软土地区航道开挖对桥梁桩基变形影响研究

谷素兵,李 锋,谷雷雷,陈 拓,王建州

(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程重点实验室,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116;3.海宁市龙舟港航技贸发展有限公司,浙江 海宁 314400;4.中交一公局集团有限公司,北京 100024)

0 引言

随着我国现代化进程的不断加快、国家经济的快速发展,特别是近年来长三角地区内河航道网的初步建成,使得京杭大运河运量的持续增长与航道通行能力严重不足的坚锐矛盾日益突出。为了从根本上解决京杭大运河动力不足及杭州市河的通航瓶颈问题,急需实施京杭大运河航道整治工程。京杭运河二通道海宁段作为陆上新开挖航道,地处杭嘉湖冲湖积平原区,为深厚软土复杂场地。作为连接长三角城市群中上海和杭州两个中心城市的交接点,其航道建设必将穿越大量的既有桥梁设施。由于航道开挖施工扰动的必然性和桥梁结构的复杂性,会导致邻近桥梁施工安全风险显著增加。新建航道施工必然扰动周围地层,引起地层的沉降和变形,导致桥桩基础发生变形,因此深入研究深厚软土地区航道开挖对上跨桥梁桩基变形特性的影响,对京杭运河二通道顺利建设和长期安全运营提供技术保障,助推杭嘉湖经济可持续发展具有十分重要的理论意义和应用价值。

目前,针对大面积土体卸载对邻近建筑物桩基的影响特性,国内外学者进行了相关的研究与探索，并取得了很好的成果。Leung等[1-2]利用离心模型试验探讨了密砂中悬臂式排桩支护基坑开挖对邻近单桩的影响,并采用试验成果基于深基坑开挖对邻近群桩性状进行了分析。Goh等[3]进行足尺试验探讨了隧洞挖方、填方对已有邻近桩基性状的影响。江杰等[4]运用ABAQUS有限元数值分析软件探讨了桩基变形随不同桩基刚度、不同开挖深度、不同桩长、桩径等条件下基坑开挖对邻近桩基的影响。郑明新等[5]利用有限元软件ABAQUS基于福建220 V框架保护涵下穿高速铁路莆田特大桥深基坑工程分析了基坑开挖过程中邻近基坑的桥墩墩台沉降和桩基变形规律,得出了基坑开挖使桥墩桩基产生了附加变形,桥墩承台及桩基有明显向基坑发生水平移动的趋势。付玉元[6]利用有限差分软件FLAC3D分析了电缆隧道基坑开挖过程中基坑不同开挖深度、不同开挖距离以及不同加固支护方式对桥梁桩基的影响。陈璟斌[7]利用MIDAS/GTS三维数值分析软件分析了基坑开挖对邻近桩基的内力、桩基水平位移、桩身轴力随基坑开挖深度变化的影响,得出了桩身内力是结合桩体水平位移一起随着基坑开挖深度增加而增加的。葛鹏[8]利用有限元分析探究了钻孔灌注桩开挖对既有桥桩基变形的影响。然而,针对深厚软土场地大面积土体开挖对邻近建筑物尤其是上跨桥梁桩基的影响,相关研究仍较少。仅有吴意谦[9]、张羽[10]、胡军[11]等以软土地区深基坑开挖为背景,利用有限元软件建立多桩模型,探究了开挖过程中桩基水平方向位移的变化情况。但这种研究还没有对它的桩基变形得到一个具体量化性的结论,不能为类似工程提供参考性意见。因此,对深厚软土场地大面积土体卸载条件下的桩基变形急需开展进一步的研究与分析。

基于此,本文以京杭运河二通道东西大道桥(新建桥梁)下穿航道开挖工程为背景,采用数值方法分析了航道开挖对邻近桥梁桩基变形的影响。重点研究了不同桩长、桩径的桥梁桩基在航道开挖条件下的变形特性,其研究结果可为后续类似的工程及施工提供参考依据。

1 研究区及工程概况

京杭运河二通道海宁段工程与杭海城际铁路(下穿)、运行中的沪杭高铁(上跨)、正在建设中的沪杭高速抬升工程(上跨)等重点工程呈现立体叠加、交叉在同一区域的状态。新开挖航道起点为博陆,沿余杭与桐乡的边界往南新辟航道,全长23.4 km,航道设计底标高为-2.6 m。新开挖航道采用双线航道布局形式,底宽B≥45 m,弯曲半径R≥480 m,水深h≥3.2 m(硬质防护河底适当加深),沿途穿越的桥梁净空尺度为双线航道通航净宽≥60.0 m,通航净高≥7.0 m。

新建开挖航道开挖采用复合梯形断面,其中东西大道大桥(新建桥梁)主桥上跨京杭运河二通道,桥梁配跨:[8×25+(60+100+60)+8×25] m,桥梁全长821 m,桥梁宽2×17.25 m,左右幅桥梁间隔0.5 m。上部结构:引桥采用25 m先简支后连续预应力混凝土T梁;主桥为(60+100+60) m波形钢腹板-预应力砼组合箱梁;下部结构:主桥主墩为矩形墩加矩形承台,每个承台下共有8根钻孔灌注桩且为摩擦桩,呈双排分布,双排桩水平中心距4.8 m、竖直中心距4.5 m。桩径1.8 m,桩长83 m。其航道纵断面与桩基布置分别如图1、图2所示。

图1 航道纵断面图Fig.1 Longitudinal section map of channel

注:由上图桥梁桩基布置图可知,右边桩基分两列排列,从中间开挖面向右边看,第一列桩基编号从上到下依次为1号桩、2号桩、3号桩、4号桩,第二列桩基编号从上到下依次为5号桩、6号桩、7号桩、8号桩图2 桥梁桩基布置图Fig.2 Pile foundation layout of bridge

拟建工程地处浙北平原区,属杭嘉湖冲湖积平原,地形平坦。根据现场钻孔编录结果,该场地软土厚度约为52.6 m,地层结构如表1、基本物理力学性质参数如表2所列。

表1 研究区现场钻孔编录汇总表Table 1 Summary of field drilling catalogue in the study area

表2 研究区现场钻孔编录土体物理力学性质基本参数汇总表Table 2 A summary of basic parameters for physical and mechanical properties of soil recorded by boreholes in the study area

2 航道开挖计算模型

2.1 模型建立

为了更好地反映航道开挖的分析研究,根据东西大道大桥主桥航道纵断面图,利用FLAC3D建立三维地质模型。模型建立以两桥桩所夹航道中心线中点为原点建模如下：东西向长为150 m,南北向长为50 m,土层厚度为100 m。桩基和土体采用六面体实体单元,三维模型按渐变式网格划分,共划分单元格557 482个,节点274 415个,生成的图形如图3所示。

图3 三维计算模型图Fig.3 Diagram of the 3D calculation model

2.2 模型边界条件及桩土接触设置

模型的边界条件采用节点位移速度约束条件,即将整个模型的前后、左右约束其法向方向(即模型x,y方向限制水平移动),底部边界采用固定约束,顶部保持自由完成全部计算。桩-土界面设置采用FLAC3D软件自带的无厚度的分界面单元(即接触面)来模拟。

2.3 模型本构及参数赋值

土体采用摩尔-库仑本构模型[12-14],桩与承台采用线弹性本构模型,桩-土界面采用库仑剪切本构模型[15-16]。航道开采采用空单元模型,该模型在FLAC3D软件中专门用来模拟从模型中删除的部分。

根据东西大道桥区域的勘察资料、室内试验[17]并结合工程地质手册确定数值模拟过程中各参数取值如表3、表4所列。其中影响桩-土界面的主要影响参数有接触面的法向刚度Kn、剪切刚度Ks、黏聚力coh、摩擦角fric。而桩土界面的法向刚度Kn和剪切刚度KS可根据工程经验取接触面相邻区域“最硬”土层的等效刚度的10倍,即:

表3 研究区岩土体物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of rock mass in the study area

表4 研究区桩土界面参数Table 4 Pile-soil interface parameters in the study area

(1)

式中:K是体积模量;G是剪切模量;Δzmin是接触面法向方向上连接区域上最小尺寸。

(2)

(3)

式中:E是土体弹性模量;v是土体的泊松比。

2.4 施工方案及计算工况

本次模拟方案分为两部分,第一部分先按照东西大道桥桥梁桩基参数建立单桩计算模型(图4),通过在桩顶逐级施加压力,完成单桩静载荷试验的模拟,来研究荷载与桩顶竖向沉降的变化曲线,从而验证参数的合理性。其中,各土层参数、桩基参数以及桩土界面参数依然采用表1、表2所列的参数,桩长为83 m、桩径为1.8 m。

图4 单桩静荷载试验数值模拟模型Fig.4 Numerical simulation model for static load test of single pile

数值计算结果通过与嘉绍通道长山河特大桥桥梁桩基工程试桩静载试验结果的对比[18],进一步验证模型计算参数的合理性。模型验证的具体数值计算过程如表5所列。第二部分建立航道开挖数值计算模型,得到开挖以后各桩的水平偏转位移,并对比各桩基的变形特性。航道开挖数值计算过程如表6所列。

表5 单桩静荷载试验数值模拟施工工况描述Table 5 Construction condition of numerical simulation of static load test on single pile

表6 航道开挖施工工况描述Table 6 Description of channel excavation construction conditions

在此基础上,考虑桩基几何特性的影响,通过改变桩体长度和桩体直径,进行不同因素条件下航道开挖对桩基变形特性的影响分析。考虑因素如下:

(1) 考虑不同桩径的影响,保持土层与桩长一致,按桩径为1.2、1.4、1.6及1.8 m各建立数值计算模型,再次进行航道开挖数值计算。

(2) 考虑不同桩长的影响,为了控制单一变量,数值计算模型中将土层中的最底层中风化基岩去掉。考虑桩体完全置于软土层中。计算工况保持桩径不变,按桩长为53、63、73及83 m各建立数值计算模型,再次进行航道开挖数值计算。

3 数值计算模型验证

从图5中的数值计算获取的单桩荷载沉降曲线可知,前期随着桩顶压力的逐渐增大,单桩荷载沉降曲线呈线性增长,当桩顶压力超过单桩承载极限值时,曲线陡然下降,破坏特征明显,拐点明显。根据《建筑桩基技术规范》,这是因为该桩为摩擦桩,在前几级荷载作用下,桩体承载力主要靠桩侧摩阻力提供,并且随着加载级数增加,各分层侧摩阻力逐步增大并最终达到极限,继续加载则充分发挥桩端阻力直至桩端呈刺入剪切破坏。从图5中浙江嘉兴海宁市扬汇桥村嘉绍通道长山河大桥现场试桩的实测数据可知,该桥梁桩基为钻孔灌注桩,桩径1.8 m,桩长92 m,土层从上到下依次为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、粉质黏土、黏土,平均厚度分别为8.75 m、11.15 m、2.4 m、11.2 m、55.2 m、3.3 m。该试桩类型与几何特征参数与论文所研究的目标桥梁桩基具有可比性,利用试桩实测数据来验证数值计算模型的合理性。通过图5中的实测曲线与数值计算这两曲线的相互对比可以看出,两曲线的整体发展趋势都是先呈线性变化、再缓慢变化、最后发生突变,基本上保持一致。取最大位移对应的荷载值为极限承载力,可知实测的试桩极限承载力为31 926 kN,相对应位移为45.44 mm。而数值计算中试桩极限承载力为52 000 kN,相对应位移为84.21 mm。这是由于实测试桩最后一层的主要土为软土,而我们所研究的东西大道桥这片区域中的最后一层主要土为中风化基岩。而根据桩基规范中的桩基静载试验允许沉降值可知,一般情况下,桩径大于800 mm,沉降位移不能大于直径D的0.05倍。我们所研究的桩在极限荷载下,桩的沉降位移84.21 mm满足规范要求。由上可知,本文中所选用的岩土体本构模型、本构参数选取比较合理,具有适用性。

图5 单桩静荷载试验实测与数值计算对比图Fig.5 Comparison between measured and numerical calcul- ation results of static load test of single pile

4 土体开挖对桥梁桩基变形影响

图6为航道开挖后桥梁桩基水平偏移云图。航道开挖引起周围岩土体的卸载效应,改变了原始土体应力平衡状态。在桩基作用下,周围岩土体自身进行重新平衡,这一阶段代表岩土体应力重新分布,同时造成岩土体的位移,而桥梁桩基处于这种自我平衡而运动的岩土体中,势必会造成桩基变形。图7为航道开挖后各桩桩顶水平偏移曲线时程曲线。从中可以看出，各桩桩顶水平偏转位移随着时间步的增加而逐渐增大。当数值计算达到软件默认收敛准则(即平均平衡力比值为10-5)时,数值计算达到平衡,此时各桩桩顶水平偏转位移基本保持一致,桥梁桩基水平偏转平均位移大约为14.3 mm。这是由于各桩桩顶上面都连接着承台,在承台的作用下,使得各桩的受力基本保持一致,从而在开挖过程中使得各桩共同向开挖区一侧倾斜,各桩水平位移基本相同。由于平衡时,1号桩的水平偏转位移相较于其他桩要稍微大一些,故在下面重点分析航道开挖对不同桩径、桩长的影响时,取1号桩进行分析。

图6 航道开挖后桩基水平偏移云图Fig.6 Cloud picture of horizontal offset of pile foundation after channel excavation

图7 航道开挖后各桩桩顶水平偏移曲线图Fig.7 Horizontal offset curves of each pile top after channel excavation

4.1 航道开挖对不同桩径的影响

图8为不同桩径桩基水平位移云图。从图中可以看出，在不同桩径作用下,航道开挖使得各桩桩顶水平位移向着航道开挖侧倾斜,航道开挖使坑周土体产生位移,而邻近桩基受土体位移作用,产生桩身偏移,各桩在承台作用下,由于上部受力都不约而同地向着坑内一侧弯曲,最大偏转位移基本出现在桩长的1/2处。图9为航道开挖后不同桩径桩水平位移随桩深的变化曲线。从中可知各曲线整体趋势一致,航道开挖后不同桩径桩水平位移随桩深增加而逐渐减小,最大水平位移出现在距离桩顶39 m处,各桩最大水平位移值在31.94～33.02 mm这个区间,其变化不大。当桩径增大,其他因素保持不变时,整个桩的整体水平倾斜位移确实随着桩径的增大而逐渐减小,但这个变化值比较小。这是由于航道开挖整体深度较浅,而桩又特别长,使得开挖的这个深度占整个桩长的比例不到1/10,从而导致对桩的影响比较小。

图8 不同桩径桩基水平位移云图Fig.8 Cloud diagram of horizontal displacement of pile foundation with different pile diameters

图9 航道开挖后不同桩径桩水平位移随桩深 的变化曲线Fig.9 Horizontal displacement curves of piles with different dia- meters varying with pile depth after channel excavation

图10为航道开挖后桩基桩顶水平位移及垂直度偏差随桩径的变化曲线。从图中可明显地看到,航道开挖后不同桩径的桩基桩顶水平位移基本上变化不大,又根据《建筑桩基技术规范》[19]可知,泥浆护壁钻孔灌注桩的垂直度允许偏差为1%,而我们数值计算出不同桩径桩基的垂直度偏差远远小于规范值,满足规范要求。这说明在现场施工中,对于超长桩来说,桩径的增大对桩基抑制水平倾斜的帮助比较小。在本文数值分析中,尽管不同桩径的桩,桩顶水平倾斜相差比较小,但相对来说,在桩径为1.4～1.5 m时,垂直度偏差最小,相对桩基桩顶水平位移取得最小值。

图10 航道开挖后桩基桩顶水平位移及垂直度偏差随桩径的变化曲线Fig.10 Curve of horizontal displacement and vertical deviation of pile top varying with pile diameter after channel excavation

4.2 航道开挖对不同桩长的影响

图11为不同桩长桩基水平位移云图,图12为航道开挖后不同桩长桩水平位移随桩深的变化曲线。由两图可知,航道开挖后,不同桩长桩基水平位移随桩深的变化曲线趋势一致,都向着坑内一侧倾斜,最大水平位移值均出现在距离桩顶1/2～2/3倍桩长处,各桩最大水平位移按桩长由大到小分别为32.05、31.51、31.97及31.33 mm。图13为航道开挖后桩基桩顶水平位移及垂直度偏差随桩长的变化曲线。可知桩基桩顶水平倾斜位移随着桩长由长到短呈现出逐渐增大的趋势,但增大趋势有所不同,在桩长从83～53 m时,增长趋势呈现出先加快后减缓再加快的态势。而从垂直度偏差随桩长的变化曲线可以看出,在桩长从83～63 m时,垂直度偏差呈线性增加,几乎是一条直线,但从63～53 m,该直线出现了转折点转变成一条折线。这说明,在航道开挖过程中,同等情况下,桩长不能随意减小,它有一个临界点。这是因为该桩为摩擦桩,力的来源主要来自于桩土相互作用时的桩侧摩阻力,当桩埋置较深时桩与土相互接触比较多,相互作用范围比较大,桩的水平承载力也随之变大,从而使得用同样的施工方法开挖相同的深度,对于83 m桩来说影响较小。当桩长逐渐减小时,桩侧摩阻力也随之逐渐减小。一旦桩长减小超过某一临界值时,桩的水平承载力不足以抵消土的开挖扰动对于桩的影响力,使得桩的水平倾斜急剧增大,从而大大地影响桩的水平承载力,使之发生破坏。

图12 航道开挖后不同桩长桩水平位移随桩深 的变化曲线Fig.12 Curve of horizontal displacement of piles with different lengths varying with pile depth after channel excavation

图13 航道开挖后桩基桩顶水平位移及垂直度偏差随桩长的变化曲线Fig.13 Curve of horizontal displacement and vertical deviation of pile top with pile length after channel excavation

5 结论

本文基于京杭大运河东西大道桥邻近航道开挖工程,利用现场勘察、室内试验和数值仿真相结合的手段,对航道开挖进行了全程模拟,就航道开挖对于桥梁桩基关于桩长、桩径对桩基水平倾斜的规律进行了分析,得到了以下结论:

(1) 随着桩顶压力的逐渐增大,单桩荷载沉降曲线呈线性增长,当桩顶压力超过单桩承载极限值时,桩基迅速发生破坏。数值计算得到的浙江余杭地区深厚软黏土地层条件的灌注桩试桩极限承载力为52 000 kN,相对应的沉降量为84.21 mm。

(2) 航道开挖工程势必会引起土体扰动而造成桩基偏移,对于超长桩来说,满足承载力的同时一味增大桩径,对于桩基水平承载力的提升与控制桩基水平倾斜帮助有限。

(3) 航道开挖过程中,对于超长桩来说,在满足承载力的前提下,桩长的减少会节约大部分资金,但同等情况下,桩长不能随意减小,一旦桩长减小超过它所能承受的临界值时,桩的水平承载力不足以抵消土的开挖扰动对于桩的影响力,使得桩的水平倾斜急剧增大,从而大大地影响桩的承载力,使之发生破坏。