桥梁桩基受邻近开挖影响的数值模拟研究

姚 竞 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

有限的地面空间日渐无法满足人类交通建设工程和城市建筑事业不断发展壮大的需求，人们开始寻求向地下和高空的发展空间。当邻近有基坑开挖时的建筑、道路桥梁等的桩基础将不同程度地会受到土层变动的影响而产生不良响应，由此而引发的工程事故越来越多，越来越得到工程界的重视。本文着眼于桥梁桩基受邻近基坑开挖的影响，利用FLAC3D建立了实际工程的三维仿真模型，主要考察了桥梁桩基在邻近基坑放坡明挖情况下的偏位情况和内力（弯矩）变化规律。

1 工程背景

背景工程是某船闸扩建工程，由节制闸、船闸及鱼道等组成，包括节制闸和船闸互通公路桥两部分。其中，公路桥采用钻孔灌注桩基础，墩、台基桩均按摩擦桩进行设计。

闸址区属长江及其支流冲积平原区，根据地表测绘和钻孔揭露，其各层土体参数见表1。

求解区域内各层土体参数 表1

2 数值模拟分析

2.1 计算网格

图1 邻近桥桩的基坑开挖现场

图2 计算模型网格图

图3 各步开挖完成后的桥桩位移图

图4 差异水平位移图

模型几何尺寸为90m×32m×70m，见图2，包括19680个单元、22185个单元节点。

图5 差异沉降图

图6 全部开挖完成后的桥桩弯矩图

图7 全部开挖完成后的桥桩剪力图

2.2 基坑分步开挖的模拟

为了更贴近实际工况，并减小大量土体瞬间卸荷对地层的扰动，采用model null命令共分5步、每步2m深完成对总深度为10m的开挖工作的模拟。在初始平衡求解后分别对各步开挖执行求解，最终经过32791的循环计算步达到了收敛标准而结束计算。

2.3 计算结果分析

2.3.1 桥桩的位移

由图3可以发现：桥桩最大位移的发生部位随开挖推进逐渐沿桩身下移，最大位移为14.17cm，发生在桩顶以下约32m处。其中，第二步和第四步，即地表以下2m~4m及6~8m范围土层的开挖完成后，桥桩位移较上一步显著增大。

由于桥桩顶部设有系梁，使得两根桥桩的差异位移同样不容忽视。由图4、图5可以看出：最大差异水平位移在第三步开挖完成后达到最大值，为7.45mm；差异沉降值则较为可观，最大为24.23mm，发生在第四步开挖后，可能引起桩顶系梁的剪切破坏，应引起足够的重视。

2.3.2 桥桩的弯矩

分析图6可得知：

①桩身同时分布着正弯矩和负弯矩，桩身某些部位存在反弯点（即此处弯矩为0）。至全部开挖完成，正弯矩达到最大值3134kN·m（抗弯验算强度值为3671kN·m），发生在桩顶以下约32m深处，与上文计算得出的桩基最大位移的位置一致。其中，正弯矩（即图中黑色阴影所显示部分）表示桩体向基坑内侧翘曲。

②两根桩基的弯矩相差不大，分布形式、变化趋势以及反弯点位置等都大体一致。但从数值上看，无论正弯矩还是负弯矩，图中左侧（即远离基坑侧）桩基都要稍小于右侧桩基。分析认为，这是近基坑侧桩基的存在对其背侧土体起到了一定的支挡围护作用。

2.3.3 桥桩的剪力

分析图7可以看出：

①左、右两侧两根基桩的剪力大小、方向及其随开挖推进的变化趋势都基本相同。剪力沿桩身呈正、负交替变化的复杂形态，说明桩基在桩身中部附近土体主动土压力和桩底周围土体嵌固围护的共同作用下，处于一种近似双向受剪的受力状态。

②至全部开挖完成，最终的剪力沿桩身向下呈糖葫芦状分布，正负剪力的最大值分别出现在桩顶以下15.5m和桩底以上5m的位置，在这些部位都应加强对箍筋的配置，以提高桩基抗剪能力。

3 结论与建议

①桥桩偏位以水平位移为主，最大位移的发生部位随着开挖步数的推进逐渐沿桩身下移，至开挖全部完成后，在桩身中部靠下部位（桩顶以下32m）出现最大值，为14.17cm。其中，第二和第四层，即地表以下2m~4m及6m~8m范围土层的开挖完成后，桥桩位移较上一步显著增大。建议在这两层土体的开挖时，实施更细致的分层分块开挖方案，以减少开挖对桥桩位移的影响，如将原来2m深的开挖深度再细分为2层、3层或更多层进行开挖，每层再进行分块开挖。

②桩顶差异沉降相对于差异水平位移始终处于较高水平，最大为24.23mm，可能引起桩顶系梁的剪切破坏，发生在地表以下6m~8m土层的开挖过程中，建议在该步施工前后采取相应的针对桩顶系梁的保护或加固措施。

③最大弯矩值为3134kN·m，发生在桩顶以下约32m处，接近抗弯验算强度值为3671kN·m，此处为桩体内的一个相对薄弱的位置。此外，剪力沿桩身呈糖葫芦状分布，在桩顶以下15.5m和桩底以上5m的位置分别达到最大值，这两处也为桩基的薄弱位置。在设计时应注意对桩基这些薄弱位置进行抗弯和抗剪验算，根据需要决定是否增加箍筋和抗弯钢筋的配置。

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