吳開榮，向田一

（1.蘇交科集團(tuán)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(duì)路基開挖和填方施工對(duì)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(yùn)用Midas GTS軟件對(duì)基坑開挖過程對(duì)周邊建筑物的影響進(jìn)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(duì)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(duì)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(hù)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(duì)深基坑開挖基底進(jìn)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(huì)使周圍土體滑動(dòng)，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(yùn)用三維有限元軟件對(duì)基坑開挖和施工堆土對(duì)臨近建筑物的影響進(jìn)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(duì)臨近建筑物的影響越大。

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

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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(jī)碳土類。

基巖地層主要為寒武系下統(tǒng)滄浪鋪組砂巖?？辈靺^(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(xiàng)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)，鉆孔樁基礎(chǔ)，0號(hào)橋臺(tái)樁基長度為38.5 m，1號(hào)橋臺(tái)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(tái)錐坡采用7.5號(hào)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(yùn)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(jí)為一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，單向三車道（3×3.5 m），荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)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(tái)采用重力式U形臺(tái)，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(jì)凈空為5 m。

3 計(jì)算工況

本次計(jì)算工況分為3個(gè)步驟：首先建立初始自重應(yīng)力場。在實(shí)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(jì)算各個(gè)施工過程對(duì)已有路基段與已有橋梁的影響時(shí)，若要達(dá)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(jì)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(shí)作為后續(xù)階段計(jì)算結(jié)果的參照。模型中計(jì)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(shí)效作用。

4 東繞城高速保通便道施工模型計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

樁臺(tái)、橋面、樁基均采用彈性本構(gòu)模型。鋼筋混凝土三維實(shí)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(duì)實(shí)體單元結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋進(jìn)行建模，所以，對(duì)含有鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)比重進(jìn)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(jì)網(wǎng)格148 781個(gè)。

表1 計(jì)算單元及參數(shù)選取

4.2 計(jì)算結(jié)果

從計(jì)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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)算結(jié)果安全。

5 三維仿真計(jì)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(huì)使回填范圍處周邊土體發(fā)生一定程度的沉降，從而帶動(dòng)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(huì)出現(xiàn)張拉裂縫，但不會(huì)產(chǎn)生垮塌，路基土體整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)東繞城高速的影響較小。

2）在整個(gè)施工過程中，跨安石公路右幅已有橋梁的橋面、橋臺(tái)、樁基計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果均滿足對(duì)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(duì)東繞城高速的影響較小。