不均勻地基橋梁明挖基礎(chǔ)變形分析

張永忠，關(guān)鳳琚

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

沉降變形是建(構(gòu))筑物安全可靠度分析的指標(biāo)之一，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)沉降變形檢算的要求越來(lái)越高。明挖基礎(chǔ)是鐵路橋梁的常用基礎(chǔ)形式之一，由于其施工工藝簡(jiǎn)單造價(jià)低而倍受青睞。近年來(lái)，對(duì)鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沉降及橋梁明挖基礎(chǔ)的研究已取得不少成果，涉及到的內(nèi)容包括地基沉降對(duì)橋梁及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響［1－4］，橋梁及基礎(chǔ)沉降觀測(cè)分析與預(yù)測(cè)［5，6］，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)程序的優(yōu)化［7］、施工方法、處理措施等方面的研究［8］，對(duì)于不均勻地基明挖基礎(chǔ)的沉降變形研究較少;目前已有的規(guī)范［9］對(duì)橋梁基礎(chǔ)的沉降僅規(guī)定了單個(gè)墩臺(tái)均勻沉降容許值，以及相鄰墩臺(tái)均勻沉降之差容許值，都沒(méi)有涉及到單個(gè)墩臺(tái)差異沉降方面規(guī)定。

在明挖基礎(chǔ)勘察、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，地基不均勻是常見(jiàn)問(wèn)題之一。地基風(fēng)化程度的不均勻，地基強(qiáng)度的不均勻?qū)?huì)造成基礎(chǔ)的差異沉降，地基的不均勻范圍、不均勻程度、不均勻深度是控制基礎(chǔ)沉降及差異沉降的主要因素，現(xiàn)有規(guī)范較少給出該類(lèi)問(wèn)題的定量結(jié)果。

本文以工程實(shí)例為原型，概化出具有一般特性的基本模型，就地基不均勻深度方面進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)在不同深度不均勻風(fēng)化地基條件下橋梁明挖基礎(chǔ)的沉降及水平變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并借助matlab矩陣工具對(duì)沉降及水平位移曲線(xiàn)進(jìn)行處理，得到沉降及水平位移與地基不均勻深度變化的函數(shù)關(guān)系式，為橋梁的勘察、設(shè)計(jì)、施工提供有益的幫助。

1 明挖基礎(chǔ)變形計(jì)算及分析思路

以某鐵路橋梁明挖基礎(chǔ)為基本地質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上，為了研究具有一般意義條件下明挖基礎(chǔ)在不同深度不均勻地基的情況下變形問(wèn)題，將其抽象成更具一般特性的地質(zhì)力學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到結(jié)果，具體步驟如下:

(1)依據(jù)實(shí)際工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式與工程地質(zhì)特征建立基本地質(zhì)模型;

(2)依據(jù)基本地質(zhì)模型進(jìn)一步抽象為具有一般特征的地質(zhì)力學(xué)模型;

(3)設(shè)置不均勻地基方案:基底左側(cè)為弱風(fēng)化玄武巖，基底右側(cè)分為七層，從上至下強(qiáng)風(fēng)化玄武巖深度依次加深，如表1所示;

(4)設(shè)置不同的計(jì)算工況，依據(jù)明挖基礎(chǔ)左右兩側(cè)不均勻地基的深度設(shè)置不同的計(jì)算分析方案，如表1所示。

其中工況一基底左側(cè)和右側(cè)都為弱風(fēng)化玄武巖，即均勻地基;工況八基底左側(cè)為弱風(fēng)化玄武巖，右側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖;其余工況為中間過(guò)渡工況;

(5)對(duì)八種工況進(jìn)行計(jì)算分析，并運(yùn)用matlab工具等對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得到不同深度不均勻地基條件下橋梁明挖基礎(chǔ)沉降變形規(guī)律。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 地質(zhì)模型的概化

某高速鐵路特大橋的一個(gè)明挖基礎(chǔ)，基底地層風(fēng)化不均勻，左側(cè)為弱風(fēng)化玄武巖(W2)，右側(cè)0～5 m為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖(W3)，下部為弱風(fēng)化玄武巖(W2)，如圖1，2所示，但地基承載力均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值要求，為了避免基礎(chǔ)左右兩側(cè)發(fā)生差異沉降值太大，影響橋梁穩(wěn)定性，需對(duì)其沉降及水平位移進(jìn)行計(jì)算論證。

為了使得分析計(jì)算結(jié)果更具有一般性，本文在上述實(shí)例基礎(chǔ)上，對(duì)工程地質(zhì)條件進(jìn)行了抽象概化，建立如圖3所示的地質(zhì)模型，即剖面基底弱風(fēng)化基巖與強(qiáng)風(fēng)化基巖界線(xiàn)為中心式分界模式。對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖石地基的發(fā)育深度按照分析思路的工況分別進(jìn)行討論。本文共分八種工況，設(shè)定了八種不同深度的強(qiáng)風(fēng)化巖石，在此條件下建立模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

表1 不同深度不均勻地基明挖基礎(chǔ)計(jì)算工況

圖1 明挖基礎(chǔ)基坑平面圖

圖2 明挖基礎(chǔ)剖面圖

2.2 力學(xué)模型的建立

力學(xué)模型主要依據(jù)地質(zhì)模型特征建立，左右邊界為水平位移約束，底邊界為縱向與水平位移約束邊界，橋墩頂部為力學(xué)邊界，分別承受上部縱向荷載與水平荷載;本次計(jì)算按照時(shí)速250 km設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［9］，主應(yīng)力+橫向附加應(yīng)力荷載組合進(jìn)行計(jì)算，水平荷載500 kN，豎向荷載20 000 kN，橋墩兩支座中心間距4.5 m，具體模型如圖3所示。

圖3 明挖基礎(chǔ)地質(zhì)力學(xué)模型

2.3 物理力學(xué)參數(shù)的選取

物理力學(xué)參數(shù)主要參考巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)［10］，并結(jié)合工程試驗(yàn)結(jié)果選取，具體數(shù)值如表2所示。

表2 地基與基礎(chǔ)的物理力學(xué)參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 沉降分析

圖4為明挖基礎(chǔ)沉降云圖，從圖中結(jié)果可知:

(1)在不均勻地基條件下的明挖基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生差異沉降，地基強(qiáng)度低(強(qiáng)風(fēng)化玄武巖)的一側(cè)沉降量大于強(qiáng)度高(弱風(fēng)化玄武巖)的一側(cè);

(2)基礎(chǔ)頂部沉降量最大，向下直到地基依次減小;

(3)橋墩左右支座差異沉降最為顯著，向下直到地基依次減小，地基下部差異沉降逐漸接近于零。

表3為明挖基礎(chǔ)位移統(tǒng)計(jì)表，表4為明挖基礎(chǔ)位移函數(shù)表，圖5、6為明挖基礎(chǔ)支座沉降曲線(xiàn)，從表中結(jié)果分析可知:

(1)隨著地基強(qiáng)度較低(強(qiáng)風(fēng)化玄武巖)地層深度的增加，橋墩支座的沉降量逐漸增大，增幅逐漸減小;

(2)橋梁基礎(chǔ)差異沉降量隨著地基不均勻深度的增加逐漸增加，但增幅逐漸減小;在工況八條件下，左右支座的差異沉降達(dá)到2.42 mm;

(3)通過(guò)表4可以得到左右支座沉降及差異沉降曲線(xiàn)都呈對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度逐漸減緩;

(4)依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，該條件下橋墩沉降量在容許范圍內(nèi)，但對(duì)橋梁位移控制有一定影響，且隨著不均勻深度的增加，位移量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4 明挖基礎(chǔ)沉降云圖

表3 明挖基礎(chǔ)位移統(tǒng)計(jì)表

3.2 水平位移分析

圖7為明挖基礎(chǔ)水平位移云圖，圖8、9為擴(kuò)大基礎(chǔ)水平位移曲線(xiàn)，從表3、4及圖7、8、9結(jié)果分析可知:

(1)基礎(chǔ)水平位移左右兩側(cè)差值較小，位移等值線(xiàn)較為平緩;

(2)基礎(chǔ)頂部水平位移及水平位移差值最大，向下直到地基逐漸減小;

(3)左右支座水平位移隨地基不均勻深度的增加不斷增加，位移曲線(xiàn)呈對(duì)數(shù)形式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度逐漸變緩;

(4)左右支座水平位移差值為常數(shù)，即其值不隨地基不均勻深度的增加而變化，曲線(xiàn)為水平直線(xiàn)。

表4 明挖基礎(chǔ)支座位移函數(shù)表

圖5 明挖基礎(chǔ)左右支座沉降曲線(xiàn)

圖6 明挖基礎(chǔ)左右支座差異沉降曲線(xiàn)

圖7 明挖基礎(chǔ)水平位移云圖

3.3 應(yīng)力分析

圖10為明挖基礎(chǔ)最大有效應(yīng)力云圖，從圖中結(jié)果分析可知:

(1)橋墩支座應(yīng)力最大，應(yīng)力集中程度最高;

(2)基底部分地基強(qiáng)度越高(弱風(fēng)化玄武巖)應(yīng)力越大，強(qiáng)度較低一側(cè)(強(qiáng)風(fēng)化玄武巖)應(yīng)力水平較低;

(3)玄武巖弱風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化界面處應(yīng)力較集中，為易破壞區(qū);

(4)靠近強(qiáng)風(fēng)化玄武巖一側(cè)的橋墩應(yīng)力較另一側(cè)大，向下直到地基應(yīng)力值減小速度較快。

通過(guò)上述應(yīng)力結(jié)果分析可以得到:橋梁上部荷載通過(guò)橋墩向下傳遞到地基，地基部分主要由強(qiáng)度較高一側(cè)的地層巖土體來(lái)承擔(dān)荷載;橋墩部分靠近地基強(qiáng)度較低一側(cè)的壓應(yīng)力偏高，可能形成薄弱區(qū)域。

圖8 明挖基礎(chǔ)水平位移曲線(xiàn)

圖9 明挖基礎(chǔ)差異水平位移曲線(xiàn)

圖10 明挖基礎(chǔ)最大有效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文主要結(jié)論有:

(1)不均勻地基明挖基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生差異沉降及水平位移差，地基強(qiáng)度低的一側(cè)基礎(chǔ)沉降量及水平位移量較大;

(2)不均勻地基明挖基礎(chǔ)變形函數(shù)如表4所示，其中沉降量函數(shù)、差異沉降量函數(shù)、水平位移量函數(shù)為對(duì)數(shù)函形式，水平位移差函數(shù)為常數(shù);

(3)基礎(chǔ)頂部位置沉降量、差異沉降量、水平位移量、水平位移差值最大，向下直到地基逐漸減小;

(4)隨著地基不均勻深度的增加，基礎(chǔ)沉降量、差異沉降量、水平位移量呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式增長(zhǎng)，但增幅逐漸減小;

(5)水平位移差值不隨地基不均勻深度的變化而變化，其值為常數(shù);

(6)基礎(chǔ)基底部分地基強(qiáng)度越高應(yīng)力水平越高;

(7)地基中軟硬分界面應(yīng)力集中，易成破壞區(qū)。

上述結(jié)論表明:當(dāng)?shù)鼗痪鶆驎r(shí)，橋梁明挖基礎(chǔ)的沉降量、水平位移量、差異沉降量隨著不均勻深度的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其函數(shù)呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減小;地基中強(qiáng)度較高巖土體及靠近地基強(qiáng)度較低一側(cè)的基礎(chǔ)部分為偏壓區(qū)域，應(yīng)從變形角度分析基礎(chǔ)的適應(yīng)性，并驗(yàn)算其安全可靠度。

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