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        深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近高架橋的影響數(shù)值分析

        2020-08-01 03:24:08
        江西建材 2020年7期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)模型施工

        廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060

        0 引言

        基坑工程施工引起的施工荷載會(huì)對(duì)周邊一定范圍內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生影響[1],可能會(huì)引起周?chē)慕ǎ?gòu))筑物的位移及沉降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到建(構(gòu))筑物的安全。本文結(jié)合某深基坑工程,考慮空間效應(yīng),采用有限元軟件MIDAS GTS 建立三維數(shù)值模型,模擬基坑施工對(duì)臨近高架橋結(jié)構(gòu)的影響。

        1 工程概況

        本工程為某四層地下室深基坑工程,基坑平面形狀大致呈三角形,開(kāi)挖深度約15.4m,采用灌注樁結(jié)合鋼筋混凝土內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)并采用三軸攪拌樁形成止水帷幕。基坑由上到下設(shè)置兩道內(nèi)支撐并在四周撐位填充300mm 厚混凝土板。地下室外墻線距臨近高架橋終點(diǎn)段約20m,基坑和高架橋平面位置如圖1 所示。

        圖1 擬建基坑與臨近高架橋平面位置

        2 工程地質(zhì)條件

        場(chǎng)地分布自上而下有:人工填土層2.8m、淤泥層1.5m、粉質(zhì)黏土層1.2m、細(xì)中砂層2.4m、全風(fēng)化巖層1.2m、強(qiáng)風(fēng)化巖層13.2m、中風(fēng)化巖層38.7m。

        3 有限元模擬

        3.1 模型尺寸選取

        現(xiàn)有研究表明,基坑施工荷載對(duì)于3 倍基坑開(kāi)挖深度范圍以外的環(huán)境影響很小,故結(jié)合接坑開(kāi)挖深度及鄰近高架橋位置,取基坑邊線以外3 倍基坑深度范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行分析[2],以達(dá)到消除邊界效應(yīng)影響的要求,同時(shí)考慮高架橋樁基礎(chǔ)持力層厚度要求不小于三倍樁徑,故取模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=190m×180m×60m。

        3.2 模型的建立

        采用有限元分析軟件MIDAS GTS 進(jìn)行建模分析,土層、橋墩、承臺(tái)采用實(shí)體單元構(gòu)建,橋樁和基坑支護(hù)相關(guān)的立柱、冠梁、腰梁,支撐等采用梁?jiǎn)卧⒅ёo(hù)樁通過(guò)等效剛度計(jì)算采用板單元?jiǎng)?chuàng)建。

        圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

        基坑土體采用修正摩爾-庫(kù)倫模型,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及高架橋結(jié)構(gòu)采用彈性模型[3]土層參數(shù)詳見(jiàn)表1。高架橋上部結(jié)構(gòu)及行車(chē)荷載采用等效面荷載形式施加于橋墩和橋臺(tái)上表面。基坑外側(cè)采用三軸水泥攪拌樁套打一孔形成止水帷幕,且基坑周邊地下水位監(jiān)測(cè)報(bào)警值為1m,基坑邊距離高架橋約20m,基坑施工引起的地下水位變化對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)影響很小,在本次模擬中不予考慮。高架橋橋臺(tái)樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)取31.25m,其余橋樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)取37m。模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與高架橋結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖3。

        圖3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與高架橋結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系

        表1 各土層計(jì)算參數(shù)

        3.3 分析工況

        本文重點(diǎn)關(guān)注基坑開(kāi)挖對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)的影響,由于高架橋在基坑開(kāi)挖前已經(jīng)建成并通車(chē),故在成橋工況后對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移清零,僅考慮基坑開(kāi)挖對(duì)其的影響,具體分析工況如下:

        工況一:初始應(yīng)力分析,考慮未開(kāi)挖時(shí)的巖土層應(yīng)力狀態(tài)。

        工況二:高架橋結(jié)構(gòu)施工。

        工況三:位移清零。

        工況四:支護(hù)樁與基坑立柱施工。

        工況五:施工冠粱、第一道支撐以及板撐,基坑第一階段開(kāi)挖。

        工況六:施工腰粱、第二道支撐以及板撐,基坑第二階段開(kāi)挖。

        工況七:基坑第三階段開(kāi)挖。

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        提取基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的高架橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析,包括8 根橋臺(tái)樁和4 根橋樁。圖4~圖5 分別為基坑施工各階段高架橋樁頂水平及豎向位移曲線。

        圖4 高架橋樁頂水平位移曲線

        圖5 高架橋樁頂豎向位移曲線

        分析高架橋樁頂位移曲線可知,基坑施工造成鄰近高架橋結(jié)構(gòu)靠近基坑側(cè)的土壓力發(fā)生側(cè)向卸載,高架橋結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的側(cè)向位移。隨著著基坑各階段施工,高架橋樁基礎(chǔ)樁頂位移逐漸增大,當(dāng)基坑開(kāi)挖到底時(shí),高架橋樁基礎(chǔ)樁頂位移達(dá)到最大值。高架橋樁基礎(chǔ)樁頂最大水平位移為1.81mm,最大沉降值為1.31mm,均小于各方向樁頂位移均小于2mm,由以上計(jì)算結(jié)果可認(rèn)為基坑施工誘發(fā)的高架橋結(jié)構(gòu)變形較小。

        由圖4 可知,橋樁的樁頂水平位移遠(yuǎn)小于橋臺(tái)樁,這是由于橋臺(tái)樁相比于橋樁距離基坑更近,基坑施工對(duì)橋臺(tái)樁的水平位移影響較對(duì)橋樁的水平位移的影響更加強(qiáng)烈,樁基礎(chǔ)與基坑的距離大小對(duì)樁頂水平位移起控制作用;此外,觀察圖5,樁頂豎向位移卻并未呈現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì),可以認(rèn)為在一定范圍內(nèi)土壓力的側(cè)向卸載對(duì)高架橋樁基礎(chǔ)豎向位移的影響,受距離和樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度的共同作用。

        5 結(jié)論

        本文以某深基坑工程為研究對(duì)象,用MIDAS/GTS 軟件模擬了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近高架橋結(jié)構(gòu)的影響,得到以下結(jié)論。

        (1)本基坑施工荷載導(dǎo)致鄰近高架橋結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向卸載,使得結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生一定程度的水平位移和沉降,但總體位移變化較小,高架橋結(jié)構(gòu)處于安全水平。

        (2)同一施工工況下,高架橋樁頂水平位移隨樁基礎(chǔ)與基坑的距離的減小而增大,但樁頂沉降量大小與樁基礎(chǔ)與基坑的距離之間的關(guān)系并不明顯。

        (3)高架橋結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)嵌入中微風(fēng)化巖,基坑支護(hù)采用樁撐體系,支護(hù)樁基本上均進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖10m 以上,采用兩道內(nèi)支撐加板撐,剛度較大?;邮┕み^(guò)程中,鄰近高架橋結(jié)構(gòu)周邊地層基本能有效控制基坑施工荷載引起的高架橋結(jié)構(gòu)的變形。

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