管廊建設(shè)工程對于海堤結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定影響分析

徐華林，劉星樂，江晨鑫

（臺州市水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 臺州 318000）

近年來，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展，在完善水資源配置體系、加大城市水管網(wǎng)建設(shè)過程中，出現(xiàn)了一系列輸水管道與海堤相交的問題。管廊工程建設(shè)期間，樁基礎(chǔ)的施工與荷載會造成海堤周圍土體的應(yīng)力和位移變化，這將會影響海堤的安全運行[1]。因此，研究管廊樁基施工對海堤的安全穩(wěn)定影響是十分有必要的。

本文根據(jù)擬建涉堤管廊工程實例，基于Midas GTS NX 有限元軟件構(gòu)建三維數(shù)值模型，分析近距離摩擦樁施工對既有海堤結(jié)構(gòu)的變形影響。同時基于Autobank軟件探討了施工荷載對于海堤的整體穩(wěn)定影響。通過分析結(jié)果提出相應(yīng)的施工控制措施，以期為今后涉堤管廊建設(shè)工程提供參考和積累經(jīng)驗。

1 工程概況

擬建管廊工程線路途經(jīng)海堤內(nèi)鎮(zhèn)壓層，共計長度約2.3km。該段海堤的工程等級為Ⅲ等，設(shè)計防潮標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇。堤身結(jié)構(gòu)布置具體如下：堤頂寬度約2.6～3.4m，高程為5.33～6.10m，外海側(cè)設(shè)置高50cm 的C25 砼防浪墻。沿海堤擋墻外側(cè)設(shè)置鎮(zhèn)壓平臺，陸域側(cè)采用M10 漿砌塊石護(hù)坡。

管廊工程采用架空形式布置，下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，使用純摩擦預(yù)制樁，上部結(jié)構(gòu)采用縱梁式鋼管架，工程與海堤結(jié)構(gòu)位置的立面關(guān)系如圖1 所示。樁基位于海堤內(nèi)鎮(zhèn)壓層，施工階段將會引起海堤中土體的受力和變形產(chǎn)生一定變化。為此，須計算分析管廊工程樁基礎(chǔ)施工對海堤結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

圖1 海堤與擬建管廊位置圖

2 樁基礎(chǔ)施工對海堤的變形影響分析

2.1 計算原理

對于管廊樁基礎(chǔ)施工過程中的海堤變形分析，本文采用Midas GTS 軟件計算。該軟件主要運用領(lǐng)域是巖土隧道領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析，軟件具備眾多優(yōu)點，可以快速直觀地進(jìn)行模型處理及三維建模、智能化生成自動網(wǎng)格、專業(yè)化的巖土分析功能，當(dāng)前在巖土領(lǐng)域越來越多受到歡迎。

變形計算采用非線性彈性分析，即利用模型單元體構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)替代海堤本身的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，以分析海堤整體的結(jié)構(gòu)變形情況。同時進(jìn)行施工階段結(jié)果累加，施工階段只輸入結(jié)構(gòu)或者荷載的變化，通過有限元軟件單元的激活或鈍化、荷載加載來模擬完整過程施工[2]。

2.2 計算模型及參數(shù)

為真實地模擬樁基礎(chǔ)施工對于海堤結(jié)構(gòu)的變形影響，根據(jù)實際地層結(jié)構(gòu)與參數(shù)、樁基礎(chǔ)位置及海堤各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維有限元數(shù)值模型，賦予合理的材料參數(shù)，劃分合適數(shù)目的網(wǎng)格。按照實際施工過程，從地層土體自重固結(jié)、樁基礎(chǔ)加載、到施加管廊荷載的整個過程，進(jìn)行全過程模擬。本次變形計算中，混凝土及樁采用彈性本構(gòu)，其他土體材料采用摩爾-庫倫本構(gòu)。模型計算范圍為高50m，寬度為35m，垂直管道軸線方向的長度為200m。模型計算材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

2.3 計算結(jié)果

樁基礎(chǔ)施工造成施工區(qū)域土體發(fā)生擾動，造成水平側(cè)向卸載和豎向卸載，進(jìn)而導(dǎo)致海堤結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的水平側(cè)向位移和豎向變形。圖2 及圖3 分別為海堤X向位移圖和Z 向位移圖，其中Z-X 平面為海堤的縱斷面，X 軸方向為海堤橫向斷面，Y 軸的方向為管廊鋪設(shè)方向。由圖可知：樁基礎(chǔ)施工導(dǎo)致海堤產(chǎn)生最大水平位移為3.1mm，豎直方向最大位移為 2.1 mm，最大總變形值為 5.0 mm，屬于安全范圍內(nèi)。綜上所述，可認(rèn)為管廊工程施工會造成鄰近海堤結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的水平側(cè)向位移和豎向位移，但整體位移量較小，在正常施工條件下，該工程樁基礎(chǔ)施工不會危及鄰近海堤的安全運行。

圖2 樁基礎(chǔ)施工期間海堤X 向位移圖

圖3 樁基礎(chǔ)施工期間Z 向位移圖

3 樁基礎(chǔ)施工對海堤的整體穩(wěn)定分析

3.1 計算方法

本工程樁基礎(chǔ)采用摩擦樁型式，施工期間會產(chǎn)生一定的擠土效應(yīng)和振動，對海堤結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。擠土效應(yīng)會增大土中的水平應(yīng)力，導(dǎo)致超空隙水壓力發(fā)生急劇變化,破壞土體原有結(jié)構(gòu)。施工振動會對土體造成一定擾動，導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，不利于結(jié)構(gòu)整體抗滑穩(wěn)定[3]。本次計算將動態(tài)施工過程中的施工荷載進(jìn)行簡化，用靜力代替施工荷載，均勻地施加至各土層中，求得施工過程中海堤的整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[4]。海堤穩(wěn)定分析采用Autobank 軟件中瑞典圓弧法進(jìn)行計算。瑞典圓弧法的計算公式如下：

式中：K 為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Ti指被滑弧所切割的土工織物的強(qiáng)度；ci、分別為土體的粘結(jié)力和摩擦角；bi為土條寬度；αi為土條滑動面中點的切線與水平線的夾角；R 為滑弧半徑；Mi為水平向慣性力對圓心的力矩；Qi為作用于土條重心處的水平地震慣性力；Qi’為作用于土條重心處的豎向地震慣性力，在程序中通過試算確定。

3.2 計算工況

結(jié)合海堤的現(xiàn)狀運行情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、海堤走向等因素，選取三個典型斷面進(jìn)行安全穩(wěn)定計算。本次計算分為以下三種工況：

現(xiàn)狀運行期Ⅰ：外側(cè)為設(shè)計高潮位5.31m，內(nèi)側(cè)護(hù)堤河常水位1.6m。

現(xiàn)狀運行期Ⅱ：外側(cè)采用地面高程，內(nèi)側(cè)為護(hù)堤河20 年一遇設(shè)計洪水位2.65m。

施工期Ⅲ：外側(cè)設(shè)計高潮位5.31m，內(nèi)側(cè)為護(hù)堤河常水位1.6m。

3.3 計算成果

由Autobank 軟件計算成果（詳見表2）可知：現(xiàn)狀運行期間，三個典型斷面的最小滑動安全系數(shù)值為1.62，大于規(guī)范要求值1.20；管廊施工期間，三種典型斷面的最小滑動安全系數(shù)值為1.56，大于規(guī)范要求值1.10。即海堤在三種工況下，整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。管廊施工期間，安全系數(shù)比現(xiàn)狀運行工況有所降低，即施工期荷載對于海堤的整體穩(wěn)定不利，造成安全系數(shù)值減少[5]。但整體安全系數(shù)降低幅度較小，且均滿足穩(wěn)定要求。

表2 典型斷面在三種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結(jié)論及建議

結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，管廊施工時，樁加載引起海堤結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化均處于較低水平，變形影響較小。同時，施工期抗滑安全系數(shù)存在降低幅度，對海堤整體穩(wěn)定存在一定影響，但是在規(guī)范要求范圍內(nèi)。為保障海堤結(jié)構(gòu)的整體安全運行，主要建議如下:

（1）加強(qiáng)對施工區(qū)域的觀測。施工階段及運行階段應(yīng)加強(qiáng)對堤頂位移的監(jiān)控量測，以及時了解海堤結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

（2）做好施工期間的安全管理。管廊工程施工過程中，應(yīng)注意施工車輛尤其是重型機(jī)械的通行，實施相關(guān)處置措施。

（3）完善施工階段管理。優(yōu)化施工工期，控制壓樁速率，有效釋放施工區(qū)域內(nèi)土層應(yīng)力，減輕施工對于土體的擾動，以減少對海堤結(jié)構(gòu)的不利影響。