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        基坑開(kāi)挖對(duì)高鐵橋墩位移影響的有限元分析

        2020-02-28 04:47:44
        北方交通 2020年1期
        關(guān)鍵詞:順橋橫橋圍護(hù)結(jié)構(gòu)

        趙 娜

        (中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)院 南京市 210000)

        隨著鐵路網(wǎng)的逐步完善,臨近高鐵橋墩的基坑開(kāi)挖也逐漸增多?;娱_(kāi)挖導(dǎo)致周?chē)馏w產(chǎn)生位移,進(jìn)而引起臨近高鐵橋梁的樁身、承臺(tái)及橋墩產(chǎn)生位移。當(dāng)位移大到一定的數(shù)值時(shí),將直接影響鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性和舒適性?;娱_(kāi)挖對(duì)臨近建筑物的影響,已經(jīng)引起了工程界的重視[1-5],因此,探討基坑開(kāi)挖施工對(duì)臨近高鐵墩的位移影響可為相關(guān)實(shí)際工程提供一定的理論依據(jù),很有實(shí)踐意義。

        本文以實(shí)際工程為背景,對(duì)比分析了同一基坑開(kāi)挖對(duì)不同距離的高鐵橋墩的橫橋向、順橋向和沉降方向的位移影響,研究結(jié)果可為同類(lèi)工程設(shè)計(jì)及施工提供重要參考。

        1 工程簡(jiǎn)介

        本工程基坑開(kāi)挖平面為13.0m×13.0m,開(kāi)挖深度為4m,沿基坑四周封閉施打樁長(zhǎng)為9m的IV型拉森鋼板樁支護(hù),距支護(hù)頂緣0.5m處沿橫橋向均勻設(shè)置一道3根鋼橫撐,橫撐采用圓柱型、中空的Ф609mm鋼管。既有高鐵承臺(tái)尺寸為10.08m×7.3m×2.5m,承臺(tái)頂距地面線(xiàn)距離為0.5m;既有樁基采用10根Ф1m鉆孔樁,樁長(zhǎng)為35m。為了對(duì)比分析,基坑邊緣距既有高鐵承臺(tái)尺寸n分別取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m。

        土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合工程的地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)按表1進(jìn)行取值。

        2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)算

        MIDAS GTS有限元軟件模擬基坑開(kāi)挖是基于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提,即基坑支護(hù)體系有效的前提,因此先對(duì)基坑自身穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

        表1 土層參數(shù)表

        采用理正深基坑軟件模擬基坑開(kāi)挖施工過(guò)程,采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。主要驗(yàn)算基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形,本文基坑穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程省略,在此,僅列出計(jì)算結(jié)果。

        表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算匯總

        由表2可知,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性是滿(mǎn)足規(guī)范要求的。

        3 基坑開(kāi)挖對(duì)既有橋墩的有限元分析

        3.1 有限元模型建立

        就基坑開(kāi)挖問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的研究方法是有限元法,該方法可以用于求解非線(xiàn)性問(wèn)題,可在計(jì)算過(guò)程中模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系,易于處理非均勻介質(zhì)問(wèn)題、模擬各向異性材料,能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界條件。

        采用有限元計(jì)算軟件MIDAS GTS建立三維模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。模型中土體的本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)倫模型,土層計(jì)算參數(shù)結(jié)合工程的地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)按表1進(jìn)行取值。樁土相互作用采用界面單元處理。土層模型底部施加豎向滑動(dòng)約束,兩側(cè)施加水平滑動(dòng)約束,模型表面為自由邊界。結(jié)合土層特點(diǎn)及施工經(jīng)驗(yàn),以考察基坑開(kāi)挖施工對(duì)既有高鐵橋墩的橫橋向(既有高鐵橋)、順橋向和沉降方向的位移影響。本文僅對(duì)n取10m的有限元結(jié)果進(jìn)行展示,對(duì)n取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m的有限元計(jì)算結(jié)果用于對(duì)比分析。

        3.2 有限元施工模擬

        根據(jù)已有文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)土體計(jì)算模型平面尺寸與結(jié)構(gòu)平面尺寸之比大于3~5時(shí),邊界效應(yīng)的影響已經(jīng)很小,因此計(jì)算模型(n取10m)在順橋向(X方向)取95m,橫橋向(Y方向)取113m,沉降方向(Z方向)取65m。

        為了綜合考慮具體的施工狀態(tài),最大限度地模擬工程實(shí)際情況,在MIDAS GTS有限元軟件中通過(guò)激活樁墻,凍結(jié)開(kāi)挖范圍內(nèi)土體單元,模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程:步驟一:初始地應(yīng)力平衡;步驟二:施打鋼板樁+基坑土體至第1道支護(hù)+內(nèi)撐;步驟三:基坑土體開(kāi)挖至坑底。

        3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

        圖4~圖9為n取10m時(shí)第1次開(kāi)挖和第2次開(kāi)挖橋墩X向、Y向和Z向的位移云圖。從圖中可以看出第1次基坑開(kāi)挖X向最大位移發(fā)生在靠近基坑側(cè)承臺(tái)位置,為1.8036×10-5m;Y向最大位移發(fā)生在承臺(tái)下緣位置,為4.7914×10-4m;Z向最大位移發(fā)生在遠(yuǎn)離基坑側(cè)承臺(tái)位置,為-3.3524×10-4m。第2次基坑開(kāi)挖X向最大位移發(fā)生在靠近基坑側(cè)承臺(tái)位置,為8.7185×10-6m;Y向最大位移發(fā)生在橋墩墩頂位置,為1.7979×10-3m;Z向最大位移發(fā)生在靠近基坑側(cè)承臺(tái)位置,為1.1214×10-3m。

        3.4 不同距離的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

        基坑邊緣距既有橋墩承臺(tái)邊緣的距離n依次取1m、3m、5m、7.5m、10m、15m、20m、25m、30m,分別建立相同施工步驟的有限元模型,對(duì)第1次開(kāi)挖和第2次開(kāi)挖引起的橋墩最大順橋向(X方向)、橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移進(jìn)行對(duì)比分析,繪制出其位移變化曲線(xiàn)如圖10~圖12。

        可以看出,隨著基坑距既有橋墩距離的增大,基坑開(kāi)挖對(duì)既有鐵路橋墩各方向位移的影響逐漸減小,其計(jì)算結(jié)果可以真實(shí)地反映基坑工程的實(shí)際情況;基坑開(kāi)挖對(duì)橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影響明顯大于對(duì)順橋向(X方向)位移的影響;面積為13m×13m、深4m的基坑,距既有橋墩距離大于15m時(shí),橋墩各方向的位移小于1mm,可以認(rèn)為此時(shí)基坑開(kāi)挖對(duì)橋墩基本無(wú)影響。

        4 結(jié)論

        主要對(duì)比分析了面積為13m×13m、深4m的基坑距既有橋墩不同距離時(shí)引起既有橋墩的位移變形影響,從計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析中可以看出:基坑開(kāi)挖對(duì)橫橋向(Y方向)、沉降方向(Z方向)位移的影響明顯大于對(duì)順橋向(X方向)位移的影響;面積為13m×13m、深4m的基坑,距既有橋墩距離大于15m時(shí),橋墩各方向的位移小于1mm,可以認(rèn)為此時(shí)基坑開(kāi)挖對(duì)橋墩基本無(wú)影響。

        隨著基坑面積的增大、基坑深度的加深對(duì)既有橋墩產(chǎn)生的位移影響,以及不同基坑支護(hù)剛度及不同土層參數(shù)等對(duì)位移變形的影響,筆者將在后續(xù)進(jìn)一步研究。

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