胡德雄

（福建省閩招工程檢測有限公司，莆田 351100）

0 引言

鎮(zhèn)海堤,原名東甲堤,位于荔城區(qū)黃石鎮(zhèn)境內(nèi),蜿蜒橫臥在興化灣南岸木蘭溪入?？?全長6km,迄今已有1200多年。 鎮(zhèn)海堤以抵御海潮,圍墾埭田,造福于民存世,黃石、新度、笏石、北高四鎮(zhèn)69 個(gè)村共25 萬人口,1.5 萬hm2田地受益。 它是莆田最古老效益最大的古建筑,被列為省級(jí)文物保護(hù)單位。2006 年5 月,又被國務(wù)院批準(zhǔn)為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

為緩解城市交通壓力, 現(xiàn)需在古海堤上方修建一座橋梁,本文研究了橋墩樁基施工時(shí)對(duì)鎮(zhèn)海堤文物的影響。

1 工程概況

1.1 鎮(zhèn)海堤概況

海堤由堤身、防浪墻、堤外拋石、堤內(nèi)排洪溝組成,堤身材料主要為塊石、條石。 據(jù)2001 年上報(bào)鎮(zhèn)海堤作為全國文物保護(hù)單位的資料顯示, 國保部分為鎮(zhèn)海堤遺址,即現(xiàn)存堤長3.5km,基寬2.67m,頂寬1.35m,高3.67m。在東洋段海堤碼頭外立碑1 通,高2.95m,寬1.17m,厚0.27m。

1.2 樁基及地質(zhì)條件

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況,以38 號(hào)樁基與古海堤共同組成計(jì)算實(shí)體。 根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,選取地質(zhì)鉆孔土層信息作為土層計(jì)算參數(shù)。

2 有限差分計(jì)算模型

2.1 有限元軟件介紹

有限差分軟件FLAC3D 是二維的有限差分程序FLAC2D 的拓展,能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。 通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。 單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型,在外力作用下,當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)后, 網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(dòng) (大變形模式)。FLAC3D 采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù),能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。 由于無須形成剛度矩陣,因此,基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

2.2 有限元模型

計(jì)算模型按實(shí)際施工工況分析樁基開挖過程中應(yīng)力卸荷與振動(dòng)對(duì)海堤的影響。 分析過程中,利用已有的振動(dòng)檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選取適當(dāng)?shù)膭?dòng)力分析參數(shù),評(píng)價(jià)旋挖鉆機(jī)振動(dòng)對(duì)古海堤的安全性。

2.3 有限元模型概況

總體模型計(jì)算區(qū)域的選取應(yīng)考慮模型邊界效應(yīng)的影響。 根據(jù)參考資料,本計(jì)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) 的尺寸分別為120m、61m、80m。

此模型共有444843 個(gè)單元,77933 個(gè)節(jié)點(diǎn),地層包含淤泥、卵石、沙土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,微風(fēng)化花崗巖,計(jì)算模型如圖1 所示。 計(jì)算單元為各層巖土體及樁基開挖段。

2.4 模型參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

(1)巖土材料本構(gòu)及其參數(shù)取值。 由于勘察報(bào)告中未直接提供彈性模量值,泊松比,結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn),各巖土層彈性模量的取值如表1 所示。

(2)動(dòng)力計(jì)算地震波參數(shù)取值如表2 所示。

圖1 計(jì)算模型

圖2 開挖振動(dòng)鎮(zhèn)海堤監(jiān)測點(diǎn)布置圖

表1 巖土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

表2 地參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

2.5 荷載及邊界條件

計(jì)算過程中分兩種情況, 分別為考慮樁基開挖時(shí)卸荷過程引起靜力計(jì)算部分和樁基開挖時(shí)振動(dòng)過程引起動(dòng)力計(jì)算部分。計(jì)算模型在靜力部分,對(duì)X、Y 兩個(gè)方向的兩側(cè)都施加水平約束,底部加豎向約束,頂面為自由面,不加約束；在動(dòng)力計(jì)算部分,因震源來自模型內(nèi)部,對(duì)該模型四周及底部施加靜態(tài)邊界條件,頂部為自由面。

2.6 工況分析

38 號(hào)墩下樁基共6 根,考慮樁基施工過程中,如果先施工遠(yuǎn)離海堤方向的樁基礎(chǔ), 那么靠近海堤方向的樁基施工將再一次對(duì)海堤造成影響。 因此,建議樁基的施工順序是先對(duì)靠近海堤側(cè)的樁基施工, 后對(duì)遠(yuǎn)離海堤側(cè)的樁基施工,有了靠近海堤側(cè)樁基的保護(hù)和支撐,遠(yuǎn)離海堤側(cè)樁基施工時(shí)對(duì)海堤的影響將大大減小。

因此, 計(jì)算分析中僅考慮靠近海堤側(cè)樁基施工的影響,忽略遠(yuǎn)離海堤側(cè)樁基的影響。 根據(jù)業(yè)主單位提供的旋挖振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)(圖2)所示結(jié)果及計(jì)算,淤泥段旋挖施工時(shí),海堤上監(jiān)測的振動(dòng)將很微弱,對(duì)海堤的影響可以忽略。 考慮到淤泥段旋挖過程中, 樁周土的變形對(duì)海堤的影響較旋挖振動(dòng)的影響要大得多。 因此,計(jì)算工況以每根樁淤泥段的靜力分析為主(表3)。 淤泥以下部位由于巖土體本身具有一定的穩(wěn)定性,樁周巖土體自身的變形將較小,相較旋挖導(dǎo)致振動(dòng)對(duì)海堤的影響可以忽略,因此,淤泥段以下部位的計(jì)算僅考慮振動(dòng)對(duì)海堤的影響, 忽略樁周土變形對(duì)海堤造成的影響。

表3 樁基開挖計(jì)算分析工況

3 開挖方案有限元分析結(jié)果

根據(jù)樁基旋挖成孔過程中, 樁周巖土體的變形和海堤的動(dòng)態(tài)響應(yīng),將樁基開挖的計(jì)算分兩步進(jìn)行,分別是淤泥段的靜力計(jì)算和淤泥段以下的動(dòng)力計(jì)算。

使用有限差分軟件FLAC3D,分別對(duì)淤泥段進(jìn)行靜力計(jì)算,對(duì)淤泥段以下進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算,得到了最大位移以及最大振動(dòng)速度,如表4 所示。

第六根樁淤泥段開挖的計(jì)算結(jié)果如圖3～5 所示,淤泥段以下開挖的計(jì)算結(jié)果如圖6～8 所示。

圖3 第6 根樁淤泥段開挖海堤最大位移云圖(單位：m)

表4 鎮(zhèn)海堤計(jì)算位移計(jì)算結(jié)果匯總

圖4 第6 根樁淤泥段開挖海堤X 方向位移云圖(單位：m)

圖5 第6 根樁淤泥段開挖海堤Y 方向位移云圖(單位：m)

圖6 第6 根樁淤泥段以下開挖海堤最大位移云圖(單位：m)

圖7 第6 根樁淤泥段以下開挖海堤X 方向位移云圖(單位：m)

圖8 第6 根樁淤泥段以下開挖海堤Y 方向位移云圖(單位：m)

由上述計(jì)算結(jié)果可知, 新舊海堤以向海里方向變形為主,最大位移量出現(xiàn)在坡頂兩側(cè)。 增大位移主要由開挖振動(dòng)引起,開挖卸荷影響作用較小。

4 總結(jié)

綜上所述, 通過理論計(jì)算樁基開挖對(duì)海堤的穩(wěn)定性影響微弱。 由靠近海堤側(cè)的樁基依次開挖,盡管海堤的變形逐漸增大, 但累計(jì)變形值和變化量都較小,6 根樁基施工后的最大變形量僅為3.51mm。 樁基在開挖過程中,受到已施工樁基的嵌固和支檔作用, 海堤的變形量也逐漸減小。 同時(shí),理論計(jì)算的最大振動(dòng)速度介于1.7～2.3mm/s,遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》中規(guī)定的1cm/s 的可接受振動(dòng)指標(biāo)。

因此,樁基施工對(duì)海堤穩(wěn)定性的影響微弱,影響程度和范圍也非常有限。 綜合考慮海堤多年來飽經(jīng)風(fēng)雨和各種附加荷載的作用,依然完好,樁基施工不會(huì)造成海堤整體的變形和顯著位移。