河渠高边坡开挖对邻近桥墩桩基的影响分析

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(安徽省水利水电勘测设计院,安徽合肥230088)

引江济淮工程C5标河渠工程位于菜巢分水岭切岭段，河渠边坡工程的规模较大，开挖深度21～32 m。在输水河渠施工过程中，遇到河渠边坡开挖边线距离邻近的某铁路特大桥桥墩桩基较近的情况。考虑邻近桥墩桩基受到边坡开挖引起的土体位移的作用，可能会产生较大的侧向位移、附加应力和弯矩。因此，分析河渠高边坡开挖施工对邻近桥墩桩基的影响，是必要的，其研究结果可为设计人员是否采取相应的施工和运行保障措施提供参考。

由于边坡开挖产生的土体侧向移动对邻近桩基的影响是典型的被动桩问题。所谓“被动桩”是相对于“主动桩”而言的，De Beer(1997)[1]根据桩基与周围土体的相互作用将桩分为两类：第一类桩基直接承受外荷载并主动向土中传递应力，称主动桩(Active pile)；第二类桩基不直接承受外荷载，只是由于桩周土体在自重和外荷作用下产生水平移动而受到影响，称为“被动桩”(Passive pile)。陈福全(2004)[2]列出了工程中常见的被动桩问题。

陈福全(2004)[2]在谈到被动桩的计算方法时指出：有限元法采用土的非线性应力应变关系来描述桩周土的特性，可以定量地考虑各种复杂边界条件、土的变形性状、施工顺序等影响，利用有限元法比其他方法更为有利。国内岩土工程界许多学者及工程师采用有限元法就深基坑工程对邻近设施及建筑物的影响开展了研究。陈福全等(2008)[3]采用二维有限元法模拟了内支撑排桩支护基坑开挖过程，分析了基坑开挖时对邻近桩基(分别考虑了单排和双排)的各种影响因素。杨敏等(2005)[4]采用三维弹塑性有限元法模拟了无支撑基坑开挖与邻近桩基的相互作用。沈健等(2005)[5]应用三维有限元法分析了基坑开挖引起的邻近高架桩基的水平位移与附加内力。李龙剑等(2011)[6]采用二维平面应变模型模拟了无支撑基坑开挖引起的邻近高架桩基的水平位移，分析了土体加固对高架基础的影响。朱敏等(2011)[7]以武汉香港路地铁车站工程为例，分析在深厚软弱地层中开挖超深基坑的结构设计要点和难点，提出确保施工安全的工程对策。

本文依托引江济淮菜子湖线C5标河渠工程，采用MIDAS-GTS NX通用岩土有限元分析软件，构建了模拟输水河渠高边坡开挖施工的数值模型，基于该模型，研究输水渠道高边坡开挖对邻近桥墩桩基的影响。

1 工程概况

引江济淮工程由长江下游上段引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程。自南向北划分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三大工程段落，共设八大节制枢纽。C5标段位于菜子湖线切岭段内桩号67+450～72+240处，总长4.79 km，基本为岗地开挖河渠，开挖深度21～32 m。河渠桩号F518(70+421.1)处，渠底高程3.74 m，开挖深度25.1 m，底宽45 m，每挖深6 m设置平台，共设四级平台，其中二级平台宽度为8 m，其他平台宽度为3 m，河道一级边坡1∶3.5，其余边坡1∶3.0[8]。

某铁路特大桥166号桥墩处，铁路左线中心线距引江济淮工程桩号F518(70+421.1)处的河渠左岸边坡开挖边线最近距离为46 m。166号桥墩及基础相关设计如下：圆端型桥墩高7.5 m，横桥向6.0 m，顺桥向2.0 m，采用C35混凝土。承台高2.0 m，横桥向10.2 m，顺桥向4.8 m，采用C35混凝土。桥墩采用桩柱式结构，基础采用钻孔灌注桩群桩基础，桩径1.0 m，横桥向4排，顺桥向2排，每排中心间距2.7 m，桩长26.5 m，共计8根，桩基采用C30混凝土。

河渠边坡与邻近铁路桥墩的位置见图1，渠道边坡开挖断面影响深度范围内的岩土层主要物理力学性质指标[9]见表1。

岩土层层厚/m重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)⑤重粉质壤土、粉质黏土10.819.88.025131全风化片麻岩5.120.8300300292强风化片麻岩5.821.21 240300293中等风化～新鲜片麻岩未钻穿21.45 00070039

2 数值模拟

2.1 方法与原理

近年来，考虑土与结构共同作用的连续介质有限元法在岩土工程中应用广泛。该方法可以把结构物及周围土体作为整体进行建模计算，综合分析施工引起的环境效应。与此同时，MIDAS-GTS NX作为一款通用岩土有限元分析软件，因其广泛应用于基坑、隧道、地铁、地下硐室、采矿等实际工程项目中，证明了程序的准确性和高效性[10～12]。鉴于MIDAS-GTS NX具有可对施工过程进行模拟，对结构受力、土层变形性状、地下水影响进行分析等诸多功能，因此，本文的研究采用其作为技术手段，评估输水渠道高边坡开挖施工对某特大桥桥墩桩基的影响。在采用三维连续介质有限元方法对边坡开挖施工过程进行模拟中，采用以莫尔-库伦屈服条件为破坏准则的理想弹塑性模型模拟土的本构关系。

2.2 基本假定

a) 将各层岩土体假定为均质、各向同性的弹塑性体。由于桥墩承台及其桩基等结构构件的刚度相对于岩土体较大，所以相应地假定为线弹性材料。

b) 考虑了桩基与土层之间的相对位移，设置了桩界面单元；不考虑承台与周围土体的之间的滑动现象；通过建立桩基与承台的连接来保证承台与桩共同受力。

2.3 计算模型

河渠左、右岸边坡开挖上开口线距离235 m，开挖深度25.1 m，考虑桥墩桩基的位置、桩长及基坑的开挖对其周围土体的扰动，三维模型的大小取为450 m×80 m×35 m(X，Y，Z)，其中X正方向为河渠右岸方向，Y正方向为输水方向，Z正方向为高度方向。

桩基采用梁单元模拟，为了确认梁单元和地基之间的摩擦行为及相对位移，使用桩界面单元，同时使用桩端单元。桥墩、承台、地层、各开挖土层、河渠管护道路等均采用三维实体单元，以六面体为主，辅以极少量的四面体单元。

在网格划分时，为使网格质量相对较高，对单元长度进行如下控制：桩基、承台、桥墩、管护道路等取1 m，各开挖土层取1.5 m，模型边界及各岩土层边界取3.0 m。经统计，整个模型节点总数13.8万，单元总数19.1万。

计算模型的边界条件设置如下；①位移边界，左、右侧约束X方向位移，前、后侧约束Y方向位移，顶部为自由边界，底部全约束；②转动约束边界，对桩基上的所有节点施加Z方向的转动约束；③改变属性边界，用于应对承台位置的原土体在施工阶段中其材料属性发生的改变。

对计算模型施加的静力荷载为：自重、河渠管护道路上的路面荷载，其中后者为均布压力荷载。本次计算使用的三维有限元模型及网格划分见图2。

2.4 施工过程模拟

施工过程的模拟实质上是一个完整的计算过程的展现。首先，河渠边坡在开挖之前场地存在初始应力场，但是该初始应力场应考虑邻近桥墩桩基施工导致的土体自重应力场的变化。因此，第二步需要在初始应力场计算的基础上模拟邻近桥墩桩基的建造过程。桥墩桩基施工完成后，在河渠边坡开挖之前，边坡开挖对桩基无变形的影响，因此，第三步是在前述应力场结果的基础上，将所有位移与应变清零，仅保存其变化的应力场作为边坡开挖模拟的初始应力场。第四步，进行边坡分步开挖施工、河渠管护道路施工及运行模拟，为了模拟分步开挖的整个过程，在定义施工阶段的过程中，采用逐层钝化相应开挖土层网格组数据的功能来模拟岩土层的开挖过程。

3 主要分析结果

3.1 桩基

边坡开挖到渠底高程3.74 m时(计算步骤11)，邻近桥墩桩基变形处于最不利状态，提取该工况下相关位移结果。图3可以看出，基坑开挖引起桩基产生附加侧向位移，其最大值为0.230 mm，位于距离开挖边坡最近的两根桩的桩顶位置，方向朝向边坡；距离开挖边坡最远的两根桩，距桩顶4.9 m位置，位移0.019 2 mm，方向背离边坡。

3.2 承台与桥墩

图4为承台与桥墩侧向位移，结果显示，承台处最大值为0.111 mm，位于承台底面靠近边坡一侧，方向朝向边坡；桥墩处最大值为0.096 5 mm，位于桥墩底面远离边坡一侧，方向朝向边坡。

3.3 边坡土体

图5为管护道路施工及运行后，渠道边坡的位移，此时，边坡变形处于最不利状态。结果显示，管护道路下部土体有沉陷，约0～2.27 cm，三级坡中部至五级坡下部之间的坡面土体会产生隆起，约0～5.63 cm。另外，虽然开挖边坡及河渠管护道路施工及运行会引起边坡土体产生一定位移，但位移的影响范围不大，最远距边坡开挖边线约24 m。

4 结论

根据三维有限元数值计算结果，得出以下结论。

a) 虽然河渠高边坡附近桥墩桩基产生一定的侧向位移，但位移值微小，满足规范要求。桩基处最大值为0.230 mm，位于距离开挖边坡最近的两根桩的桩顶，方向朝向边坡；承台处最大值为0.111 mm，位于承台底面靠近边坡一侧，方向朝向边坡；桥墩处最大值为0.096 5 mm，位于桥墩底面远离边坡一侧，方向朝向边坡。

b) 虽然河渠边坡土体发生一定位移，但位移的影响范围不大，水平向影响距离约24 m，远小于铁路左线中心线与河渠边坡开挖边线之间46 m的距离。

c) 引江济淮菜子湖线C5标邻近该铁路桥处的边坡开挖施工及运行引起桥墩桩基的微小位移，不影响该桥的正常使用。