劉 策，宋郁民

上海工程技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，上海 201620

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市路網(wǎng)關(guān)系越來越立體和復(fù)雜。城市道路下穿既有高速公路、既有鐵路常采用U型槽結(jié)構(gòu)。在U型槽基坑開挖過程中土體水平和豎向壓力的同時(shí)卸載［1］會(huì)對(duì)坑內(nèi)及鄰近高速公路橋墩特別是小直徑橋墩帶來橋墩偏移、樁基彎矩加大、樁基承載力不足等結(jié)構(gòu)安全問題［2］。丁勇春等［3］和王成華等［4］對(duì)單側(cè)鄰近樁基礎(chǔ)的基坑做了大量的研究，在樁基側(cè)向變形、樁基變形控制等方面取得了不菲收獲。張子新等［5］對(duì)近距離開挖卸荷下地鐵高架橋墩的響應(yīng)通過承載力損失、位移變形等方面展開了詳細(xì)研究，認(rèn)為基坑開挖卸荷將導(dǎo)致高架橋樁基周圍靜止土壓力損失，導(dǎo)致樁基極限承載力產(chǎn)生損失，且樁基產(chǎn)生上抬變形。鄭明新等［6］展開了基坑開挖過程中鄰近橋墩墩臺(tái)沉降和樁基變形規(guī)律的探討，認(rèn)為基坑開挖使橋墩樁基產(chǎn)生附加變形。本研究面對(duì)的工程背景是運(yùn)營中高速公路橋梁下進(jìn)行U型槽深基坑的開挖施工，施工場(chǎng)地狹窄，空間有限。這樣的全周基坑開挖對(duì)運(yùn)營狀態(tài)下小直徑橋墩的影響及加固方法的研究較少。

本文結(jié)合溫州某主干道下穿既有高速公路近距離基坑開挖對(duì)小直徑橋墩造成的影響，采用Midas/GTS有限元軟件分析了基坑內(nèi)既有小直徑橋墩的墩頂位移、受力狀態(tài)，驗(yàn)算橋墩的穩(wěn)定性，確定合理的加固方案及施工工序，對(duì)橋墩進(jìn)行基坑施工及后期運(yùn)營中的加固設(shè)計(jì)。

1 工程概況

溫州市某城市主干道，下穿鐵路、高速公路橋梁工程段采用U型槽結(jié)構(gòu)，工程重要性等級(jí)一級(jí)，開挖位置（見圖1）在高速公路互通橋梁右幅9#、10#、11#墩附近，橋下凈空8 m。上跨高速公路已運(yùn)營20多年，右幅全長1 057 m，橋面凈寬12.5 m，10#墩為現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁與預(yù)制空心板梁的交接墩，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱一體墩結(jié)構(gòu)，柱徑80 cm，樁徑120 cm，樁基為嵌巖樁。

圖1 基坑位置平面圖Fig.1 Plan of excavation site

設(shè)計(jì)的U型槽，基坑開挖長度80 m，寬度17 m，其中10#墩全周開挖深度達(dá)5.11 m。對(duì)于80 cm直徑橋墩，U型槽的直接開挖可能會(huì)造成橋墩開裂、樁基沉降、穩(wěn)定性變差等問題，影響高速公路橋梁的運(yùn)營安全。同時(shí)，在基坑開挖過程中，由于坑內(nèi)土體卸載，在外側(cè)土壓力作用下，基坑地面回彈［1］，對(duì)樁基產(chǎn)生負(fù)摩阻力，樁基受拉、壓、彎組合受力，引起小直徑樁基混凝土開裂、斷裂失效等危害。

2 近距離開挖工況數(shù)值分析

2.1 土體本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)

擬建場(chǎng)地受沿線山體影響，地貌單元交替變化，以山前洪坡積平原地貌為主，過渡至海濱平原地貌，地形起伏較大，分布沉積大厚度淤泥，是典型的不良地質(zhì)土。根據(jù)工程地質(zhì)勘察，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗(yàn)、室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，得出土體的物理力學(xué)參數(shù)（見表1），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行橋墩穩(wěn)定性的分析。

表1 地基土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

在本文的數(shù)值模擬中，根據(jù)提供的地質(zhì)資料及土工試驗(yàn)結(jié)果，為詳細(xì)研究各工況下橋墩的受力特性，應(yīng)用專業(yè)巖土工程分析軟件Midas/GTS建立二維幾何模型可以有效模擬工程內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)地形和多重的施工工況。對(duì)基巖采用了莫爾-庫倫模型［7-8］，基巖所受應(yīng)力在達(dá)到屈服點(diǎn)前與應(yīng)變成正比關(guān)系，超過屈服點(diǎn)時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為水平線，是彈性-完全塑性的本構(gòu)關(guān)系，莫爾-庫倫準(zhǔn)則在實(shí)用的約束壓力范圍內(nèi)具有較高的準(zhǔn)確性，滿足實(shí)際工程中基巖對(duì)嵌巖樁的工作特性；對(duì)土體采用修正莫爾-庫倫模型［9］，土體強(qiáng)度采用三軸試驗(yàn)剛度（E50）、三軸卸載剛度（Eur）和固結(jié)儀荷載剛度（Eoed）描述，能較準(zhǔn)確地模擬黏土等具有摩擦特性的土體材料；樁基以及加固承臺(tái)采用了各向同性彈性模型。

在修正莫爾-庫倫模型下，對(duì)于各層土體，有：

式（1）中，C為黏聚力增量；P為基準(zhǔn)壓，10 t/m2；νur為卸載/再加載泊松比；k為彈塑性壓縮模量。

2.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

由于巖土構(gòu)成的復(fù)雜性，完全真實(shí)詳盡地模擬巖土材料的剛度特性較難實(shí)現(xiàn)，因此，針對(duì)具體的分析目的進(jìn)行模型的簡化十分必要。本例中，項(xiàng)目關(guān)注重點(diǎn)在于巖土、墩頂?shù)奈灰啤痘膬?nèi)力，故將巖土模型范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯?，?duì)巖土單元進(jìn)行細(xì)分。同時(shí)，在網(wǎng)格劃分過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)物附近進(jìn)行局部加密，經(jīng)平緩過渡，在邊界位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)南∈鑴澐郑蕴岣哂邢拊治龅挠?jì)算精度并保證模型計(jì)算的收斂性。模型橫向取90 m，土層厚度取50 m，地基基礎(chǔ)底面為固定端約束，地基基礎(chǔ)的左、右面施加X方向的位移約束。橋梁樁基、立柱、承臺(tái)和加固樁采用梁單元模擬，土層采用平面應(yīng)變單元模擬。模型共建立5 122個(gè)單元，4 860個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.3 基坑開挖施工工序

由于既有橋墩竣工已久，基坑開挖需要將在土體自重及橋梁荷載作用下已經(jīng)固結(jié)的土體作為初始應(yīng)力狀態(tài)，因此，建模時(shí)，需對(duì)公路橋墩施工后的土體模型進(jìn)行平衡初始應(yīng)力和位移清零。在10#墩附近基坑開挖前，對(duì)基坑進(jìn)行直徑100 cm的基坑支護(hù)樁加固，對(duì)坑底淤泥采用高壓旋噴樁加固，后進(jìn)行基坑的開挖。既有橋墩墩頂受到上部結(jié)構(gòu)傳來的結(jié)構(gòu)自重、一級(jí)公路車輛荷載以及車輛制動(dòng)力作用。為盡可能地保證開挖的安全性，橋墩周圍土體對(duì)稱分層開挖。計(jì)算分析模型采取如下工況：

工況1：初始應(yīng)力狀態(tài)-公路橋墩施工；工況2：基坑支護(hù)-基坑支護(hù)樁施工；工況3：土體清表并開挖右幅土體0 m～2 m；工況4：開挖右幅土體2 m～4 m；工況5：開挖右幅土體4 m～6 m；工況6：開挖左幅土體0 m～4 m；工況7：開挖左幅土體4 m～6 m。

2.4 基坑開挖對(duì)既有橋墩的影響分析

2.4.1 位移分析 確定橋墩穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)指標(biāo)：根據(jù)公路橋梁規(guī)范［10-11］，Ⅰ類和Ⅱ類環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件驗(yàn)算最大裂縫寬度應(yīng)不超0.20 mm。墩頂位移參考公路及鐵路相關(guān)規(guī)范［12-13］跨徑20 m橋梁橋墩水平位移限值為20 mm，相鄰墩臺(tái)沉降差不大于0.2%（折角）。施工期間老橋仍處于飽和交通流量下運(yùn)營，且施工空間狹窄，施工機(jī)械往復(fù)工作會(huì)對(duì)土體造成剪切擾動(dòng)，同時(shí)可能碰撞到既有橋墩，為保證結(jié)構(gòu)和行車安全，并考慮到連續(xù)梁的受力狀態(tài)，如表2所示，確定橋墩墩頂水平位移預(yù)警值為6 mm，豎向位移預(yù)警值為3 mm，實(shí)測(cè)值超過預(yù)警值時(shí)需啟動(dòng)糾偏支護(hù)預(yù)案。

由于基坑內(nèi)土體水平、豎向壓力的同時(shí)卸載及坑外被動(dòng)區(qū)土體的壓力，樁基受到負(fù)摩阻力作用，樁基上移，如圖3（b）的墩頂豎向位移云圖中豎向位移0.9 mm，導(dǎo)致需常年加固的老橋上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)很大，樁基受拉，出現(xiàn)混凝土開裂。

依據(jù)各施工工況下的分析結(jié)果，從如圖3（a）的墩頂位移云圖中得出10#墩在最不利工況下墩頂水平位移-20.6 mm，超出規(guī)范值，對(duì)橋上正常運(yùn)營車輛的行車安全及結(jié)構(gòu)安全均是不利的，造成上部結(jié)構(gòu)及支座受力不均勻，80 cm小直徑橋墩底部開裂、橋墩偏移，甚至倒塌。

表2 橋墩位移限值Tab.2 Displacement limits of piers

圖3 未加固橋墩基坑開挖過程中墩頂：（a）水平位移圖，（b）豎向位移圖Fig.3 Displacement on top of unconsolidated pier during excavation of foundation：（a）horizontal displacement，（b）vertical displacement

2.4.2 內(nèi)力分析 在最不利工況下，樁基最大軸力-1 867 kN，土體擾動(dòng)引起的最大彎矩775 kN·m。對(duì)于圓形截面的壓彎構(gòu)件，依據(jù)公路相關(guān)規(guī)范［10］計(jì)算，橋墩立柱裂縫最大裂縫寬度為0.18 mm，樁基裂縫驗(yàn)算寬度為0.13 mm。在負(fù)摩阻力、彎矩、軸力共同作用下的拉、壓、彎組合受力體系，導(dǎo)致120 cm小直徑樁基易出現(xiàn)裂縫或裂縫寬度加大，開挖卸載引起地層移動(dòng)會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)產(chǎn)生附加撓度，承載能力降低甚至失效。同時(shí)，由于基坑的開挖，橋墩立柱的長細(xì)比增大，車輛制動(dòng)力等可變作用會(huì)引起墩底彎矩增大，導(dǎo)致立柱穩(wěn)定性變差、承載能力降低，立柱裂縫增大，對(duì)施工階段以及之后的運(yùn)營安全十分不利。因此，對(duì)加固橋墩十分必要。

3 既有橋墩加固效果數(shù)值分析

3.1 橋墩加固方案

因考慮到橋下僅有8 m凈空，施工空間有限，基坑開挖后作為U型槽行車道使用，不進(jìn)行回填，橋墩長細(xì)比增大。故采用如圖4所示的加固方案，加固樁基與既有樁基通過加固承臺(tái)連接的方式進(jìn)行加固。樁基采用直徑80 cm的鉆孔灌注樁，與既有樁基間距1.6 m，采用4.8 m×4.8 m×2 m的加固承臺(tái)連接加固樁基與既有樁基，使加固樁基與既有樁基形成整體。加固樁基嵌入巖層與既有樁基相同標(biāo)高?？拥子倌嗖捎昧烁邏盒龂姌哆M(jìn)行加固。采用施工工序：基坑支護(hù)樁支護(hù)—加固樁基施工—坑底和被動(dòng)區(qū)加固—既有樁基臨時(shí)支護(hù)—加固承臺(tái)施工—拆除臨時(shí)支護(hù)，U型槽基坑施工。

圖4 既有橋墩加固方案Fig.4 Consolidation scheme for existing pier

3.2 既有橋墩加固效果分析

在進(jìn)行模型建立時(shí)，加固樁基和加固承臺(tái)采用彈性模型，坑底淤泥采用高壓旋噴樁加固提高地基的承載能力。依據(jù)高壓旋噴樁抗壓不抗剪的工作特性，采用了莫爾-庫倫模型，如表3所示。

表3 加固材料計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of consolidated materials

通過有限元計(jì)算，在各個(gè)施工階段中，加固承臺(tái)開挖對(duì)既有橋墩的擾動(dòng)最大，由圖5的墩頂位移云圖可知，在最不利工況下既有橋墩墩頂最大水平位移-4.3 mm，墩頂最大豎向位移-0.5 mm，滿足墩頂最大位移6 mm的要求。土體最大位移5 cm。樁基所受最大彎矩389 kN·m。滿足樁基和立柱的承載力要求，裂縫驗(yàn)算結(jié)果為0.07 mm，滿足橋涵規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫要求。為防止機(jī)械碰撞及機(jī)械往復(fù)引起土體擾動(dòng)造成樁基因彎矩增大而出現(xiàn)裂縫擴(kuò)大，采用增大樁基截面慣性矩的方式減小既有樁基的裂縫寬度。

圖5 基坑開挖過程中加固橋墩墩頂：（a）水平位移圖，（b）豎向位移圖Fig.5 Displacement on top of consolidated pier during excavation of foundation：（a）horizontal displacement，（b）vertical displacement

圖6 加固后墩頂位移對(duì)比圖：（a）水平位移，（b）豎向位移Fig.6 Comparison of displacement on top of consolidated pier：（a）horizontal displacement，（b）vertical displacement

圖7 加固后樁基內(nèi)力對(duì)比圖：（a）樁基彎矩，（b）樁基軸力Fig.7 Comparison of internal force of consolidated pile foundation：（a）bending moment，（b）axial force

通過圖6、圖7對(duì)基坑開挖各階段施工工況下數(shù)值分析以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：

1）加固后的橋墩在基坑開挖各個(gè)階段水平位移較不加固施工都有顯著減小，且加固后橋墩的數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合度較高，說明四個(gè)加固樁基與承臺(tái)可以通過互相平衡受力對(duì)既有樁基起到糾偏的作用。

2）樁基加固后的豎向位移較未加固有所緩解，位移量較小，且方向均為向下，避免了樁基上抬變形，淤泥等軟土層對(duì)樁基的負(fù)摩阻力作用有效降低，降低樁基受損可能，由于樁基采用嵌巖樁，因此，基坑開挖過程中樁基的沉降量較小。

3）樁基內(nèi)力的對(duì)比中，彎矩和軸力均有所減少，避免樁基受到拉壓彎組合受力，可以減少裂縫或降低裂縫寬度，避免樁基失效。加固樁基與既有樁基共同工作，可有效降低基坑開挖過程中，大型機(jī)械往復(fù)工作帶來土體對(duì)樁基的剪切、擠壓作用。

4）既有樁基與加固樁基通過加固承臺(tái)連接，可以降低基坑開挖后橋墩的長細(xì)比，提高橋墩的穩(wěn)定性和承載能力，降低橋墩立柱的裂縫驗(yàn)算寬度。

4 結(jié) 語

1）樁基加固前后數(shù)值分析結(jié)果表明：U型槽基坑開挖過程，對(duì)高速公路小直徑橋墩產(chǎn)生了較大的不利影響，橋墩偏移，穩(wěn)定性變差，立柱、樁基開裂，需進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。樁基的加固方案使得橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，裂縫寬度降低，橋墩偏移得到糾正，可以保障小直徑橋墩的結(jié)構(gòu)安全，起到加固效果。

2）采用的二維有限元模型，數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合良好，且土體與樁基相互作用計(jì)算與三維模型計(jì)算結(jié)果一致。因此，只要相關(guān)參數(shù)選取合理，二維模型可以滿足實(shí)際工程計(jì)算要求，提高計(jì)算效率。

3）對(duì)基坑開挖過程中墩頂位移的預(yù)警值取值、立柱、樁基裂縫的限值要求都較為保守，基于在正常運(yùn)營狀況下的小直徑橋墩橋梁，這樣的取值是偏于安全的。更為合理的預(yù)警值和極限值有待進(jìn)一步的研究。