鄒永祥，謝富明

（1、北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 北京 100080；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

隨著公用與民用設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的城市內(nèi)河受到災(zāi)難性的污染，嚴(yán)重影響著城鎮(zhèn)居民的正常健康生活。為提供更加舒適便利的居住環(huán)境，相應(yīng)部門需要對(duì)河道進(jìn)行開(kāi)挖和整治［1］。然而，河涌整治工程場(chǎng)地周邊輪廓常與高架橋、地鐵隧道等基礎(chǔ)設(shè)施相交。同時(shí)，當(dāng)開(kāi)挖土體作為棄土堆載時(shí)，將改變一定范圍內(nèi)土層的應(yīng)力狀態(tài)，可能導(dǎo)致橋墩與上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜或偏移，甚至影響周圍構(gòu)筑物的正常運(yùn)營(yíng)使用安全。我國(guó)東南沿海地區(qū)分布著大量軟弱地層，受施工擾動(dòng)影響大，變形控制要求嚴(yán)格［2-4］。在施工過(guò)程中不僅要保證本工程自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，更要保證周圍構(gòu)筑物的安全性，不得超出規(guī)定的限定值，否則后果不堪設(shè)想［5-7］。

在施工前對(duì)工程場(chǎng)地與荷載進(jìn)行計(jì)算分析，在結(jié)構(gòu)相對(duì)不利位置處采取有效的加固措施能在一定程度上減少構(gòu)件變形與破壞［8-10］。由于傳統(tǒng)彈性理論分析在面對(duì)復(fù)雜工程情況時(shí)，無(wú)法精確得出變形破壞情況，因此在目前工程設(shè)計(jì)階段中一般采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)證。鄭剛等人［11］采用數(shù)值分析方法研究了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近橋墩結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移和彎矩的影響，并提出相關(guān)加固措施與監(jiān)測(cè)建議；孟繁增等人［12］應(yīng)用大型計(jì)算軟件PLAS對(duì)鄰近高鐵橋墩基坑開(kāi)挖工程進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，將計(jì)算結(jié)果與橋墩隆起變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析；黃文彬等人［13］結(jié)合深圳市某住宅樓基坑工程，基于有限元數(shù)值模擬方法，探究了基坑開(kāi)挖引起的土體變形可能對(duì)地鐵橋墩造成的影響。

目前，各專家學(xué)者對(duì)土體開(kāi)挖卸載關(guān)注度較高，而土的堆載變形卻鮮有耳聞。對(duì)此，本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)某河涌綜合整治案例，利用二維數(shù)值模擬計(jì)算方法及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形分析，研究河涌開(kāi)挖時(shí)拋石擠淤和堆土荷載對(duì)鄰近橋墩變形與荷載的影響。同時(shí)，對(duì)比數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)變形情況，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的合理性。該成果對(duì)今后類似工程實(shí)際問(wèn)題的處理具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

該河涌整治工程位于深圳市龍華區(qū)德豐村附近，位于珠江口水系最北段，流域面積2.22 km2，全長(zhǎng)3.70 km。河道沿線原始地貌形態(tài)屬于深圳市西部的沖積海積平原地貌小區(qū)，后經(jīng)工程建設(shè)改造后，地形相對(duì)較為平坦，地面高程3～4 m，河床高程-0.5～0.5 m，河道寬約4～20 m，整治工程河道整治全長(zhǎng)約為2.035 km。

該河涌整治施工區(qū)域在平面上與已建松崗一號(hào)橋有一定相交，松崗一號(hào)橋部分樁基承臺(tái)在河道紅線范圍內(nèi)，其中11#、12#、13#墩柱一半位于河岸，一半位于 河 底，11#～13#墩 樁 基 直 徑 為2.4 m，樁 長(zhǎng)39.9～43.7 m。平面位置如圖1 所示。該段需要施工的內(nèi)容依次為河底拋石擠淤、岸邊拋石護(hù)腳、坡面砌塊護(hù)面等。在項(xiàng)目場(chǎng)地中存在深厚軟弱土層，淤泥平均厚度高達(dá)13 m，軟弱土層的存在導(dǎo)致拋石擠淤施工時(shí)產(chǎn)生較大附加應(yīng)力并加劇水平方向位移，極易引起局部土層與鄰近橋墩產(chǎn)生不容忽視的位移量。

圖1 河道與橋墩平面關(guān)系圖Fig.1 Plane Diagram of Relationship Between River and Pier

1.2 工程重點(diǎn)

在施工過(guò)程中，河道開(kāi)挖和棄土堆載將擾動(dòng)軟土地層并改變土體的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)位移傳遞規(guī)律計(jì)算可知緊鄰的橋梁橋墩基礎(chǔ)勢(shì)必受到相應(yīng)影響，但傳統(tǒng)彈性理論無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算周邊建筑物隨土體開(kāi)挖過(guò)程的變形情況，因此，確保橋梁橋墩變形在允許范圍內(nèi)是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。需要重點(diǎn)計(jì)算和分析拋石擠淤、橋墩兩側(cè)堆石施工對(duì)橋墩的變形影響，并對(duì)比實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證橋梁的正常安全運(yùn)營(yíng)。考慮該工程最不利條件，選取12號(hào)右側(cè)橋墩建立模型計(jì)算分析，如圖2所示。

圖2 12號(hào)橋墩剖面圖Fig.2 Profile of Pier No.12 （mm）

2 數(shù)值模型的建立

基于河涌綜合整治工程水工結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)施工圖，采用有限元方法，借助巖土工程專用有限元軟件MIDAS∕NX 開(kāi) 展 河 涌 綜 合 整 治施工全過(guò)程模擬，建立二維模型進(jìn)行計(jì)算，分析拋石擠淤對(duì)既有橋墩結(jié)構(gòu)的作用和橋墩側(cè)向堆石誘發(fā)的土壓力變化對(duì)既有橋墩結(jié)構(gòu)的影響，模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格Fig.3 Model Grid

需要同時(shí)分析拋石擠淤、橋墩兩側(cè)堆石對(duì)既有橋墩結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響，厘清河涌綜合整治施工時(shí)，鄰近既有橋墩產(chǎn)生的位移變形和結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)。

在總體模型計(jì)算區(qū)域的選取中，綜合考慮了拋石擠淤施工、鄰近既有橋梁墩臺(tái)引起的邊界效應(yīng)，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定模型尺寸長(zhǎng)與寬分別為30 m、20 m。計(jì)算模型側(cè)向施加水平約束，底部為豎向約束，頂面為自由面，不加約束。

2.1 地質(zhì)條件

擬建工程沿線的特殊性巖土主要有成分復(fù)雜的雜填土、軟土（淤泥）與中粗砂。本次分析的土層參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical Parameters of Soils

2.2 設(shè)計(jì)工況

本模型試驗(yàn)共設(shè)4 個(gè)分析步，分別對(duì)應(yīng)4 個(gè)施工步驟，具體情況如表2 所示。第三個(gè)分析步主要用于評(píng)估拋石擠淤施工對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)的影響，考慮了拋石擠淤施工引起的增量位移，故需要對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)施工和初始應(yīng)力場(chǎng)引起的位移進(jìn)行平衡。第4個(gè)工況關(guān)注的是橋墩兩側(cè)堆石施工對(duì)既有橋墩結(jié)構(gòu)的影響，主要考慮的是橋墩兩側(cè)堆石荷載引起的位移及其誘發(fā)的土壓力交替變化情況。

表2 模擬施工步驟Tab.2 Simulated Construction Steps

3 橋墩結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

3.1 變形結(jié)果分析

采用數(shù)值模擬方法計(jì)算分析河涌整治各階段下鄰近橋墩的變形情況，判定變形是否符合控制要求，需要重點(diǎn)分析拋石擠淤和橋墩兩側(cè)堆石對(duì)橋墩的影響。相應(yīng)規(guī)范指出，橋墩水平位移控制值為3 mm，豎向位移控制值為15 mm，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負(fù)。

3.1.1 拋石擠淤對(duì)既有橋墩結(jié)構(gòu)的位移影響分析

圖4 為拋石擠淤施工后的既有橋墩位移云圖，由于拋石擠淤和既有橋墩結(jié)構(gòu)距離較近，施工過(guò)程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力向水平方向傳播時(shí)，必然引起淤泥土層的蠕動(dòng)，由于拋石擠淤體的大荷載量，橋墩結(jié)構(gòu)將受擠淤產(chǎn)生的附加應(yīng)力，當(dāng)其足夠大時(shí)將導(dǎo)致橋墩結(jié)構(gòu)周圍淤泥層產(chǎn)生一定變形。拋石施工對(duì)豎向位移的影響相對(duì)較小，橋墩位移主要體現(xiàn)在水平方向上。

根據(jù)既有橋墩位移云圖4，可列出拋石擠淤施工完成后不同方向最大位移結(jié)果如下：工況3的X向峰值位移分別1.22 mm、0 mm；Y向峰值位移分別為0.06 mm、-0.11 mm。

圖4 工況3拋石擠淤施工后既有橋墩位移Fig.4 The Bridge Pier Displacement Existed after the Construction of Riprap Silting in Working Condition 3

結(jié)果表明，既有橋梁結(jié)構(gòu)的水平位移極值為1.22 mm，出現(xiàn)在橋墩上柱頂部。橋墩豎向位移極值為0.11 mm，由拋石擠淤產(chǎn)生的附加應(yīng)力所致，出現(xiàn)在淤泥土層邊界處。

3.1.2 側(cè)向堆石對(duì)既有橋墩結(jié)構(gòu)的位移影響分析

圖5為橋墩側(cè)向堆石施工后引起的既有橋墩位移云圖，堆石施工會(huì)改變橋墩位移場(chǎng)和使橋墩側(cè)向壓力增加，必然會(huì)對(duì)既有橋墩產(chǎn)生影響。由于堆石在橋墩兩側(cè)，容易使土體發(fā)生水平側(cè)移，使樁撓曲、水平變形，產(chǎn)生較大的彎矩；橋墩豎向位移的產(chǎn)生是由于土層受到堆石豎向荷載的影響，樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻沉降。

圖5 工況4橋墩兩側(cè)堆石施工后既有橋墩位移Fig.5 The Bridge Pier Displacement Existed after Rockfill Construction on both Sides of Bridge Pier in working Condition 4

根據(jù)圖5，提取可得橋墩兩側(cè)堆石施工完成后不同方向最大位移結(jié)果匯總?cè)缦拢汗r4的X向峰值位移分別0 mm、-1.53 mm；Y向峰值位移分別為0.02 mm、-0.21 mm。結(jié)果表明，既有橋墩結(jié)構(gòu)的水平位移極值為1.53 mm，出現(xiàn)在橋墩上柱柱頂處。橋墩豎向位移極值為0.21 mm，由拋石擠淤產(chǎn)生附加應(yīng)力所致，出現(xiàn)在淤泥土層邊界處。

為保證河涌整治期間松崗一號(hào)橋保持正常運(yùn)營(yíng)及其橋墩結(jié)構(gòu)安全，對(duì)其鄰近橋墩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。本項(xiàng)目采用精密水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x（拓普康DL101C）、電子全站儀、銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺、數(shù)字測(cè)斜儀等設(shè)備對(duì)河涌整治過(guò)程中橋墩結(jié)構(gòu)的水平、豎向位移變形情況進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)值模擬與工程監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison between Numerical Simulation and Engineering Monitoring Results

由表4 可知，堆石荷載對(duì)橋墩的變形影響略微大于拋石擠淤施工，在河涌整治過(guò)程中，橋墩水平方向受到的變形影響大于豎向，這與倪恒等人［14］的發(fā)現(xiàn)一致。橋墩水平位移極值為1.53 mm，少于規(guī)范的橋樁樁頂水平位移控制值3 mm。橋墩豎向位移極值僅為0.21 mm，遠(yuǎn)小于橋樁允許沉降控制值15 mm，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。實(shí)際監(jiān)測(cè)值與由數(shù)值模擬結(jié)果基本重合，進(jìn)一步證實(shí)了模型的可行性，為保證施工過(guò)程中橋墩的正常運(yùn)營(yíng)，可對(duì)橋墩上柱柱頂和淤泥土層邊界處重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3.2 側(cè)向堆石誘發(fā)的土壓力分析

橋墩兩側(cè)堆石施工時(shí)，將會(huì)在鄰近橋墩位置處堆積大量棄土，由于堆載位于在橋墩兩側(cè)，且兩側(cè)堆石體積相當(dāng)，則受到的堆石土壓力值無(wú)較大差距，此時(shí)橋墩承受的主要荷載為堆石本身的自重，對(duì)橋墩形成側(cè)向擠壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的破壞，如圖6所示。

圖6 橋墩兩側(cè)堆石施工前后既有橋墩應(yīng)力變化Fig.6 Variation of Stress on Existing Piers before and after Rockfill Construction on both Sides of Piers

根據(jù)圖6，提取橋墩兩側(cè)堆石施工前后土壓力對(duì)比結(jié)果，如圖7 所示。土壓力隨著土層深度的增加而增加，最多可達(dá)到72.93 kN，堆石前后的土壓力相差不大，在橋墩下柱處，施工后土壓力增加3.18 kN，總體水平較低，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大，即既有橋墩仍處于安全狀態(tài)。

圖7 橋墩兩側(cè)堆石施工前后既有橋墩土壓力對(duì)比Fig.7 Comparison of Earth Pressure of Existing Piers before and after Rockfill Construction on both Sides of Piers

4 結(jié)論與建議

本次分析借助大型有限元軟件建立深圳市寶安區(qū)某河涌綜合整治項(xiàng)目施工全過(guò)程二維計(jì)算模型，重點(diǎn)分析了拋石擠淤、橋墩兩側(cè)堆石對(duì)鄰近松崗一號(hào)橋既有橋墩結(jié)構(gòu)受力變形特性，并通過(guò)實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)值和數(shù)值模擬值的對(duì)比分析，開(kāi)展了分析與評(píng)估，主要得到如下結(jié)論：

⑴橋墩兩側(cè)堆石荷載對(duì)橋墩變形的影響略大于拋石擠淤施工，其中水平位移極值為1.53 mm，豎向位移極值為0.21 mm，滿足《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：TB 10002—2017》的要求，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移與數(shù)值模擬結(jié)果基本保持一致，證實(shí)了模型和數(shù)值方法的可行性。

⑵既有橋墩土壓力在兩側(cè)堆石施工后會(huì)稍微增加，但總體相差不大，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響可以忽略不計(jì)。

⑶河道綜合整治項(xiàng)目施工對(duì)松崗一號(hào)橋既有橋墩結(jié)構(gòu)的影響較少，按原有施工方案進(jìn)行施工，能確保橋梁既有結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，但根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，橋墩上柱柱頂和淤泥土層邊界處變形比較大，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。