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        轉(zhuǎn)體斜拉橋主墩承臺深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形特性研究

        2021-04-26 08:52:02王智剛
        中國設(shè)備工程 2021年8期
        關(guān)鍵詞:有限元變形工程

        王智剛

        (中鐵二十二局集團第一工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150000)

        近年來,隨著我國交通建設(shè)的高速發(fā)展,國內(nèi)修建的跨越既有鐵路、公路及河流的橋梁越來越多。為保證橋梁施工過程中不影響既有公路和鐵路的正常運行,工程上常采用影響小、風險低、造型美觀的轉(zhuǎn)體斜拉橋。對于跨越鐵路編組站的轉(zhuǎn)體斜拉橋而言,由于轉(zhuǎn)體重量大、球鉸對接精度高等特點,故需要尺寸較大的橋墩承臺,若不保證圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,則會對橋梁轉(zhuǎn)體產(chǎn)生影響。

        目前,李昂等以某橋墩工程為例,采用GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測方法與灰色GM(1,1)模型預測結(jié)果及實測數(shù)據(jù)對比,得出GA-BP 模型結(jié)果更精確;龔循強等利用最小二乘法和穩(wěn)健最小二乘法的自回歸模型、自適應過濾法及灰色預測法對高鐵橋墩沉降數(shù)據(jù)進行模擬與預測。

        深基坑支護是一個復雜的三維空間問題,基坑開挖過程中地表沉降、圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移、支撐軸力等往表現(xiàn)出明顯的空間效應。特別是難度系數(shù)大、安全系數(shù)要求高的基坑工程,故本文以哈西大街打通工程中的轉(zhuǎn)體斜拉橋(跨鐵路部分)主墩承臺深基坑支護工程為依托工程,對轉(zhuǎn)體斜拉橋主墩承臺深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形特性研究。利用Midas GTS NX 有限元軟件建立三維模型,分析橋墩基坑和支護結(jié)構(gòu)的沉降及變形規(guī)律,從而確保深基坑工程的安全。

        1 工程概況

        本文依托工程為哈西大街打通工程(跨鐵路部分)主墩承臺深基坑支護工程,打通工程全長1321 米,共跨越48 條鐵路線,跨線橋采用雙塔雙索面轉(zhuǎn)體斜拉橋。該深基坑位于轉(zhuǎn)體斜拉橋主橋9#、10#墩處,由于兩橋墩承臺基坑土層參數(shù)、支護形式、基坑深度及基坑形狀相同,故本文以9#墩承臺基坑為工程對象進行研究。9#墩承臺基坑平面形狀為八邊形,最大開挖深度為11m,采用鋼筋混凝土灌注樁+內(nèi)支撐支護,支護樁樁頂標高為±0.00m,樁長25m,樁徑1.2m,樁間距1.5m,嵌固深度15m。距支護樁頂面0.5m處布置兩道鋼支撐梁,支撐梁采用參數(shù)為Ф609×12mm 的鋼管,承臺如圖1 所示。

        圖1 主塔承臺平面圖

        2 基坑有限元分析

        2.1 有限元模型的建立

        利用Midas GTS NX 有限元分析軟件建立模型,考慮基坑影響深度為基坑開挖深度的2 ~3 倍,影響寬度為基坑開挖深度的2 ~3 倍,故建立長102.5m、寬87.8m、高33m、的三維基坑模型,土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型,樁、冠梁、鋼支撐采用線彈性模型。根據(jù)巖土勘察報告和地區(qū)經(jīng)驗,模型采用土體參數(shù)見表1。

        表1 土層參數(shù)

        本工程數(shù)值模擬中共分為4 步開挖,第一步開挖至支撐標高位置下1.5m 處,施加1 道鋼支撐,并噴射第一層樁間混凝土;第二步開挖至坑下4.5m 處,并噴射第二層樁間混凝土;第三步開挖至坑下7.5m 處,并噴射第三層樁間混凝土;第四步開挖至坑底,并噴射第四層樁間混凝土;建立的基坑三維模型如圖2 所示。

        圖2 有限元模型圖

        2.2 周邊地表沉降分析

        根據(jù)建立的三維有限元分析模型,由于基坑北側(cè)鄰近既有鐵路線。故提取本工程基坑北側(cè)測點在各施工工況下地表沉降變化值,繪制地表沉降隨著施工工況變化曲線如圖3 所示。在此基礎(chǔ)上,提取基坑北側(cè)五組地表沉降點,繪制基坑開挖完成后基坑北側(cè)周邊地表沉降變化曲線,如圖4 所示。

        圖3 地表沉降累計變化曲線

        圖4 地表沉降-坑邊距變化曲線

        從周邊地表沉降監(jiān)測點垂直位移累積變化曲線圖可以看出:(1)隨著開挖深度的增加,基坑周邊地表沉降逐漸增大,沉降量變化值位于距坑頂5m 處,累計沉降量為-6.8mm;(2)隨著基坑的開挖和施工,距坑頂25m 和30m 處的沉降量幾乎為0,基坑開挖施工對超過兩倍坑深的位置周邊地表沉降影響不大;(3)從圖5 可以看出,基坑地表沉降分布呈“勺形”分布,基坑地表沉降最大點距離坑頂約3.3~5.2m,可以認為本工程的地表沉降最大值距坑頂約0.3H~0.55H。

        根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果,繪制基坑北側(cè)DB1 監(jiān)測點的地表沉降模擬值與監(jiān)測值對比曲線,如圖5 所示。

        通過圖5 可知,有限元模擬Midas GTS NX 計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相差不大,模擬值略大于監(jiān)測值,可能是現(xiàn)場施工條件變化及天氣原因?qū)е?,但二者曲線變化趨勢一致,比較符合工程實際,表明Midas GTS NX可用于模擬工程實際。

        2.3 樁頂水平位移有限元分析

        根據(jù)建立的三維有限元分析模型,由于基坑北側(cè)鄰近既有鐵路線。因此,提取基坑北側(cè)各施工工況下支護樁樁頂水平位移變化值,繪制水平位移隨著施工工況變化曲線如圖6所示。

        圖5 模擬與監(jiān)測對比曲線

        圖6 樁頂水平位移累計變化曲線

        從圖6 可以看出:(1)隨著開挖深度的增加,支護樁樁頂水平位移逐漸增大,其中,支護樁樁頂水平位移累積最大值變化量X 為5.8mm;(2)圖中曲線3 為施加支撐的樁體點位,可以看出,施加支撐之前樁頂水平位移為2.2mm;施加內(nèi)支撐之后,由于內(nèi)支撐的作用,使水平位移得到控制,變形逐漸減小,但在開挖至坑底時,變形再次出現(xiàn)達到1.9mm。隨著基坑施工完成又逐步趨于穩(wěn)定,可見支撐能夠很好的控制樁頂水平位移。

        3 結(jié)語

        本文采用Midas GTS NX 有限元分析軟件對哈西大街打通工程(跨鐵路部分)主墩承臺深基坑支護工程進行三維數(shù)值模擬,分析了深基坑及支護結(jié)構(gòu)的變形特征,并將模擬值與監(jiān)測值進行對比分析,得出結(jié)論如下。

        通過監(jiān)測值與模擬值對比分析,模擬值略大于檢測值,但兩者變化曲線基本吻合,證明Midas GTS NX 有限元軟件能夠較好的模擬深基坑工程的變形。

        分析結(jié)果表明,隨著開挖深度的增加,支護樁樁頂水平位移逐漸增大,帶有內(nèi)支撐的支護樁樁頂水平位移相對較小,證明內(nèi)支撐能夠很好的控制樁體變形。

        根據(jù)地表沉降變化曲線可知,基坑周邊地表沉降隨著開挖深度增加而增大,地表沉降分布呈“勺形”分布,結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果得出地表沉降最大值位于距坑頂0.3H~0.55H 處。

        利用Midas GTS NX 創(chuàng)建的三維有限元模型,能夠真實地反應土體-支撐-支護樁之間的變形協(xié)同作用,說明該方法能夠較準確地反映工程實際的變形特征,能夠用于工程實際指導施工。

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