城市道路桥梁跨越输水箱涵模拟分析

齐亚静

随着城市的建设发展，城市道路不断增加，与之交叉的各种管线跨越工程随之增加，对管线的安全维护造成影响，特别是城市不可或缺的大型输水箱涵，城市道路大多采用桥梁形式跨越，如何满足城市发展建设的需要，同时又保证管线工程的安全，成为必须解决的紧要问题。

由于土体具有弹塑性的特点，很难计算管线与跨越工程之间的相互影响，随着计算机图形处理和分析技术的进步，有限元分析计算方法可以很好地解决这一问题。

MidasGTSNX是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，不仅支持线性/非线性静力分析、线性/非线性动态分析、渗流和固结分析、边坡稳定分析、施工阶段分析等多种分析类型，而且可进行渗流—应力耦合、应力—边坡耦合、渗流—边坡耦合、非线性动力分析-边坡耦合等多种耦合分析。广泛适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析。

1.计算模型及参数选取

城市道路桥梁跨越输水箱涵采用一跨40m，梁高1.2m，左右幅桥宽均12.5m，桥下净空约2m，这样既可减小跨越工程对箱涵的影响，又可为箱涵检修开挖预留空间，桥梁下部结构采用一字型桥台，钻孔灌注桩基础，桩基直径1.2m，桩长43m；为保证箱涵检修开挖时的安全，在灌注桩与箱涵之间设防护桩，桩径1.0m，防护桩间距1.2m，桩长24m，桩顶设置冠梁，确保防护桩的整体性，防护桩成U型布置，防护桩与箱涵外侧边缘净距8m。

箱涵型式为3孔4.4m×4.4m输水箱涵，总宽度为15.30m，高度为5.6m，箱涵顶部距离地面3m。

为模拟桥梁和防护桩对箱涵的影响，采用MidasGTSNX岩土有限元分析软件建立3D立体应变有限元数值模型，土体本构模型采用修正莫尔-库伦模型，修正莫尔-库伦模型是对莫尔-库伦模型的改进，可以模拟基于幂函数的非线性弹性和弹塑性模型的组合行为，模型中通过分别定义加载弹性模量和卸载弹性模量，优化因开挖(移除荷载)导致的地面隆起现象。另外还可以通过不抗滑剪切承载力相关的等效塑性应变定义剪切硬化，当土体发生剪切硬化时，求解器会重新计算剪胀角，剪切屈服面会扩张到莫尔-库伦的破坏面，以此来有效模拟土体的剪切硬化效应。箱涵、防护桩、桥墩桩基、桥墩、桥梁按弹性材料进行考虑。

根据地勘资料，各土体材料参数依次为：alQ43壤土，容重取19.4kN/m3，黏聚力取25Kpa，内摩擦角取16.5°，压缩模量取5Mpa；alQ43砂壤土，容重取18.8kN/m3，黏聚力取9Kpa，内摩擦角取27.9°，压缩模量取5Mpa；alQ42粉砂，容重取17.9kN/m3，黏聚力取0Kpa，内摩擦角取26°，压缩模量取6Mpa；alQ42壤土，容重取19.6kN/m3，黏聚力取18Kpa，内摩擦角取19.5°，压缩模量取5.82Mpa；alQ42细砂，容重取19.4kN/m3，黏聚力取0Kpa，内摩擦角取27°，压缩模量取9Mpa；alQ42中砂，容重取19kN/m3，黏聚力取0Kpa，内摩擦角取28°，压缩模量取9.5Mpa；alQ41壤土，容重取19.9KN/m3，黏聚力取18Kpa，内摩擦角取20.8°，压缩模量取5.25Mpa。

各结构材料参数箱涵C30混凝土，弹性模量取3.10E+07kN/m2，泊松比取0.20，容重取25kN/m3；桥梁C40混凝土弹性模量取3.35E+07kN/m2，泊松比取0.20，容重取25kN/m3。

有限元模型及网格划分数值计算模型图见图1。

图1 数值计算模型

2.桥梁施工阶段模拟分析

桥梁施工阶段模拟4个阶段：一是施工阶段模拟原状地面，施加土层及箱涵自重荷载，箱涵内水压力。由于桩基施工前箱涵与土之间已处于相对稳定状态，因此模型中该施工阶段由自重产生的位移清零。二是施工阶段模拟施工防护桩，施加防护桩、防护桩冠梁自重，对防护桩进行z方向转动约束。三是施工阶段模拟施工桥墩桩基，施加桥墩桩基、桩基承台自重，对桥墩桩基进行z方向转动约束。四是施工阶段模拟成桥，施加桥墩及桥梁最后成桥。

施工成桥后箱涵最大竖向位移8.89mm，小于竖向位移控制标准10mm，满足箱涵竖向位移控制要求。施工成桥后竖向位移云图见图2。

图2 施工成桥后竖向位移云图（mm）

3.箱涵检修开挖阶段模拟分析

桥梁检修开挖阶段模拟5个阶段：一是检修阶段模拟成桥沉降稳定后，桥梁与土之间已处于相对稳定状态，模型中该阶段由自重产生的位移清零。二是检修阶段模拟箱涵排水后，钝化箱涵内水压力。三是检修阶段模拟开挖至箱涵顶，钝化第一层开挖土体，即按照1∶1.5坡比开挖至箱涵顶部分土体。四是检修阶段模拟开挖至箱涵中间，钝化第二层开挖土体，即按照1∶1.5坡比开挖至箱涵中间部分土体。五是检修阶段模拟开挖至箱涵底，钝化第三层开挖土体，即按照1∶1.5坡比开挖至箱涵底部分土体。

箱涵检修开挖阶段防护桩最大横向变形4.16mm，满足箱涵检修开挖要求。桥梁检修开挖横向位移云图见图3、图4。

图3 桥梁检修开挖横向位移云图（mm）

图4 桥梁检修开挖防护桩横向位移云图（mm）

4.结语

采用MidasGTSNX岩土有限元分析软件建立3D立体应变有限元数值模型，土体本构模型采用修正莫尔-库伦模型，可以模拟桥梁施工和桥梁检修开挖过程，此种方法可为其他类似工程提供参考。

由计算结果可知，施工成桥后箱涵最大竖向位移8.89mm，满足箱涵竖向位移控制要求；箱涵检修开挖阶段防护桩最大横向变形4.16mm，满足箱涵检修开挖要求。

通过模拟分析计算可以基本确定跨越工程和输水箱涵之间相互影响，为最终跨越方案的确定提供依据。