某城市地道深基坑开挖对桥桩影响有限元分析

宋欢艺

(广州市市政工程设计研究总院　广东广州　510060)



某城市地道深基坑开挖对桥桩影响有限元分析

宋欢艺

(广州市市政工程设计研究总院广东广州510060)

在城市高架下建设下穿地道，须评估地道基坑开挖对已建高架桥梁结构产生的不利影响。为评估桥梁结构的安全提供可靠依据，和今后类似工程问题的处理提供相关经验，文章通过有限元分析软件，建立三维模型，分别模拟各个开挖工况，得出基坑开挖时桥梁桩基承台的侧向变形和附加内力。

基坑开挖;有限元;下穿地道;跨线桥

0　引言

广东省佛山市某城市下穿地道工程，位于佛山市南海区大沥镇盐步片区。现状交叉节点为佛山一环主线高架桥跨越广佛新干线，新建地道为沿广佛新干线下穿佛山一环高架桥底。下穿地道采用单箱双室钢筋混凝土结构，总宽度为28.9m，明挖施工。地道穿越处佛山一环主线高架桥分左右两幅，简支T梁结构，跨径42m，桥下净空约6m，两侧桥墩承台之间的净距离35.8m，承台高2.25m。每个承台下设4根Φ1500的钻孔灌注桩，桩均为嵌岩桩，桩底进入岩层13.8m，包含强风化岩2.4m，中风化岩9.9m，微风化岩1.5m。基坑开挖边线距离佛山一环桥墩约3.45m，基坑开挖最深处约13.5m。为保证佛山一环高架桥的正常运营安全，须评估地道基坑开挖对已建高架桥梁结构产生的不利影响。

图1　基坑总体平面布置图(mm)

图2　基坑支护设计剖面图(mm)

1　工程地质条件

图1为该工程地道总体平面布置图，图2为该工程基础支护设计剖面图。根据钻孔揭露，本场地区岩土层按成因可划分为：①素填土层、②1淤泥质土层、②2粉砂层、②3中砂层、②4淤质粉砂层、②5粉质粘土层、②6中砂层、③残积土层、④1强风化岩层、④2中风化岩层、④3微风化岩层。

地下水主要靠地下水循环补给，其次靠大气降水渗入补给及附近地表水体向下渗入补给。本场地地下水位埋深为1.32～2.70m，水位高程1.17～1.55m。

土(岩)层的主要物理性质指标见表1。

表1　土(岩)层的主要物理性质指标

注: fak为地基承载力特征值，Es为压缩模量。

2　基坑围护方案及有限元分析

2.1基坑围护方案

一环桥墩段地道基坑两侧采用Φ1 200钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕围护结构，第一道支撑为800×800mm钢筋混凝土支撑；第二、三、四道支撑为Φ609×16mm钢管支撑。在一环桥下段基坑内部应进行高压旋喷桩坑底满堂加固，加固厚度为3m，水泥含量可试验确定，以砂土形成硬化整体结构为宜，且水泥含量不宜小于35%。在桥梁承台周围采用高压旋喷桩进行土体加固，地面层设30cm厚钢筋混凝土板，板内设置U型钢筋插入加固后土体。

2.2基坑开挖有限元分析

采用Midas-GTS软件建立基坑开挖及桥梁桩基承台三维模型[1,2]，模拟各个开挖工况，得出基坑开挖时桥梁桩基承台的侧向变形和附加内力[3](包括弯矩、剪力、轴力)，为评估桥梁结构的安全提供可靠依据。

2.2.1模型信息

基坑挖深最大为13.5m，根据圣维南原理，取3～5倍基坑开挖深度范围为收敛区域，建立分析模型。模型沿地道基坑横向(X向)为230m，沿纵向(Y向)为300m。模型上表面为现状地面，考虑到围护桩入土深度为20.8m、基坑周边桥桩最大长度为41m，且下部土体主要为强～中风化岩层，取模型底面至上表面高度(Z向)为60m。整体三维模型尺寸(X×Y×Z)为230m×300m×60m，基坑开挖深度统一取为13.5m。模型总体坐标以向上为Z轴正向，沿地道基坑横向为X轴正向，沿地道基坑纵向为Y轴正向。

模型中，内支撑、钻孔灌注桩、跨线桥承台及桥桩均按各向同性材料考虑；土体按理想弹塑性体考虑，选用德鲁克-普拉格屈服准则。因止水桩与围护桩刚度相差较大，计算过程中不考虑其抗弯性，将其作为安全储备。

模型未考虑钻孔灌注桩与土体之间的摩擦，统一等效为采用1.0m厚的地下连续墙模拟；基坑内支撑、冠梁、腰梁及桥桩采用梁单元模拟，通过单元的“激活、钝化”实现土体开挖、结构施作等施工过程。施工过程中考虑20kPa的地表均布超载作用。桥桩及基坑处三维模型网格划分如图3所示。

图3　桥桩及基坑处网格划分图

(1)位移边界条件

地表为自由边界条件；模型横向(X向)位移限制为零，其它方向自由；模型底部边界的竖向(Z)位移限制为零，其它方向自由。

(2)模拟计算工况

工况1：土体初始应力场计算，位移清零；

工况2：施工围护结构桩、坑底以下高压旋喷桩满堂加固，位移清零；

工况3：开挖基坑内土体1m，并施加第一道混凝土支撑、冠梁及冠梁加宽段至桥桩承台；

工况4：开挖坑内土体至距地表4.3m处，施作第二道腰梁和第二道钢支撑；

工况5：开挖坑内土体至距地表7.5m处，施作第三道腰梁和第三道钢支撑；

工况6：开挖坑内土体至距地表10.5m处，施作第四道腰梁和第四道钢支撑；

工况7：开挖坑内土体至距地表13.5m处；

工况8：施工地道主体结构底板；

工况9：依次拆除第四道、第三道钢支撑；

工况10：施工地道主体结构侧墙、顶板。

在各工况连续计算中，位移和应力逐次累加，上一工况的位移和应力将作为下一工况的初始应力和位移状态。

2.2.2结果分析

基坑开挖卸载、结构加载等行为均会造成周边土体位移场和应力场的改变，这种变化会使包裹在地道周边土层中的既有桥桩结构产生侧向变形和附加内力(包括弯矩、剪力、轴力)。桥桩侧向变形如图4所示，桥桩附加弯矩如图5所示，桥桩附加剪力如图6所示，桥桩附加轴力如图7所示。

图5　桥桩附加弯矩图

图6　桥桩附加剪力图

图7　桥桩附加轴力图

由计算可知，桥桩结构最大侧向变形及内力随基坑开挖深度的增大而增大。在拆除第四道、第三道钢支撑后，变形及内力达到最大值。桥桩结构最大侧向变形在距桩顶6.3m处，为2.73mm。附加弯矩最大值为464kN.m，附加剪力最大值为132kN，附加轴力最大值为-1870kN。

3　结语

通过基坑开挖三维模型有限元分析，得出基坑开挖时桥梁桩基承台的侧向变形和附加内力，为评估桥梁结构的安全提供可靠依据。解决了新建城市地道与城市已建高桥相交节点处的地道深基坑开挖对已建桥梁的影响分析问题，可为今后类似工程问题的处理提供相关经验。

[1]王艳芳,范明桥,周密.明挖地铁车站深基坑有限元分析与模拟[J].现代交通技术,2010,12:72-75.

[2]齐平魏,翠玲,顾志强.基坑有限元模拟及桩水平位移的影响分析[J].路基工程,2009,1:138-139.

[3]赵光辉,彭昊,高博.基于ANSYS 的某软土基坑有限元分析[J].山西建筑,2012,6:83-84.

The Finite Element Analysis of Effects of Bridge Pile Under Deep Foundation Excavation of an Underpass Tunnel

SONG Huanyi

(Guangzhou Municipal Engineering Design &Research Institute,Guangzhou 510060)

The adverse effects of deep foundation excavation of an underpass tunnel under Overpass Bridge should be evaluated.The three-dimensional model is established by finite element analysis software.Every excavation conditions are simulated to for lateral deformation and additional internal force of bridge pile cap.Reliable basis is provided safety assessment of bridge structure.Some experiences are provided for similar projects.

Deep foundation excavation;Finite element;Underpass tunnel;Overpass bridge

宋欢艺(1984.12-)，男，一级注册结构工程师。

E-mail:253380530@qq.com

2016-03-03

TU452

A

1004-6135(2016)05-0089-03