁基礎變位的限值。計算工況包括：水平變位1～10 cm（間隔1 cm）、不均勻沉降1～10 cm（間隔1 cm）、沉降限值+水平變位1～10 cm（間隔1 cm），共計30個工況。經計算分析，最終確定主橋橋墩沉井基礎水平向位移限值為50 mm，豎向位移限值為50 mm。

4 數值計算結果分析

在運河岸坡開挖前，左岸沉井基礎在上部荷載施加后，由于作用在沉井上的荷載為豎直荷載，引起的沉井基礎位移主要為豎向，水平向位移為零。根據規范要求［5］，通過計算，確定的左、右岸沉井基礎豎向位移分別為48 mm和22 mm。

不考慮上部荷載施加過程中沉井基礎所產生的位移，只考慮岸坡開挖過程中沉井的位移，左、右岸沉井基礎水平向及豎向位移計算結果見表2。

分析表2中的數據可以看出，岸坡開挖會導致沉井基礎變形增大。對于左、右岸沉井基礎，當不考慮岸坡開挖時，水平向和豎向變形位移均滿足位移限值；當考慮岸坡開挖時，對于左岸沉井基礎，水平向總變形位移小于位移限值，但豎向總變形位移大于位移限值，不滿足橋梁受力要求；對于右岸沉井基礎，水平向、豎向總變形位移均小于位移限值，滿足橋梁受力要求。

5 左岸沉井基礎設計方案優化調整

基于以上數值模擬分析結果，對左岸沉井基礎提出兩種加深方案：（1）沉井基礎深度加深至24 m；（2）沉井基礎深度加深至28 m。

在運河岸坡開挖前，左岸沉井基礎在上部荷載施加后，方案1中沉井基礎豎向位移為4.0 mm，方案2中沉井基礎豎向位移為0.3 mm。

不考慮上部荷載施加過程中沉井基礎所產生的位移，只考慮岸坡開挖過程中沉井基礎的位移，對以上兩種方案進行計算，得到左岸沉井基礎位移統計情況見表3。

分析表3中的數據可以看出，隨著沉井基礎深度的增加，沉井基礎變形減小。方案1條件下，沉井基礎豎向總變形位移為54.5 mm，大于位移限值，不滿足橋梁受力要求；方案2條件下，沉井基礎水平向和豎向總變形位移分別為19.1 mm和21.5 mm，均在位移限值范圍內，滿足橋梁受力要求。

6 結語

本文通過采用數值計算軟件模擬分析了橋墩岸坡開挖對橋梁主墩沉井基礎變形的影響，得出以下結論：

（1）通過分析基礎水平變位、豎向變位對橋梁結構受力的影響，最終確定主橋主墩沉井基礎豎向位移限值為50 mm，水平位移限值為50 mm。

（2）岸坡開挖會導致沉井基礎變形增大，對于左、右岸沉井基礎，當不考慮岸坡開挖時，水平向和豎向變形位移均滿足位移限值。

（3）當考慮岸坡開挖時，左岸沉井基礎水平和豎向總變形位移分別為36.8 mm和100.8 mm，水平向總變形位移滿足基礎位移限值，豎向總變形位移不滿足位移限值；右岸沉井基礎水平和豎向總變形位移分別為22.2 mm和28.2 mm，水平向和豎向總變形位移均滿足位移限值要求。

（4）當左岸沉井基礎加深至28 m后，沉井基礎水平向和豎向總變形位移分別為19.1 mm和21.5 mm，水平向和豎向總變形位移均滿足位移限值要求。

參考文獻

［1］胡 恒，朱厚喜，賈立宏.基坑開挖對鄰近地鐵結構基礎的影響分析［J］.巖土工程學報，2010，32（增刊1）：116-119.

［2］張靜元，馬科萌.路基開挖對高鐵高架橋橋墩和基礎的影響［J］.中外公路，2015，35（1）：18-22.

［3］王 耀，湯彬彬，賈 羽.新建道路下穿高鐵橋梁對橋墩穩定性影響的數值模擬研究［J］.地基處理，2022，4（3）：248-256.

［4］謝欽方.新建公路下穿某鐵路橋梁基礎位移分析［J］.鐵道建筑技術，2013（增1）：11-13.

［5］JTG 3363-2019，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

收稿日期：2022-12-12