管桩施工对堤防稳定的影响分析

林悦奇，杨文滨，张旭辉

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省大坝安全技术管理中心，广东 广州 510635)

因广州市轨道交通十一号线大塘站施工需要，需临时占用新滘中路整幅机动车道及中央绿化带，为配合交通疏解，需在北侧搭建临时钢便桥跨越大塘涌，但不拆除原桥梁，满足施工期间新滘中路双向八车道及人行道通行。拟建钢便桥设计使用年限3.5a，跨径为2跨14m+14m。拟建工程设计防洪标准为20a一遇，所在大塘涌规划防洪标准为20a一遇。

管桩施工过程中产生的挤土效应和振动对堤防结构稳定产生影响，挤土效应使得土的水平应力增大，超空隙水压力急剧变化，破坏堤防土体原有的结构;振动效应会降低土体的抗剪强度，使得原土体的被动抗力减小，容易出现沉降变形等破坏[1-5]。而管桩施工是一个动态过程，如采用三维有限元动态模拟施工过程，建模及计算工作耗时大，任务繁重[6]。现将动态施工过程中的施工荷载简化，用静力代替施工荷载，均匀施加到各土层中，求得施工过程中堤防的稳定系数，可为同类工程提供参考。

1 计算方法

根据水文计算成果，确定钢便桥所在河涌断面的特征水位，进行有限元平面二维渗流场求解，在渗流计算结果基础上进行土堤坡面稳定计算。求得堤坝未施工前的稳定系数。施工过程中，将管桩施工时候的荷载以竖向均布荷载的形式施加在各岩土层，求得施工过程中堤防的稳定系数。施工后，把便桥的车辆荷载及桥梁自重荷载叠加在堤顶的桩承台上，模拟施工后土堤受力情况，再进行渗流稳定求解计算。

平面二维渗流方程：

(1)

式中，H—总水头，m；kx—x方向渗透系数，m/s；ky—y方向渗透系数，m/s；Q—应用边界渗流量，m3/d；θ—土体储水变化率；t—时间，s。

等式右端为土体储水变化率，该方式适用于瞬态分析；令等式右端等于0，即土体储水不变时，即为稳态分析。

稳定计算土层强度采用Mohr-coulomb准则，根据GB50286-2013《堤防工程设计规范》，土堤边坡抗滑稳定采用简化毕肖普法求解[7]，滑移面采用自动搜索最危险滑弧的方式计算确定。简化毕肖普计算公式如下：

K=∑{[(W±V)secα-ubsecα]tanφ+cbsecα}/(1+tanαtanφ/K)/∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(2)

式中，W—土条重量，kN；V—垂直地震惯性力，kN；u—作用于土条地面额空隙压力，kN/m2；b—土条宽度，m；c—土条地面的有效凝聚力，kN/m2；ψ—有效内摩擦角，°；Mc—水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R—圆弧半径，m。

图1 钢便桥剖面图

2 计算模型及参数

钢便桥剖面图如图1所示。根据已有的地质勘察资料，建立右岸、左岸的地层模型，右岸施工前、施工过程中、施工后计算模型如图2～4所示。利用水文计算成果，考虑了枯水期(低水位)和20a一遇洪水位(高水位)的影响，针对临时钢便桥下部结构钢管桩距离堤岸迎水坡的稳定影响进行分析。广州位于珠三角河网发达地区，地下水资源丰富，当遭遇20a一遇洪水位时，堤后水位取地面以下1m，枯水期时，堤后水位取地面以下2m计算。荷载按桥墩钢管桩长沿竖直方向均匀分布进行加载，模拟钢管桩施工时、施工过程中及施工后对堤防稳定安全的影响。

图2 右岸施工前计算模型

图3 右岸施工过程中计算模型

图4 右岸施工后计算模型

根据本区域地质钻孔揭露的土层主要有杂填土、淤泥质粉细砂、粉质粘土、强风化粉砂岩及中风化粉砂岩。各岩土层物理力学计算参数取值见表1。

根据JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》，钢便桥为4级公路，单跨长度为14m，宽30.5m，车辆集中荷载Pk=236kN，车辆均布荷载为qx=10.5kN。施工过程中的静力均布荷载F=237.36kN，荷载按桥墩钢管桩的长度沿竖直方向均匀分布进行加载，模拟钢管桩施工时对堤防稳定安全的影响。施工后将桥梁自重车辆集中荷载及均布荷载的一半作用到桩基承台上，模拟完工后对堤防稳定安全的影响。复核工况如下：

工况一：施工前，枯水期左、右两岸堤防抗滑稳定安全复核。

工况二：施工过程中，枯水期左、右两岸堤防抗滑稳定安全复核。

工况三：施工后，枯水期左、右两岸堤防抗滑稳定安全复核。

工况四：施工前，遭遇P=5%洪水时，左、右两岸堤防抗滑稳定安全复核。

工况五：施工过程中，遭遇P=5%洪水时，左、右两岸堤防抗滑稳定安全复核。

工况六：施工后，遭遇P=5%洪水时，左、右两岸堤防抗滑稳定安全复核。

3 计算结果分析

根据地勘及测量数据按1∶100进行有限元分析模型建模，结合水文计算结果，将相应的边界水位条件附加到模型中，先进行二维渗流场求解计算，再进行堤防稳定计算。右岸计算结果云图详见图5～12，左岸计算云图不再列出，结果详见表2。

图6 右岸枯水期施工前抗滑稳定安全系数

图7 右岸枯水期施工过程中抗滑稳定安全系数

图8 右岸枯水期施工后抗滑稳定安全系数

图9 右岸P=5%二维渗流场计算结果

图10 右岸P=5%施工前抗滑稳定安全系数

图11 右岸P=5%施工过程中抗滑稳定安全系数

图12 右岸P=5%施工后抗滑稳定安全系数

根据拟定的工况有限元渗流稳定计算结果，汇总整理见表2。

表2 渗流稳定计算成果

4 结论与建议

4.1 结论

便桥施工前，左岸枯水期抗滑稳定安全系数K为1.423，右岸枯水期安全系数K为1.486；左岸P为5%抗滑稳定安全系数K为1.873，右岸P为5%抗滑稳定安全系数K为2.047。便桥施工过程中，左岸枯水期抗滑稳定安全系数K为1.257、较施工前下降11.67%，右岸枯水期安全系数K为1.267、较施工前下降14.74%；左岸P为5%抗滑稳定安全系数K为1.483，较施工前下降20.82%，右岸P为5%抗滑稳定安全系数K为1.624，较施工前下降20.66%。便桥施工后，左岸枯水期抗滑稳定安全系数K为2.086，右岸枯水期安全系数K为1.936；左岸P为5%抗滑稳定安全系数K为2.529，右岸P为5%抗滑稳定安全系数K为2.323。

根据GB50286-2013《堤防工程设计规范》，4级堤防采用简化毕肖普法计算时，其抗滑稳定安全系数不应小于1.25。钢便桥施工过程中，堤防在拟定工况下抗滑稳定安全系数有一定下降，但堤防抗滑稳定安全系数仍满足规范要求。

拟建工程施工过程中，左右岸大堤迎水坡的抗滑稳定安全系数略有降低，但是各工况下的抗滑安全系数均大于规范规定的允许安全系数，满足《堤防工程设计规范》要求，施工后钢管桩基础对大堤稳定性产生有利影响。因此，拟建工程的建设不会危及堤防安全。

4.2 建议

施工过程中堤防安全系数有一定下降，管桩施工时应加强对施工区域观测。对施工区域内水位变化情况、土体垂直方向和水平方向的变形情况进行观测，减小施工过程由挤土效应对堤防结构的不利影响，合理设置振动观测点，进行信息化施工，并根据监测结果指导施工。优化管桩施工工期，控制压桩速率和时间，使施工区域内土层应力得到有效释放，减小对堤防土体的扰动。