摘要：為分析橋墩岸坡開挖對(duì)某高速公路橋梁主墩沉井基礎(chǔ)變形的影響，文章采用Midas Civil和Midas GTS/NX數(shù)值模擬軟件，分別對(duì)不考慮岸坡開挖影響下上部荷載施加后的地基變形和岸坡開挖后的地基變形情況進(jìn)行了模擬分析。

關(guān)鍵詞：岸坡；特大橋；沉井基礎(chǔ)；變形位移

中圖分類號(hào)：U443.22 A 50 177 4

0 引言

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的公路工程建設(shè)得到了迅速的發(fā)展，公路采用橋梁的型式上跨已建或規(guī)劃建設(shè)中的公路、鐵路、航道、運(yùn)河等的現(xiàn)象也越來越普遍。橋梁基礎(chǔ)是將橋梁荷載傳遞到地基中的一種結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性對(duì)于橋梁而言是非常關(guān)鍵的，同時(shí)，橋梁基礎(chǔ)附近邊坡開挖會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。胡恒等［1］以地鐵鄰近深基坑工程為背景，通過數(shù)值模擬的方法，分析了基坑支護(hù)樁不同嵌固深度對(duì)鄰近地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響作用；張靜元等［2］通過采用 Midas-GTS 有限元模擬軟件，分析了路基開挖對(duì)高鐵高架橋橋墩和基礎(chǔ)的影響作用；王耀等［3］通過數(shù)值模擬對(duì)新建道路下穿高鐵橋梁的橋墩穩(wěn)定性影響進(jìn)行了研究；謝欽方［4］以新建礦山道路工程下穿某鐵路橋梁為例，采用了接觸非線形及材料非線形等計(jì)算手段，分析了道路施工前自身荷載、施工過程中道路施工荷載及道路運(yùn)營(yíng)過程中車輛荷載對(duì)橋墩基礎(chǔ)的位移影響。因此，分析邊坡開挖對(duì)橋墩基礎(chǔ)位移的影響對(duì)于評(píng)價(jià)橋梁穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

本文以某高速公路特大橋主橋?yàn)檠芯勘尘?，通過采用Midas Civil和Midas GTS/NX數(shù)值模擬軟件對(duì)岸坡開挖工況進(jìn)行模擬，以期分析岸坡開挖對(duì)主橋橋墩基礎(chǔ)變形的影響。

1 研究背景及研究區(qū)域工程地質(zhì)概況

某高速公路特大橋設(shè)計(jì)跨越規(guī)劃建設(shè)中的某運(yùn)河，設(shè)計(jì)橋梁起點(diǎn)樁號(hào)為K52+459.500，路基高程為96.873 m，終點(diǎn)樁號(hào)為K52+984.684，路基高程為100.948 m，全長(zhǎng)為525.184 m。如下頁圖1所示，主橋設(shè)計(jì)橋型為下承式鋼箱系桿拱橋，跨徑為260 m，設(shè)計(jì)主橋橋墩基礎(chǔ)坐落在規(guī)劃建設(shè)的運(yùn)河兩岸，主橋橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用沉井基礎(chǔ)。左、右岸沉井尺寸分別為25.4 m×18.0 m×20.0 m和25.4 m×18.0 m×17.0 m，設(shè)計(jì)左岸沉井頂、底標(biāo)高分別為55.0 m和35.0 m，設(shè)計(jì)右岸沉井頂、底標(biāo)高分別為55.0 m和38.0 m。同時(shí)，在左岸設(shè)置三排地下連續(xù)墻，寬度為58 m，深度分別為60 m、70 m、75 m，在右岸設(shè)置一排地下連續(xù)墻，寬度為58 m，深度為31 m。

橋址區(qū)屬侵蝕殘丘地貌，地形起伏較緩，地面高程為57.50～94.00 m，地形自然坡度為5°～40°，山體低緩，谷地大致呈北東-南西向發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，橋址場(chǎng)地主要覆蓋層有第四系人工填土（Qml），淤泥質(zhì)黏土（Q1），殘坡積層（Qel+dl），下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)（D1qn）硅質(zhì)巖、泥質(zhì)粉砂巖，薄層狀為主，受附近斷層影響，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎。

2 數(shù)值計(jì)算方法

為更好地反映沉井基礎(chǔ)的變形，真實(shí)反映實(shí)際工況，數(shù)值計(jì)算分兩個(gè)部分進(jìn)行：（1）在運(yùn)河岸坡開挖前，橋梁上部荷載施加后沉井的位移計(jì)算；（2）不考慮上部荷載施加過程中沉井基礎(chǔ)所產(chǎn)生的位移，只考慮岸坡開挖過程中沉井的位移計(jì)算，在數(shù)值計(jì)算過程中，在上部荷載施加完成后至岸坡開挖前，對(duì)模型位移進(jìn)行清零處理。將以上兩部分的位移結(jié)果進(jìn)行疊加，即得到沉井基礎(chǔ)變形總位移。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

采用Midas Civil軟件計(jì)算橋梁上部荷載施加后沉井基礎(chǔ)的豎向位移，建立的計(jì)算模型如圖2所示。計(jì)算中，主拱、橫撐采用梁?jiǎn)卧M，吊桿、系桿采用桁架單元模擬，主梁鋼結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬，主橋下構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M。

采用Midas GTS/NX軟件模擬計(jì)算運(yùn)河岸坡開挖后沉井基礎(chǔ)的位移，建立的計(jì)算模型如圖3所示。模型尺寸長(zhǎng)度、寬度均為沉井基礎(chǔ)的3～5倍，模型深度大于沉井基礎(chǔ)的5倍，模型邊界條件為底部采用固定約束，四周采用水平約束。土體、墩身及承臺(tái)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，地下連續(xù)墻采用板單元進(jìn)行模擬。

2.2 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)的選取

為較好地刻畫土體的力學(xué)行為，避免采用摩爾-庫侖模型所導(dǎo)致的岸坡開挖卸荷后坑底隆起過大，模型中巖土層均采用修正摩爾-庫侖模型進(jìn)行模擬，其他結(jié)構(gòu)物采用彈性模型進(jìn)行模擬。計(jì)算參數(shù)見表1。

3 橋梁橋墩基礎(chǔ)變位限值的確定

通過分析基礎(chǔ)水平變位、豎向沉降變位對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，以此確定橋梁基礎(chǔ)變位的限值。計(jì)算工況包括：水平變位1～10 cm（間隔1 cm）、不均勻沉降1～10 cm（間隔1 cm）、沉降限值+水平變位1～10 cm（間隔1 cm），共計(jì)30個(gè)工況。經(jīng)計(jì)算分析，最終確定主橋橋墩沉井基礎(chǔ)水平向位移限值為50 mm，豎向位移限值為50 mm。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

在運(yùn)河岸坡開挖前，左岸沉井基礎(chǔ)在上部荷載施加后，由于作用在沉井上的荷載為豎直荷載，引起的沉井基礎(chǔ)位移主要為豎向，水平向位移為零。根據(jù)規(guī)范要求［5］，通過計(jì)算，確定的左、右岸沉井基礎(chǔ)豎向位移分別為48 mm和22 mm。

不考慮上部荷載施加過程中沉井基礎(chǔ)所產(chǎn)生的位移，只考慮岸坡開挖過程中沉井的位移，左、右岸沉井基礎(chǔ)水平向及豎向位移計(jì)算結(jié)果見表2。

分析表2中的數(shù)據(jù)可以看出，岸坡開挖會(huì)導(dǎo)致沉井基礎(chǔ)變形增大。對(duì)于左、右岸沉井基礎(chǔ)，當(dāng)不考慮岸坡開挖時(shí)，水平向和豎向變形位移均滿足位移限值；當(dāng)考慮岸坡開挖時(shí)，對(duì)于左岸沉井基礎(chǔ)，水平向總變形位移小于位移限值，但豎向總變形位移大于位移限值，不滿足橋梁受力要求；對(duì)于右岸沉井基礎(chǔ)，水平向、豎向總變形位移均小于位移限值，滿足橋梁受力要求。

5 左岸沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化調(diào)整

基于以上數(shù)值模擬分析結(jié)果，對(duì)左岸沉井基礎(chǔ)提出兩種加深方案：（1）沉井基礎(chǔ)深度加深至24 m；（2）沉井基礎(chǔ)深度加深至28 m。

在運(yùn)河岸坡開挖前，左岸沉井基礎(chǔ)在上部荷載施加后，方案1中沉井基礎(chǔ)豎向位移為4.0 mm，方案2中沉井基礎(chǔ)豎向位移為0.3 mm。

不考慮上部荷載施加過程中沉井基礎(chǔ)所產(chǎn)生的位移，只考慮岸坡開挖過程中沉井基礎(chǔ)的位移，對(duì)以上兩種方案進(jìn)行計(jì)算，得到左岸沉井基礎(chǔ)位移統(tǒng)計(jì)情況見表3。

分析表3中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著沉井基礎(chǔ)深度的增加，沉井基礎(chǔ)變形減小。方案1條件下，沉井基礎(chǔ)豎向總變形位移為54.5 mm，大于位移限值，不滿足橋梁受力要求；方案2條件下，沉井基礎(chǔ)水平向和豎向總變形位移分別為19.1 mm和21.5 mm，均在位移限值范圍內(nèi)，滿足橋梁受力要求。

6 結(jié)語

本文通過采用數(shù)值計(jì)算軟件模擬分析了橋墩岸坡開挖對(duì)橋梁主墩沉井基礎(chǔ)變形的影響，得出以下結(jié)論：

（1）通過分析基礎(chǔ)水平變位、豎向變位對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，最終確定主橋主墩沉井基礎(chǔ)豎向位移限值為50 mm，水平位移限值為50 mm。

（2）岸坡開挖會(huì)導(dǎo)致沉井基礎(chǔ)變形增大，對(duì)于左、右岸沉井基礎(chǔ)，當(dāng)不考慮岸坡開挖時(shí)，水平向和豎向變形位移均滿足位移限值。

（3）當(dāng)考慮岸坡開挖時(shí)，左岸沉井基礎(chǔ)水平和豎向總變形位移分別為36.8 mm和100.8 mm，水平向總變形位移滿足基礎(chǔ)位移限值，豎向總變形位移不滿足位移限值；右岸沉井基礎(chǔ)水平和豎向總變形位移分別為22.2 mm和28.2 mm，水平向和豎向總變形位移均滿足位移限值要求。

（4）當(dāng)左岸沉井基礎(chǔ)加深至28 m后，沉井基礎(chǔ)水平向和豎向總變形位移分別為19.1 mm和21.5 mm，水平向和豎向總變形位移均滿足位移限值要求。

參考文獻(xiàn)

［1］胡 恒，朱厚喜，賈立宏.基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（增刊1）：116-119.

［2］張靜元，馬科萌.路基開挖對(duì)高鐵高架橋橋墩和基礎(chǔ)的影響［J］.中外公路，2015，35（1）：18-22.

［3］王 耀，湯彬彬，賈 羽.新建道路下穿高鐵橋梁對(duì)橋墩穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究［J］.地基處理，2022，4（3）：248-256.

［4］謝欽方.新建公路下穿某鐵路橋梁基礎(chǔ)位移分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2013（增1）：11-13.

［5］JTG 3363-2019，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

收稿日期：2022-12-12