周國志
(蘇交科集團股份有限公司新疆分院 烏魯木齊市 830000)
作為公路交通中重要連接載體,橋梁是不可或缺的工程設施,而橋梁的安全穩(wěn)定性與橋樁息息相關,當橋樁下方受到其他施工影響擾動時,均會在一定程度上影響橋樁承載能力[1-3]。一些城市在大力發(fā)展地鐵軌道交通時,盾構(gòu)是其中快速而安全的施工手段,但當面臨橋樁施工環(huán)境時,盾構(gòu)施工穿越橋樁對其穩(wěn)定性影響不可忽視[4-5]。已有一些工程師或?qū)W者通過巖土體理論公式或施工技術參數(shù)指標研究盾構(gòu)穿越橋樁時,對樁間土擾動影響,極大豐富了橋梁樁基礎受施工擾動影響研究[6-7]。但也有一些學者通過有限元數(shù)值軟件,建立工程模型,分析各種復雜工況下橋樁受擾動的影響規(guī)律[8-10],為工程施工提供重要理論參考。為此,借助FLAC有限元軟件,根據(jù)工程資料,模擬不同穿越工況下不同橋梁結(jié)構(gòu)時橋樁受擾動影響變形特征。
某橋梁設計為城市快速公交的三環(huán)外環(huán)城公路連接架構(gòu)體,是城市BRT公交的實現(xiàn)載體,研究區(qū)段內(nèi)橋梁長度約為1.2km,設計橋面寬度7.5m,設計橋面行車速度不超過80km/h,但由于該橋梁設計時還并未確定采用簡支梁或連續(xù)梁,即橋梁結(jié)構(gòu)形式還處于討論環(huán)節(jié),但由于橋梁下方正進行地鐵盾構(gòu)施工,因而其對橋梁樁基影響不可忽視,且由于橋梁結(jié)構(gòu)形式設計差異性,一定程度會對橋梁樁基穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。該橋梁設計耐久性為Ⅱ級,盾構(gòu)施工隧道面直徑約為5.8m,盾構(gòu)施工掘進速率8m/d,盾構(gòu)管片厚度為30cm,樁隧間距為15m,通過在中間層注漿加固土層穩(wěn)定性。盾構(gòu)施工斷面鋪設有土工隔膜作為止水設施,施工過程中已搭建好橋梁樁基如圖1所示,本文將針對于盾構(gòu)施工過程中橋梁樁基安全性進行研究分析。
根據(jù)地質(zhì)勘察資料得知,橋梁所在區(qū)域表面土層主要為人工填土,厚度約有3.6m,土體主要為粘性土與細砂土體,密實性較差,析水性較強;另在填土下層中還含有第四系的沉積土層,主要為淤泥質(zhì)土、砂土層以及礫石土交織錯雜,其中淤泥質(zhì)土含水量達44%,礫石土所含顆粒粒徑均超過3mm,級配不良,盾構(gòu)施工所在土層中主要面臨的即是該土層中砂土層,該層土體占比較大,最厚處達6.4m,可塑性較強,已產(chǎn)生流砂現(xiàn)象,對盾構(gòu)掘進施工帶來影響。基巖層為花崗巖體,中風化作用,根據(jù)現(xiàn)場取樣得知,該基巖層穩(wěn)定性較好,取樣表面磨圓度較好,肉眼不可見孔隙分布,室內(nèi)土工試驗確定該基巖層可作為橋梁樁基重要載體,即使工程研究區(qū)域內(nèi)地下水位較高,但花崗巖圖受滲透破壞影響較弱。
本工程考慮采用FLAC 3D有限元數(shù)值軟件作為求解基礎,F(xiàn)LAC求解時將所建模型進行網(wǎng)格單元化后,對每一個網(wǎng)格認為是其中一個質(zhì)點,而每個質(zhì)點運動與變形服從以下式:
(1)
(2)
上述所計算出來的即為各質(zhì)點的應變與運動速率參數(shù),另FLAC中還有運動平衡方程,其可表述為
(3)
式(1)~式(3)中,ρ指密度參數(shù);vi指運動速度值。
運動方程與靜力學方程聯(lián)立可得到靜力平衡方程,可針對于質(zhì)點應力進行求解,其靜力平衡方程為
(4)
式中,σij指應力值;bi指體力。
其中每個材料質(zhì)點又有自身本構(gòu)方程,以M-C模型本構(gòu)方程為巖土體應力應變性質(zhì),該模型方程以下式可表述為
Δ[σ]=[E]Δ[ε]
(5)
式中,[E]指剛度矩陣。
應力增量在彈性變形中可表述為
(6)
式中,α1、α2與材料模量參數(shù)有關。
在求解應力變形特征參數(shù)時利用有限差分迭代逼近最優(yōu)解,其中差分服從高斯積分,有
(7)
式中,[n]指法向矢量矩陣
針對正交原理與線性速度迭代逼近原則,有
(8)
在獲得應力應變等特征參數(shù)條件下,針對性分析材料安全穩(wěn)定性。根據(jù)工程實際情況,考慮土體應力分布均勻,且影響荷載僅考慮自重應力,隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式考慮為混凝土抹面剛體模型,各個管片之間的連接考慮為無摩擦界面,巖土體材料強度準則均服從M-C屈服準則,相關材料參數(shù)以土工試驗報告為依據(jù)。樁基與土層之間接觸界面不僅有摩擦力,亦與土體材料剛度性質(zhì)有關,且樁基穿越土層性質(zhì)差異較大,因而樁間土接觸關系統(tǒng)一以FLAC 3D推薦模型表述,如下式所述:
(9)
式中,K、G指模量;ΔZmin指接觸面上最小單元體尺寸。
由于不同研究工況下建模基本類似,按照工程實際資料在FLAC 3D中創(chuàng)建數(shù)值模型,工程設計幾何剖面與橋樁編號如圖2所示,以盾構(gòu)施工穿越簡支梁橋設計形式為例,研究考慮盾構(gòu)側(cè)面穿越橋樁上部、中部、下部不同形式以及下穿橋樁四種工況。圖3為盾構(gòu)側(cè)面穿越橋樁基礎中部工況下所建數(shù)值模型,并已劃分好網(wǎng)格單元,樁基與盾構(gòu)隧道之間的空間位置關系如圖4(a)所示,樁間土界面間接觸關系如圖4(b)所示。設定X、Y、Z向分別為橋樁的水平向、縱向及豎向位移。另為分析方便,按照盾構(gòu)隧道掘進方向及橋樁分布在盾構(gòu)隧道兩側(cè)形式,以左側(cè)(前排左側(cè)、后排左側(cè))、右側(cè)(前排右側(cè)、后排右側(cè))區(qū)分橋樁位置。另在連續(xù)橋結(jié)構(gòu)中,根據(jù)距離隧道遠近又分為遠端(前排左側(cè)、后排左側(cè))、近端(前排左側(cè)、后排左側(cè))、遠端(前排右側(cè)、后排右側(cè))、近端(前排右側(cè)、后排右側(cè))。
根據(jù)盾構(gòu)施工不同側(cè)穿越簡支梁結(jié)構(gòu)形式,獲得了橋樁位移云圖,限于篇幅,本文列出工況一側(cè)穿越橋樁上部位移云圖,如圖5所示。從側(cè)穿越形式來看,橋樁受盾構(gòu)擾動影響,呈左側(cè)橋樁X向位移高于右側(cè),且左側(cè)橋樁位移由頂部增大至底部,而右側(cè)與之相反,最大位移出現(xiàn)在左側(cè)1#、2#橋樁上,達2.847mm,兩側(cè)位移分布具有對稱性分布;左右兩側(cè)橋樁Y向位移分布基本一致,橋樁頂端局部Y向位移較大,達到4.267mm,分析是由于盾構(gòu)側(cè)穿越橋樁上部影響Y向位移分布;從沉降云圖來看,最大沉降仍然在左側(cè)4#橋樁,最大沉降達3.389mm,且側(cè)穿越中最大沉降均出現(xiàn)在左側(cè)橋樁。
為準確對比側(cè)穿越橋樁不同形式工況下樁基變形特性,以其中左右兩側(cè)2#、6#橋樁作為特征樁,分別對比不同工況下橋樁變形特性,獲得如圖6所示結(jié)果。從圖中可看出,X向位移中,除工況四以外,側(cè)穿越各工況中兩側(cè)橋樁位移分布互為對稱,量值上亦是側(cè)穿越形式橋樁位移值更大,其中下穿越工況四中2#橋樁最大位移為0.1mm,僅為側(cè)穿越橋樁上部工況一的3.5%,側(cè)穿越工況中又以工況一位移值最大,工況二僅為其的87.6%、23.7%。Y向位移中各工況下左右兩側(cè)橋樁上位移分布變化基本一致,且量值上亦較為接近,以工況三為例,左側(cè)2#橋樁最大Y向位移為0.8mm,右側(cè)6#橋樁最大位移亦是0.8mm左右,且樁長上位移分布均呈底部至頂部,逐漸增大。Z向沉降位移中分布處于較“穩(wěn)定”狀態(tài),即樁長上沉降位移均為一致性,其中工況一2#橋樁沉降位移穩(wěn)定在4.43mm,工況二、工況三2#橋樁沉降位移相比前者分別下降了14.5%、33.2%,結(jié)合沉降云圖可看出,沉降變形以前排橋樁位移更大,后排橋樁位移較低,但工況四中以左側(cè)沉降位移更大,右側(cè)橋樁位移較低,右側(cè)6#橋樁沉降位移穩(wěn)定在0.26mm。
連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式下盾構(gòu)施工穿越研究工況、橋樁分布及編號如圖7所示,模型參數(shù)及巖土材料均與前文一致。圖8為側(cè)穿越橋樁上部樁身位移分布特征云圖,限于篇幅,以圖8開展分析,遠端左側(cè)橋樁X向位移從頂部至底部逐漸由負向位移過渡至以正向位移為主,且為遞增態(tài)勢;近端及遠端右側(cè)橋樁為從頂部至底部逐漸在負方向上位移增大的態(tài)勢,且近端左側(cè)橋樁增大幅度極為顯著,靠近遠端右側(cè)橋樁增長斜率較小。Y向位移在橋樁上分布均呈底部至頂部逐漸增大態(tài)勢,橋樁愈靠近遠端右側(cè),則位移增長斜率愈小,工況一中最大Y向位移為2.331mm。Z方向沉降變形中以后排橋樁更小,愈靠近前排橋樁的沉降更大,其中最大沉降出現(xiàn)在前排遠端右側(cè)4#橋樁,達5.3mm左右。
對比不同工況下位移特征,如圖9所示,從圖中可看出工況一的2#橋樁X向位移為負向位移,且為增大態(tài)勢,但工況二、工況三、工況四該根橋樁的位移值為X正向位移區(qū)間內(nèi)遞增,最大值分別達到2.2mm,其中工況二、工況三、工況四中的2#橋樁最大值分別為3.47mm、0.2mm、0.8mm(負向)。Y向位移中工況一近側(cè)2#橋樁、遠測4#橋樁位移值從底部至頂部增長斜率基本一致,樁身上每米增長位移值約0.15mm,工況二乃是減小態(tài)勢,樁長每增長1m位移值增大約0.2mm,工況三、工況四亦是如此,同一工況下2#、4#橋樁位移值增長斜率基本相近。各工況中均以2#、4#橋樁為最大Z向沉降變形,其中4#橋樁沉降變形又相比2#稍大,工況二中2#橋樁沉降變形穩(wěn)定在4.62mm,4#橋樁沉降變形相比高5.8%,約為4.89mm,四個工況中又以工況四沉降變形為最大,達8.1mm。
當盾構(gòu)施工均為下穿越形式時,即工況四,簡支梁與連續(xù)梁兩種橋梁結(jié)構(gòu)形式下以3#樁作為對比,如圖10所示,簡支梁結(jié)構(gòu)形式中樁身上X向位移基本上一半為正向位移,另一半處于負向位移,約在樁身13m處X向位移為0;但連續(xù)梁橋約在樁身13m處為最小位移(負向),樁頂至樁身13m處,呈逐漸減小,樁身13m至樁底部,逐漸增大。Y向位移中,簡支梁與連續(xù)梁橋3#樁身位移值均從頂部至底部遞增,但增長斜率以簡支梁為更大,平均每米增長位移值0.1mm。Z向位移中以簡支梁更大,3#橋樁沉降變形約為8.7mm,連續(xù)梁橋僅為前者的55%。綜上分析表明,相同盾構(gòu)穿越橋樁形式工況下,簡支梁橋結(jié)構(gòu)設計的水平向位移或沉降變形均是最大,受盾構(gòu)施工擾動影響更敏感。
針對盾構(gòu)施工對橋梁樁基影響特性,利用FLAC 3D有限元數(shù)值軟件建立網(wǎng)格模型,分析了簡支梁與連續(xù)梁橋兩種結(jié)構(gòu)形式下,不同穿越形式工況中橋樁位移變化特征,獲得了以下幾點結(jié)論:
(1)獲得了盾構(gòu)穿越簡支梁橋時,側(cè)穿越形式下兩側(cè)橋樁X向位移分布互為對稱,其位移高于下穿越形式,側(cè)穿越中上部樁基位移值最大;各工況Y向位移分布變化均呈底部至頂部遞增,量值接近,工況三2#、6#橋樁最大位移均為0.8mm左右;前排橋樁Z向沉降變形高于后排橋樁,下穿越形勢下左側(cè)橋樁沉降高于右側(cè),6#橋樁沉降穩(wěn)定在0.26mm。
(2)研究了盾構(gòu)穿越連續(xù)梁橋時,側(cè)穿或下穿X向位移均由頂部至底部遞增,但側(cè)穿樁基上部時為X正向位移;Y向位移中遠近側(cè)橋樁從底部至頂部增長或減小斜率一致,側(cè)穿越樁基上部時每米樁長增長位移值約0.15mm,其余穿越形式均為遞減;各工況Z向位移中均為4#橋樁沉降變形最大,其中下穿越工況沉降變形又是4#橋樁中最大,達8.1mm。
(3)對比了簡支梁與連續(xù)梁橋下穿工況時位移特征,簡支梁與連續(xù)梁橋樁X向位移分布呈相反;兩種梁橋結(jié)構(gòu)Y向位移均為從頂部至底部遞增,但以簡支梁增長斜率最大,平均每米增長位移值0.1mm;簡支梁Z向位移中更大,3#橋樁達8.7mm,連續(xù)梁橋僅為其55%。