关于桥墩桩基施工对镇海堤影响数值模拟评估

胡德雄

（福建省闽招工程检测有限公司，莆田 351100）

0 引言

镇海堤,原名东甲堤,位于荔城区黄石镇境内,蜿蜒横卧在兴化湾南岸木兰溪入海口,全长6km,迄今已有1200多年。 镇海堤以抵御海潮,围垦埭田,造福于民存世,黄石、新度、笏石、北高四镇69 个村共25 万人口,1.5 万hm2田地受益。 它是莆田最古老效益最大的古建筑,被列为省级文物保护单位。2006 年5 月,又被国务院批准为全国重点文物保护单位。

为缓解城市交通压力, 现需在古海堤上方修建一座桥梁,本文研究了桥墩桩基施工时对镇海堤文物的影响。

1 工程概况

1.1 镇海堤概况

海堤由堤身、防浪墙、堤外抛石、堤内排洪沟组成,堤身材料主要为块石、条石。 据2001 年上报镇海堤作为全国文物保护单位的资料显示, 国保部分为镇海堤遗址,即现存堤长3.5km,基宽2.67m,顶宽1.35m,高3.67m。在东洋段海堤码头外立碑1 通,高2.95m,宽1.17m,厚0.27m。

1.2 桩基及地质条件

根据实际项目情况,以38 号桩基与古海堤共同组成计算实体。 根据地质勘察报告,选取地质钻孔土层信息作为土层计算参数。

2 有限差分计算模型

2.1 有限元软件介绍

有限差分软件FLAC3D 是二维的有限差分程序FLAC2D 的拓展,能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。 通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。 单元材料可采用线性或非线性本构模型,在外力作用下,当材料发生屈服流动后, 网格能够相应发生变形和移动 (大变形模式)。FLAC3D 采用了显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术,能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。 由于无须形成刚度矩阵,因此,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

2.2 有限元模型

计算模型按实际施工工况分析桩基开挖过程中应力卸荷与振动对海堤的影响。 分析过程中,利用已有的振动检测实验数据,选取适当的动力分析参数,评价旋挖钻机振动对古海堤的安全性。

2.3 有限元模型概况

总体模型计算区域的选取应考虑模型边界效应的影响。 根据参考资料,本计算模型X、Y、Z 方向(沿垂直古海堤方向、 平行古海堤方向、 深度方向) 的尺寸分别为120m、61m、80m。

此模型共有444843 个单元,77933 个节点,地层包含淤泥、卵石、沙土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩,微风化花岗岩,计算模型如图1 所示。 计算单元为各层岩土体及桩基开挖段。

2.4 模型参数及本构关系

(1)岩土材料本构及其参数取值。 由于勘察报告中未直接提供弹性模量值,泊松比,结合已有工程经验,各岩土层弹性模量的取值如表1 所示。

(2)动力计算地震波参数取值如表2 所示。

图1 计算模型

图2 开挖振动镇海堤监测点布置图

表1 岩土层及结构参数及本构关系

表2 地参数及本构关系

2.5 荷载及边界条件

计算过程中分两种情况, 分别为考虑桩基开挖时卸荷过程引起静力计算部分和桩基开挖时振动过程引起动力计算部分。计算模型在静力部分,对X、Y 两个方向的两侧都施加水平约束,底部加竖向约束,顶面为自由面,不加约束；在动力计算部分,因震源来自模型内部,对该模型四周及底部施加静态边界条件,顶部为自由面。

2.6 工况分析

38 号墩下桩基共6 根,考虑桩基施工过程中,如果先施工远离海堤方向的桩基础, 那么靠近海堤方向的桩基施工将再一次对海堤造成影响。 因此,建议桩基的施工顺序是先对靠近海堤侧的桩基施工, 后对远离海堤侧的桩基施工,有了靠近海堤侧桩基的保护和支撑,远离海堤侧桩基施工时对海堤的影响将大大减小。

因此, 计算分析中仅考虑靠近海堤侧桩基施工的影响,忽略远离海堤侧桩基的影响。 根据业主单位提供的旋挖振动监测点(图2)所示结果及计算,淤泥段旋挖施工时,海堤上监测的振动将很微弱,对海堤的影响可以忽略。 考虑到淤泥段旋挖过程中, 桩周土的变形对海堤的影响较旋挖振动的影响要大得多。 因此,计算工况以每根桩淤泥段的静力分析为主(表3)。 淤泥以下部位由于岩土体本身具有一定的稳定性,桩周岩土体自身的变形将较小,相较旋挖导致振动对海堤的影响可以忽略,因此,淤泥段以下部位的计算仅考虑振动对海堤的影响, 忽略桩周土变形对海堤造成的影响。

表3 桩基开挖计算分析工况

3 开挖方案有限元分析结果

根据桩基旋挖成孔过程中, 桩周岩土体的变形和海堤的动态响应,将桩基开挖的计算分两步进行,分别是淤泥段的静力计算和淤泥段以下的动力计算。

使用有限差分软件FLAC3D,分别对淤泥段进行静力计算,对淤泥段以下进行动力计算,得到了最大位移以及最大振动速度,如表4 所示。

第六根桩淤泥段开挖的计算结果如图3～5 所示,淤泥段以下开挖的计算结果如图6～8 所示。

图3 第6 根桩淤泥段开挖海堤最大位移云图(单位：m)

表4 镇海堤计算位移计算结果汇总

图4 第6 根桩淤泥段开挖海堤X 方向位移云图(单位：m)

图5 第6 根桩淤泥段开挖海堤Y 方向位移云图(单位：m)

图6 第6 根桩淤泥段以下开挖海堤最大位移云图(单位：m)

图7 第6 根桩淤泥段以下开挖海堤X 方向位移云图(单位：m)

图8 第6 根桩淤泥段以下开挖海堤Y 方向位移云图(单位：m)

由上述计算结果可知, 新旧海堤以向海里方向变形为主,最大位移量出现在坡顶两侧。 增大位移主要由开挖振动引起,开挖卸荷影响作用较小。

4 总结

综上所述, 通过理论计算桩基开挖对海堤的稳定性影响微弱。 由靠近海堤侧的桩基依次开挖,尽管海堤的变形逐渐增大, 但累计变形值和变化量都较小,6 根桩基施工后的最大变形量仅为3.51mm。 桩基在开挖过程中,受到已施工桩基的嵌固和支档作用, 海堤的变形量也逐渐减小。 同时,理论计算的最大振动速度介于1.7～2.3mm/s,远小于《爆破安全规程》中规定的1cm/s 的可接受振动指标。

因此,桩基施工对海堤稳定性的影响微弱,影响程度和范围也非常有限。 综合考虑海堤多年来饱经风雨和各种附加荷载的作用,依然完好,桩基施工不会造成海堤整体的变形和显著位移。