付建勝

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300)

1 引言

渡槽，也叫過(guò)水橋，是兩端與渠道相連接的橋梁式水槽。與其他橋梁一樣，渡槽通常架設(shè)在洼地、山谷、河流上，大型的渡槽還可用作通航[1－2]。近年來(lái)，世界多國(guó)已經(jīng)修建了很多大型渡槽，如里斯本阿瓜里弗渡槽[3]、美國(guó)生命線渡槽[4]，以及中國(guó)“南水北調(diào)”工程[5－6]等。大型渡槽工程對(duì)于水資源配置的優(yōu)化、受水區(qū)水環(huán)境的改善以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。

目前已有大量學(xué)者針對(duì)渡槽工程的開(kāi)挖以及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。董玉樂(lè)[7]針對(duì)漂塘鎢礦大跨度渡槽工程的施工步驟及施工要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，確定了渡槽基礎(chǔ)開(kāi)挖邊坡的坡比。趙龍輝[8]針對(duì)龍場(chǎng)渡槽工程實(shí)例，基于有限元軟件FLAC3D對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到了加固前與加固后渡槽的最大位移值，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。此外，姜勇[9]針對(duì)黔中水利總干渡槽工程中臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果表明該施工方案能夠保證臨時(shí)支架的穩(wěn)定性。燕曉東[10]通過(guò)理論推導(dǎo)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)抗滑組合結(jié)構(gòu)受力機(jī)制進(jìn)行了研究，得到分級(jí)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的最不利狀態(tài)。目前的研究工作存在不足:在渡槽邊坡開(kāi)挖過(guò)程中同時(shí)設(shè)置臨時(shí)支架的施工過(guò)程研究較少，且尚未有學(xué)者采用有限元方法研究其施工響應(yīng)。

本文采用有限元軟件MIDAS GTS NX，基于淠河渡槽工程案例，考慮結(jié)構(gòu)與土體的耦合，建立土體與臨時(shí)支架施工過(guò)程的有限元模型，預(yù)測(cè)分析土體與臨時(shí)支架的施工位移響應(yīng)。淠河總干渠渡槽是為引江濟(jì)淮輸水渠道下穿淠河總干渠而設(shè)置的立體交叉建筑物。渡槽布置跨徑為(68＋110＋68)m，結(jié)構(gòu)形式為桁架式梁拱組合體系，為全焊接鋼結(jié)構(gòu)。鋼渡槽兩側(cè)各設(shè)52 m長(zhǎng)的混凝土槽型過(guò)渡段，全長(zhǎng)350 m，單槽凈寬16 m，高度7 m。

主墩基坑分層開(kāi)挖，逐層施工臨時(shí)支架，重粉質(zhì)壤土地層采用1∶1.75邊坡，中－強(qiáng)風(fēng)化巖地層采用1∶0.5坡度。由于基坑開(kāi)挖土方量較大，深度較深，若采用傳統(tǒng)倒梯形斷面進(jìn)行開(kāi)挖，兩側(cè)土壓力極大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利且易使得基坑底部土體發(fā)生較大隆起變形。故創(chuàng)新性提出“W”型斷面形式，如圖1所示，保留部分底面土體以平衡兩側(cè)邊坡土壓力，使得邊坡基坑開(kāi)挖施工更為安全，并為中跨渡槽臨時(shí)支架的架設(shè)提供平臺(tái)。本文基于該形式基坑，對(duì)土－臨時(shí)支架耦合的大型渡槽開(kāi)挖施工響應(yīng)開(kāi)展研究，成果可為今后類似大型渡槽工程提供參考。

圖1 1/2渡槽邊坡及支架立面(單位:mm)

2 有限元模型

本文基于有限元軟件MIDAS GTS NX，針對(duì)淠河總干渠渡槽邊坡開(kāi)挖及臨時(shí)支架施工全過(guò)程建立有限元模型，分析采用地層－結(jié)構(gòu)法，考慮土層－結(jié)構(gòu)相互作用。

如圖2a所示，渡槽施工區(qū)域內(nèi)的土層分布包括重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土，中、重粉質(zhì)壤土夾細(xì)砂，全～強(qiáng)風(fēng)化粉、細(xì)砂巖及中等風(fēng)化～新鮮粉、細(xì)砂巖。土體采用考慮區(qū)分加卸載的修正摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的參數(shù)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。

圖2 土體有限元模型

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

主墩及臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)(包括臨時(shí)墩、鋼聯(lián)系梁等)有限元模型如圖3所示。橋墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)、混凝土樁采用三維實(shí)體單元模擬，鋼管樁、鋼聯(lián)系梁采用一維梁?jiǎn)卧M。材料模型采用線彈性本構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)材料參數(shù)及截面尺寸如表2所示。

圖3 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)有限元模型

表2 臨時(shí)墩計(jì)算參數(shù)

土體和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分分別如圖2和圖3所示。結(jié)構(gòu)實(shí)體單元與其相鄰?fù)馏w單元耦合，與土體直接接觸的結(jié)構(gòu)一維單元通過(guò)析取土體單元得到，不與土體接觸的一維單元結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行1D單元?jiǎng)澐?。由于渡槽結(jié)構(gòu)及地層分布總體對(duì)稱，且橋墩結(jié)構(gòu)對(duì)稱施工，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文建立的數(shù)值計(jì)算模型為1/4模型。

土體邊界施加沿邊界法線方向的平動(dòng)自由度約束。為避免邊界范圍對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果精度的影響，本文基于鄭穎人[11]建議的計(jì)算范圍，綜合考慮渡槽實(shí)際情況，建立整體三維模型尺寸為180 m×20.4 m×78 m(長(zhǎng)×寬×高)。由于模型為1/4模型，因此需設(shè)置對(duì)稱邊界條件。

為更直接地體現(xiàn)基坑開(kāi)挖對(duì)主墩及臨時(shí)支架施工過(guò)程中應(yīng)力和變形的影響，將渡槽主體結(jié)構(gòu)自重及其上主要荷載轉(zhuǎn)換為集中力加載到支架及墩柱上。渡槽橋梁主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的主要荷載包括:各土層的重力(含開(kāi)挖過(guò)程的荷載釋放)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的重力和各墩施工階段荷載(包括渡槽自重及其上施工荷載)。

模型主要分為35個(gè)施工階段:設(shè)初始應(yīng)力場(chǎng)為工況1(如圖2a所示)，其余共包含8個(gè)開(kāi)挖步驟和31個(gè)加載步驟。8個(gè)開(kāi)挖步驟對(duì)應(yīng)工況2～14，31個(gè)加載步驟對(duì)應(yīng)工況5～35(其中工況2～4對(duì)應(yīng)開(kāi)挖步驟1～3，工況5～14對(duì)應(yīng)開(kāi)挖步驟4～8和加載步驟1～10，即每?jī)蓚€(gè)工況對(duì)應(yīng)1個(gè)開(kāi)挖步驟)。主要工況有限元模型如圖4所示，具體荷載如表3所示。表3中各墩施工階段荷載主要為各階段渡槽自重及其上施工荷載。由于橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱施工，Z1與Z4、Z2與Z3步驟相同，加載一致。

表3 橋墩在各施工階段荷載布置

圖4 主要工況有限元模型

3 有限元結(jié)果分析

土體和渡槽臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)在主要工況下水平和豎向位移云圖如圖5～圖7所示。各個(gè)工況下土體和支架結(jié)構(gòu)的水平和豎向位移量匯總于圖8。

圖5 主要工況土體位移云圖

圖6 主要工況臨時(shí)支架水平位移云圖

圖7 主要工況臨時(shí)支架豎向位移云圖

圖8 各施工階段最大位移

對(duì)于土體，從工況2(即開(kāi)挖步驟1)至工況14(即開(kāi)挖步驟8和加載步驟10)，水平變形不斷增大達(dá)到最大值12.19 mm，滿足?建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程?(JGJ 120—2012)[12]對(duì)于基坑、邊坡工程施工水平變形規(guī)定的控制值，土體最大變形位置位于臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)處，圖5b所示。此外，由于邊坡開(kāi)挖卸載，坡體處的土體主要表現(xiàn)為整體隆起變形，最大豎向變形為16.64 mm，圖5d所示。

從工況15(即加載步驟11)至工況35(即加載步驟31)，土體水平變形呈減小趨勢(shì)。最終土體最大水平變形和豎向隆起變形分別穩(wěn)定在11.38 mm和16.70 mm，如圖8a所示。

對(duì)于主墩及臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)，在工況2(即開(kāi)挖步驟1)和工況3(即開(kāi)挖步驟2)最大水平與豎向變形分別出現(xiàn)在主墩Z(yǔ)1和臨時(shí)支架P′1處，最大水平變形值分別為0.80 mm和7.28 mm，最大豎向變形值分別為1.44 mm和13.41 mm，如圖6a、圖6b、圖7a和圖7b所示。從工況4(即開(kāi)挖步驟3)至工況35(即加載步驟31)，最大水平和豎向變形均出現(xiàn)在橋墩P′2處，如圖6c、圖6d、圖7c和圖7d所示。 從工況4至工況14(即開(kāi)挖步驟8和加載步驟10)，臨時(shí)支架水平變形不斷增大，最大水平變形值為12.19 mm；后續(xù)的施工階段，臨時(shí)支架最大水平變形呈減小趨勢(shì)，最終穩(wěn)定至11.38 mm。由于邊坡開(kāi)挖卸載，橋墩及臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為豎向向上隆起變形。在工況7(即開(kāi)挖步驟5和加載步驟3)豎向變形達(dá)到最大值13.89 mm，如圖7c所示。隨后的施工階段，結(jié)構(gòu)最大豎向變形最終穩(wěn)定在13.40 mm，如圖8b所示。

4 結(jié)論

本文基于MIDAS GTS NX有限元軟件，對(duì)“W”型渡槽基坑邊坡開(kāi)挖及臨時(shí)支架施工全過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬，得到的結(jié)論總結(jié)如下:

(1)對(duì)于深大邊坡基坑開(kāi)挖，“W”型斷面基坑底部預(yù)留土體可有效抵抗兩側(cè)邊坡部分土壓力，增大邊坡穩(wěn)定性且對(duì)基坑底部土體隆起變形起到一定抑制作用；此外，預(yù)留土體為中跨渡槽臨時(shí)支架的架設(shè)提供施工平臺(tái)，降低支架高度，提高了施工安全性，節(jié)省了材料使用。

(2)土體開(kāi)挖施工階段，土體水平和豎向變形持續(xù)增大，坡體處的土體主要表現(xiàn)為整體隆起變形，土體最大水平和豎向變形值分別為12.19 mm和16.70 mm；后續(xù)施工工況的土體水平變形呈減小趨勢(shì)；最終土體水平和豎向變形分別趨于穩(wěn)定值11.38 mm和16.70 mm。

(3)土體最大水平變形位置位于臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)處，水平變形最大值小于?建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程?規(guī)定的控制值。

(4)土體開(kāi)挖施工階段，臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)的水平變形同樣持續(xù)增加；隆起土體處對(duì)應(yīng)的臨時(shí)支架呈現(xiàn)向臨空面隆起變形；臨時(shí)支架最大水平和豎向變形值分別為12.19 mm和13.89 mm；后續(xù)施工工況臨時(shí)支架最大水平和豎向變形趨于穩(wěn)定值11.38 mm和13.40 mm。