软弱土层河道开挖对群桩影响及数值模拟
2021-01-06钟悦鹏彭孝旺熊山铭
钟悦鹏，彭孝旺，熊山铭
(1.江西省赣南公路勘察设计院, 江西 赣州 341000；2.赣州交通控股集团有限公司, 江西 赣州 341000)
0 引 言
河道开挖与基坑开挖类似，也会造成地表土层卸载，土层的回弹会给所在结构的安全性与可靠性造成不良影响[1-3]。对于桥梁底部的群桩结构，河道开挖可能会造成桩基偏移与上浮，从而导致桥台及上部结构出现问题。
对于类似施工场景，已经有相关研究者做了一些研究。冯印[4]针对新沟河新开河道对沪宁城际高铁桥梁的安全影响通过有限元定量数值分析，研究了河道开挖带来的桥台附加位移。才多[5]利用Bently平台下的Power GeoPak软件以上海松江区洞泾港华阳湖的开挖为例，研究了河道开挖卸载给桥台带来的影响。倪恒[6]等以浙江省嘉兴市一高铁段邻近施工工程为背景，研究河道开挖、弃土堆载对桥墩和承台的竖向位移、横向位移的影响。李娟[7]结合长临高速旧县2号特大桥工程实况，分析了河道开挖对桥墩的影响。
已有的研究大多集中于河道开挖对桥墩与桥台带来的影响，事实上桥墩与桥台的变形是由于桥梁群桩位移的变化带来的[8-9]。本文采用有限元软件Midas/GTS NX建立了三维模型，分析了不同加固措施在河道开挖过程中对桥梁群桩位移与内力带来的影响。
1 工程概况
某高速公路设计速度为120 km·h-1，总宽度为26 m，在通过淤泥质地层的时候采用桥梁施工，运行期间该段高速公路线路平顺。后来因为城市建设，在桥梁底部37#墩与39#墩之间需要开挖1条河道。为了减小河道开挖对桥梁群桩的影响，防止桩基偏移，开挖过程中需要对桥梁群桩周边进行加固，采用高压旋喷桩加固河道两侧桥梁墩台，采用袖阀管注浆及钢板桩加固河道中部桥梁墩台，如图1所示。
图1 桥梁底部群桩加固处理
河道开挖采用分块与分步法，对桥梁投影河道部分划分为6个部分，如图2所示。先开挖桥梁投影河道部分，后开挖河道开挖投影之外的部分。桥梁37#墩左右两侧划分为2个区域(区域一、区域二)，38#墩左右两侧划分为2个区域(区域三、区域四)，39#墩左右两侧划分为2个区域(区域无、区域六)。开挖施工时桥墩两侧开挖高差不得大于50 cm，以免土压力对桥墩造成破坏。桥梁群桩加固现场如图3所示。
图2 桥梁投影河道部分划分
图3 桥梁群桩加固现场
2 数值模拟
为了分析河道开挖对桥梁群桩的位移与内力带来的影响，本文采用大型有限元软件Midas/GTS NX建立了全尺寸的三维数值模型进行分析，根据地勘报告与桩基测试报告，文中采用的地层参数与桩基参数见表1、2。所有土层均遵守Mohr-Coulomb屈服准则，其中主要参数为土层的弹性模量，黏聚力与内摩擦角，其余材料均为理想线弹性体。采用软件自带的混合网格生成器将所有材料划分为六面体网格，地层、注浆体、桥台与桥墩等均采用实体单元模拟，所有桥梁群桩与高压旋喷桩均采用桩单元模拟，模型边界为静力学开挖常用的自动约束边界，模型荷载仅考虑重力，每个区域的开挖划分为8层，第1步进行位移清零，即后续只计算河道开挖带来的位移场与应力场变化。整个模型长123 m，宽68 m，高34 m，共有24 655个节点，51 170个单元，整体网络划分与细部结构如图4所示。
表1 地层与相关材料计算参数
表2 桩界面计算参数
图4 模型整体网络划分与细部结构
3 计算结果
河道中间桥梁群桩采用袖阀管注浆及钢板桩加固，河道两侧的桥梁群桩采用高压旋喷桩加固。为了分析这2种加固方式的不同效果，在河道中间群桩上与右侧群桩上分别设置1个采样点。
4.1 群桩位移分析
在河道开挖过程中，群桩上采样点的水平(X)与竖直位移(Z)的变化曲线如图5所示，河道开挖完成后桥梁墩台与群桩位移云图如图6所示。
图5 群桩位移随着开挖步骤变化
图6 河道开挖完成后桥梁墩台与群桩位移云图
图7 河道开挖完成后桥梁群桩内力云图
由图5可知，对于中间群桩，在开挖河道投影部分过程中，群桩水平位移几乎保持不变，竖直方向出现了群桩上浮现象，且竖直方向位移缓慢增加，在开挖河道投影之外部分过程中，群桩呈现了偏向开挖方向的水平位移，此时群桩的竖直位移迅速增加；对于右侧群桩，类似的是，在开挖河道投影部分过程中，群桩水平位移几乎保持不变，群桩竖直位移缓慢增加，然而在开挖河道投影之外部分的过程中，群桩水平位移先增加后减小，呈现出了一个倒“V”形结构，群桩竖直位移依然是缓慢地增加。由图6可知，河道开挖完成后，中间群桩依然呈现出了较大的水平位移与竖直位移，右侧群桩水平位移几乎为零，竖直位移小于中间群桩，桥梁墩台最大水平位移为0.82 cm，最大竖直位移为1.76 cm。
4.2 群桩内力分析
在河道开挖完成后，桥梁群桩内力云图如图7所示。由图7可知，两侧群桩轴力较大，中间群桩轴力较小，最大轴力为708 kN，出现在右侧群桩，两侧群桩弯矩较小，因此在河道开挖的完后，两侧群桩是处于对称压力作用下的，而右侧群桩水平位移几乎为零，这一点是统一的。而中间群桩受到了偏向开挖方向的弯矩的作用，最大弯矩为10.84 kN·m，这一点与中间群桩最大水平位移偏向开挖方向表现一致。
4 结 语
本文采用数值模拟的方法，依据已有的施工方案，建立三维模型分析了河道开挖对桥梁群桩的影响，主要结论如下。
(1)在袖阀管注浆及钢板桩加固后，桥梁群桩的水平位移与弯矩均偏向河道开挖方向，而轴力较小，竖直位移相对较大。
(2)在高压旋喷桩加固后，桥梁群桩的水平位移与弯矩几乎为零，轴力较大，而竖直位移相对较小。
(3)对于软弱土层河道开挖，为了减小对群桩的影响，袖阀管注浆及钢板桩加固或高压旋喷桩加固后采用分块分步开挖均能取得较好地效果。
