吳開榮，向田一

（1.蘇交科集團股份有限公司，南京 210017；2.大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

1 引言

近幾十年，一些學(xué)者對路基開挖和填方施工對鄰近建筑物的影響做了許多研究與分析。帥紅巖[1]等通過數(shù)值模擬方法研究了基坑開挖深度與基坑整體位移的關(guān)系；孫超等[2-3]運用Midas GTS軟件對基坑開挖過程對周邊建筑物的影響進行了模擬分析；王衛(wèi)東等[4]通過數(shù)值模擬方法研究基坑開挖卸載對地鐵區(qū)間隧道的影響；王洪德、楊傳亮等[5-6]利用有限元軟件建模數(shù)值分析的方法，研究了樁基施工、給排水管道在施工開挖過程中對既有隧道的影響；洪晟[7]通過有限元軟件建模數(shù)值分析的方法，研究深基坑的圍護結(jié)構(gòu)變形以及周圍土體應(yīng)力場變化的合理性；李明瑛等[8]通過MIDAS GTS有限元軟件，研究了深基坑中土體的沉降、錨桿的應(yīng)力分布變化、樁身的位移變化，為控制基坑的變形提供了借鑒；曹力橋[9]利用有限元軟件對深基坑開挖基底進行研究，分析了基坑底部隆起的位移與開挖深度的關(guān)系；張向東等[10]通過數(shù)值模擬認(rèn)為隨著基坑的開挖深度增加，會使周圍土體滑動，從而使基坑變形影響周圍建筑物的安全；丁克偉等[11]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力分布與基坑開挖有重大關(guān)系，且伴隨著基坑開挖深度的不斷加深，基坑的水平位移也逐漸變大，水平位移的位置隨著基坑開挖深度的增大而發(fā)生變化；楊光[12]運用三維有限元軟件對基坑開挖和施工堆土對臨近建筑物的影響進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)基坑開挖深度越深，并且施工堆土越多，對臨近建筑物的影響越大。

本文以東繞城高速改擴建為列，利用MIDAS GTS NX有限元軟件對東繞城高速保通便道施工全過程進行模擬，分析對東繞城高速公路的影響，從而為類似的項目提供相關(guān)經(jīng)驗。

2 工程概況

2.1 自然地理及地域地質(zhì)概況

2.1.1 地形地貌

本項目位于昆明斷陷盆地東北部，地處滇池盆地邊緣低山丘陵區(qū)域。東南部以淺切割低山地貌為主，還有山麓斜坡地貌和山麓坡腳堆積地貌；東北部為斷陷盆地平原地貌?？傮w地勢為西北低東南高，海拔高度在1 907~2 002 m，高差95 m，屬平原向山地地貌逐漸過渡，地形起伏小。

2.1.2 水文、地質(zhì)

1）水文條件。項目區(qū)地處長江上游滇池流域，位于該流域中上游滇池東岸，為大陸停滯水堆積形成的沖湖積準(zhǔn)平原地貌與盆地邊緣殘丘地貌過渡部位。項目區(qū)為殘丘地貌區(qū)，地表水系除馬料河外，場地附近多為人工溝渠，地表水系較發(fā)育。

2）地質(zhì)條件?？辈靾龅氐貙佑伤缮⒏采w地層及基巖地層組成。

松散覆蓋土層以第四系全新統(tǒng)沖、湖積地層為主?？碧綀龅乜碧缴疃确秶鷥?nèi)松散地層類型主要為黏土類、混合土類、粉土類、礫石土類及有機碳土類。

基巖地層主要為寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組砂巖。勘察區(qū)位于西部斷線盆地平原地貌區(qū)，地勢上西北低東南高，自西向東由平原逐漸向山地過度，海拔高度在1 890～2 050 m，高差約160 m。

2.1.3 氣候、氣象

項目區(qū)地處北暖溫帶夏雨季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫14.7℃，最冷月平均氣溫7.7℃，最熱月平均氣溫19.8℃，極端低溫-5.4℃，極端高溫31.5℃，年平均降雨量1 007.0 mm，年平均蒸發(fā)量1 685.0 mm，每年6~10月為雨季，雨季降雨量占全年總降雨量的80.0%，對基礎(chǔ)工程施工較為不利，每年12月至次年4月為旱季，干燥度為1.67，為微濕潤氣候區(qū)，日最大降雨量153.0 mm，夏季平均氣壓8.06×104Pa，30年一遇最大風(fēng)速23.7 m/s，最大積雪厚度17.0 cm。年平均相對濕度73%，蒸發(fā)量1 940.9 mm，月平均蒸發(fā)量278.8 mm，3、4月份為最干旱月，相對濕度僅54%~55%。

2.2 東繞城高速公路

2.2.1 路基段

昆明東繞城高速為高速公路，主線整體式路基寬35.0 m，其路幅構(gòu)成如下：0.75 m（土路肩）+3.25 m（硬路肩）+3×3.75 m（行車道）+0.75 m（路緣帶）+3 m（中央分隔）+0.75 m（路緣帶）+3×3.75 m（行車道）+3.25 m（硬路肩）+0.75 m（土路肩）=35.0 m。

2.2.2 安石公路跨線中橋

現(xiàn)狀安石公路跨線橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m簡支T梁，下部結(jié)構(gòu)采用U形重力式橋臺，鉆孔樁基礎(chǔ)，0號橋臺樁基長度為38.5 m，1號橋臺樁基長度為36 m。本橋位于曲線上，曲線半徑為750 m，與線路中線呈45°斜交。橋臺錐坡采用7.5號漿砌片石鋪砌厚35 cm，錐坡填土與路基相同。

2.3 新建便橋

為了保證東繞城高速正常運營，擬在K18+805處新建1座鋼混組合梁便橋，以解決東繞城高速交通疏解問題，便橋道路等級為一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速60 km/h，單向三車道（3×3.5 m），荷載等級采用公路-Ⅰ級荷載。安石公路跨線中橋里程為GK18+775.42。新建便橋跨徑組合為1×30 m，便道橋臺采用重力式U形臺，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為1.5 m，樁長為45 m。橋梁全長43.913 m（含耳墻），橋面等寬15.7 m。橋下安石路路基寬度約為26 m，設(shè)計凈空為5 m。

3 計算工況

本次計算工況分為3個步驟：首先建立初始自重應(yīng)力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下已經(jīng)固結(jié)沉降完畢，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降完成的原狀土作為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。因此，在利用有限元計算各個施工過程對已有路基段與已有橋梁的影響時，若要達到天然土層的初始狀態(tài)，必須平衡初始地應(yīng)力，使土體模型中只存在初始應(yīng)力場，而不出現(xiàn)初始位移。模型中的首要階段為施工前，計算出土體在自重的作用下的位移場和應(yīng)力場，通過MIDAS GTS的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，并構(gòu)造初始應(yīng)力場，同時作為后續(xù)階段計算結(jié)果的參照。模型中計算的所有變形數(shù)值都是地層、結(jié)構(gòu)的最終變形值，不考慮時效作用。

4 東繞城高速保通便道施工模型計算

4.1 計算模型

樁臺、橋面、樁基均采用彈性本構(gòu)模型。鋼筋混凝土三維實體單元的自重是通過結(jié)構(gòu)重度與三維體積乘積所得，由于在MIDAS中無法對實體單元結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋進行建模，所以，對含有鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)比重進行修正，見表1。其中，樁基采用1D網(wǎng)格，并增加樁側(cè)與樁端單元模擬樁基的側(cè)摩阻與端阻力。各土層與結(jié)構(gòu)采用3D四面體網(wǎng)格劃分方法建立三維有限元模型，東繞城高速保通便道施工模型共計網(wǎng)格148 781個。

表1 計算單元及參數(shù)選取

4.2 計算結(jié)果

從計算結(jié)果分析可以看出，由于保通便道存在路基段填方，導(dǎo)致填方處地形存在較大幅度沉降，地面最大沉降值約為20 mm。已有路基在靠近保通便道處的最大沉降約為16 mm。由于沉降作用，已建路基最大橫向位移約為6.34 mm，Y向變形最大值約為1.31 mm。見表2。

表2 繞城高速保通便道施工模型計算結(jié)果匯總表

從樁基與上部橋墩變形來看，由于保通便道的沉降影響，導(dǎo)致最靠近便道處的樁基變形相對較大，X向最大值約為3.52 mm，Y向最大值約為0.9 mm，Z向沉降最大值約為6.2 mm。

從應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，樁基頂部所受軸向壓應(yīng)力最大，最大值約為3.7 MPa，小于樁基混凝土材料的容許壓應(yīng)力值為16 MPa。從橋墩的應(yīng)力結(jié)果可以看出，所受最大拉應(yīng)力約為0.35 MPa，最大壓應(yīng)力約為0.14 MPa，按混凝土材料容許拉應(yīng)力（1 MPa）控制，橋墩結(jié)構(gòu)數(shù)值計算結(jié)果安全。

5 三維仿真計算結(jié)論

1）由于新建路基段保通便道存在一定方量的土方回填，會使回填范圍處周邊土體發(fā)生一定程度的沉降，從而帶動了繞東城高速路基段發(fā)生沉降，路基土體也存在較小的拉應(yīng)力，路面可能會出現(xiàn)張拉裂縫，但不會產(chǎn)生垮塌，路基土體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，對東繞城高速的影響較小。

2）在整個施工過程中，跨安石公路右幅已有橋梁的橋面、橋臺、樁基計算結(jié)果的應(yīng)力、位移計算結(jié)果均滿足對結(jié)構(gòu)材料的拉、壓容許應(yīng)力的要求，故保通便道的修建對東繞城高速的影響較小。