上跨铁路转体桥梁主墩基坑施工对周边土体的影响

谭生永

(中国铁路济南局集团有限公司,济南 250001)

随着我国交通基础设施的快速发展,铁路线与公路线交叉穿越的情况愈来愈多,这给邻近既有铁路施工带来极大困难。 穿越铁路主要有上跨和下穿2 种施工方案,上跨方案可以避免对铁路路基直接扰动,有利于维护铁路安全。 其中,上跨方案中的转体施工法可以有效避免桥梁施工对既有铁路正常运营的影响,成为现阶段备受推崇的施工方法[1]。 然而,转体桥梁主墩下部结构相对复杂,承台、球铰系统和上转盘3 个主要组合结构体积庞大,导致基础施工时基坑范围广、深度大。 深基坑施工必然导致邻近土体产生水平位移和竖向变形,若影响范围延伸至铁路附近,会引起路基的附加受力和变形,严重时会导致路基沉降破坏。

一般情况下,对于有外倾结构面的岩质边坡以及土质边坡,边坡开挖后,不应使构筑物基础置于有临空且外倾软弱结构面的岩体上和稳定性极差的土质边坡滑塌区。 任彦华等借助三维有限元软件,研究空间效应对深基坑支护挡墙内力的影响,为支护设计工作提出了优化建议[2];禚一等基于实体数值模型分析框构桥施工对高铁的影响,并为高铁工程建设提供一定的理论依据[3];张季如通过试验确定用于边坡开挖稳定分析的计算参数并结合Janbu 普遍条分法对边坡开挖的稳定性进行评价[4];刘国彬等通过试验研究,得出开挖卸载下土体的强度变化以及对被动区土压力的影响[5]。 而对于基坑边坡滑塌区的范围并未有明确的分析,故有必要对主墩基坑施工引起的边坡滑塌区位置及土体变形规律进行深入研究。

主墩深基坑开挖卸荷会引起坑底土体产生向上位移,若基坑底处于不良地质层,易产生严重隆起,进而导致附近土体发生较大位移。 由于桥梁跨径控制,铁路路基通常处于基坑施工影响范围内,基坑底土体位移对铁路路基的扰动不容忽视。 胡琦等将桩、土匀质化后,得到一种复合地基模型参数的求解方法,并以此方法研究地下结构中的桩土作用[6];杨进等通过群桩模拟实验,研究群桩条件下的桩-土作用问题,得出群桩作用对土应力场的影响关系[7];王成华阐述桩土之间的受力关系[8]。

利用有限元分析软件MIDAS-GTS NX,建立包含铁路路基、防护桩、工程桩等构件的基坑开挖三维有限元模型,研究基坑施工时周边土体竖向位移随其与基坑边缘距离的变化规律,分析主墩处桩身承载状况及桩对基坑底部土体隆起的抑制作用。

1 工程简介

某城市公路转体桥上跨京沪上下行线、泰肥线等6 条铁路线,左右两幅桥梁转体墩基坑边缘与铁路中心线最近距离分别为7.34 m 和8.94 m,开挖深度为12 m,平行铁路方向长20.75 m,垂直铁路方向长14.75 m。 基坑四周设置钻孔防护桩,φ1.25 m,间距1.5 m,桩顶设1.25 m×0.8 m 冠梁,防护桩内侧挂网锚喷C20 混凝土,防护桩由上至下共设置2 排内撑。 转体主墩承台底部设置20 根钻孔灌注工程桩,φ1 m,长20 m,基坑防护构造及其与既有铁路线位置关系见图1。

根据地质钻探报告,转体基坑处主要地层结构组成描述如下。

杂填土:主要由砖头、碎石、建筑垃圾以及黏性土等组成,松散。 该层分布不连续,层厚1.30～9.80 m,层底高程 28.81～39.91 m。

粗砂:黄褐色,石英-长石质,亚角形,混粒结构,级配一般,充填少量黏性土,稍湿-湿,中密。 该层分布连续, 层厚1.20 ～ 9.00 m, 层底高程24.74 ～32.30 m。

砾砂:石英-长石质,亚棱角形,混粒结构,级配良好,含少量圆砾,局部有粗砂、圆砾夹层,充填 15%左右的黏性土,湿-饱和,密实。 该层分布连续,层厚3.30～11.00 m,层底高程19.29～26.55 m。

细砂:黄褐色,石英-长石质,均粒结构,级配差,充填 20%左右的黏性土,饱和,密实。 该层分布基本连续,层厚0.80～8.40 m,层底高程10.26～21.49 m。

2 有限元模型及参数

2.1 模拟假定

利用有限元软件MIDAS-GTS NX 进行模拟,在算例中,进行以下假定[9]。

(1)土体具有连续、均质、各向同性。

(2)主墩、内支撑、桩体(包括工程桩和基坑防护桩)按照线弹性本构计算,土体为Mohr-Coulomb 本构。

(3)桩-土之间采用软件提供的桩界面单元模拟。

(4)不考虑地下水影响,按总应力法进行分析。

2.2 计算模型

采用Midas GTS NX 建立三维模型,为便于描述,首先给出计算模型中拟采用的坐标系:垂直于既有铁路线方向为X轴,顺既有铁路线方向为Y轴,竖直方向为Z轴。 为消除计算边界效应的影响,考虑施工过程中的空间效应,模型沿X方向取100 m,沿Y方向取100 m,土层总深度为50 m,土体模型见图2。

图2 土体模型

根据地质资料,将地面以下划分为4 层,土层参数见表1[10],桩基以及内支撑等构件参数见表2。 模型建模思路:首先建立各土层、既有铁路线及轨道,将荷载加在轨道上,以此作为初始阶段;然后建立基坑防护桩、转体桩、基坑开挖土体、内支撑、混凝土喷浆挂网等模块,并根据施工阶段激活或钝化相应单元及荷载,计算快速路基坑开挖对既有铁路基础的影响。 模型中模拟形式如下[11-12]。

表1 土层参数(Mohr-Coulomb 本构)

表2 桩基、内支撑等构件参数(弹性本构)

(1)三维实体单元

土体、铁路路基选用三维实体单元,选用6 节点构成的四面体单元,此建模方法产生的位移和应力结果与实际情况较为接近。 实体单元仅有3 个平移自由度,没有旋转自由度。

(2)桩单元

桩选用的单元类型是MIDAS-GTS NX 中的梁单元,在三维实体模型中建立梁单元时,应考虑节点共享。 桩单元使用了嵌入式梁单元的方式,该单元由2 个节点构成,属于“棱柱状三维梁单元”。

(3)二维单元

基坑内侧C20 混凝土挂网采用2D 板单元模拟。

(4)边界条件

土体模型边界选用地面支承边界[13],即在左右边界约束X方向的自由度,在前后边界约束Y方向的自由度,在底面边界约束Z方向的自由度,地面不约束自由度。 桩、冠梁、内支撑等构件的网格划分见图3。

图3 基坑防护结构模型

3 有限元分析

有限元分析过程与实际施工过程一致,具体划分情况见表3。

表3 有限元分析

4 主要计算结果分析

4.1 基坑开挖阶段地表沉降分析

工况5 下,转体基坑开挖第二层土体时土体的竖向变形见图4。 基坑中心线剖面(与铁路线垂直方向)地表沉降计算值与实测值对比见图5。

图4 基坑开挖阶段竖向变形(单位:m)

图5 沉降计算值与实测值对比

由计算结果可知,工况4 和工况5 下,随着与基坑边缘距离的增大,地表沉降先逐渐增大,在约15 m 处达到峰值后逐渐减小,整体沉降形态呈明显的抛物线形变化规律,计算值与实测值吻合较好。

为确保铁路线安全,降低基坑施工对铁路线的影响,应尽量避免将铁路线置于基坑开挖引起的土体沉降抛物线峰值区域内。 因此,在进行转体桥设计时,建议进行相应地表沉降计算,若铁路线位于土体变形峰值区域内,可通过加强基坑开挖支护、调整桥梁孔跨等方式优化主墩基坑位置,以减少不均匀沉降对路基的影响。

4.2 主墩工程桩对基坑开挖的影响

图6、图7 分别为设置工程桩和无工程桩工况下坑底竖向位移沿基坑中心剖面发展形态的计算结果。在有支护的情况下,基坑侧壁土体向坑内偏移,偏中下位置偏移量大。 设置工程桩时,坑底土体无明显隆起,最大隆起位移为8 mm,结构安全稳定;未设置工程桩时,坑底土体发生剪切破坏,产生明显隆起,最大隆起位移为91 mm,且土体位移沿中心位置呈放射状分布并逐渐减小。 设置工程桩工况下,坑底最大隆起位移较无工程桩工况降低91.3%。

图6 有工程桩工况基坑坑底竖向位移(单位:m)

图7 无工程桩工况基坑坑底竖向位移(单位:m)

2 种工况下,坑底隆起位移计算结果和设置工程桩工况实际监测结果对比见图8。 由图8 可知,监测结果与数值模拟计算结果吻合较好,验证了数值计算模型的可靠性。 同时,可认为无工程桩工况的模型和计算结果均具有较好可信度[14-15]。

图8 基坑隆起位移对比

工程桩位于基坑底部,工况5 中,其竖向位移及竖向应力计算结果分别见图9、图10。 由计算结果可知,基坑开挖时,工程桩整体发生向上位移,且由基坑中心向边缘方向桩基的竖向位移量呈递减趋势,基坑中心位置桩竖向最大位移为4.2 mm,基坑边缘位置桩的最大位移为0.35 mm;桩身整体承受拉应力,随着埋深的增大拉应力逐渐增大,桩顶承受最大拉力为99.85 kN,约为桩底承受最大拉力1 196.66 kN 的1/12。

图9 工程桩竖向位移(单位:m)

图10 工程桩竖向应力(单位:kN)

综上,基坑开挖过程中,土体卸荷引起坑底土体向上位移,工程桩的挤密作用对基底土体隆起有明显的抑制效应,使得临近土体的位移减小,有效控制了基坑开挖对周边土体的影响,进而降低土体波动范围内铁路路基沉降破坏的风险。 由此针对转体主墩基坑施工提出以下建议。

(1)在跨铁路转体桥主墩基坑施工过程中,应尽量优先施工工程桩,再开挖基坑,如果因开挖空间受限等因素导致无法先施工工程桩,应加强基坑防护并对基坑及周围土体位移实施严密监测,若有异常变形及时采取应对措施。

(2)基坑开挖过程中,由于桩身轴向拉力随着埋深的增大逐渐增加,工程桩底部钢筋不能过少,素混凝土段长度应满足规范要求,以避免桩体在承受轴向拉力时出现断桩现象。

5 结语

(1)基坑施工时,周边土体竖向位移随其与基坑边缘距离的增加呈现抛物线变化,故应尽可能避免既有铁路位于抛物线顶点附近,可通过加强基坑开挖支护、调整桥梁孔跨等方式优化主墩基坑位置,以减少不均匀沉降对路基的影响。

(2)设置主墩工程桩时,桩底处土体竖向位移均匀,结构形式安全稳定;未设置工程桩时,桩底土体位移沿中心位置呈放射状分布并逐渐减小,土体易发生剪切破坏、产生隆起。 因此,主墩工程桩对基坑底部隆起有显著抑制作用,应尽量完成工程桩施工后再开挖基坑,或加强监测或基坑防护,防止变形异常。

(3)基坑开挖时,工程桩整体发生向上位移,由基坑中心向边缘方向上桩基的竖向位移量呈递减趋势;桩身整体承受拉应力,随着埋深的增大,拉应力逐渐增加。 因此,工程桩底部钢筋不宜过少,素混凝土段长度应满足规范要求,以避免桩体在承受轴向拉力时出现断桩现象。