大跨径拱桥软弱地基的地下连续墙应用可行性研究

2021-11-08刘聪

西部交通科技 2021年8期

刘聪

(广西荔玉高速公路有限公司，广西南宁 530000)

0 引言

近年来，随着材料技术的发展，超大跨径拱桥的经济效益愈发明显，尤其是钢管混凝土拱桥[1-4]。其利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互作用，充分发挥了材料优点，提高构件承载能力。超大跨径钢管混凝土拱桥的刚度是同规模斜拉桥、悬索桥的几倍至十几倍，可减少造价1/3左右，在公路及高速铁路桥梁等领域均有重要的推广应用价值。由于大跨径拱桥拱脚处具有很大的竖向荷载和水平荷载，且拱桥上部结构对拱脚处位移较为敏感，要求拱桥地基不仅要具有较高的承载力，还需有较大的变形模量及与基础间较高的摩擦系数，因此大部分拱桥都选择将基础置于坚硬的岩层上[5]。而对于具有深厚软弱覆盖层的地区，若将拱桥基础置于岩层，基坑开挖及基础建造将会大幅增加工程成本[6]。地下连续墙因其施工噪音低、振动小、墙体刚性大、对土体扰动相对小，同时可将挡土、承重和防水功能“三合一”等优点被广泛应用于车站、水坝等软土地基的加固中[7]。本文以平南三桥北岸基础设计为依托，利用ABAQUS通用有限元软件[8-9]，分析地下连续墙加固软弱地基条件下大跨径拱桥基础的设计方案可行性，为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

平南三桥位于广西贵港市平南县，是荔玉高速公路平南北互通连接线上的一座大桥，采用推力拱结构，主桥为中承式钢管混凝土拱桥，引桥为现浇预应力混凝土连续梁桥，全长1 035 m，主桥575 m，建成时为世界第一跨度拱桥。主桥北岸侧覆盖层达到30 m，由上层约15 m黏土与粉质黏土和下层约16 m砂卵石层构成，其下为灰岩。

2 拱座基础设计方案

参与分析论证的基础设计方案共有三个，分别简述如下。

方案一：圆形地下连续墙浅基础，主要由地下连续墙和底板(基础)构成，其地基为卵石层。首先建造外径60 m、壁厚1.2 m的圆形地下连续墙，地下连续墙深入岩层≥4 m，接着进行基坑开挖并采用逆作法逐层建造地下连续墙内衬结构，内衬厚度1.5 m。基坑开挖仅至卵石层面即可，开挖深度约为15.5 m。基坑开挖完成后，在卵石层上浇筑厚度6 m的钢筋混凝土底板作为拱座基础。方案设计如图1所示。

图1 方案一设计简图(cm)

方案二：普通浅基础，此方案大体与方案一相同，仅将作为基坑围挡结构的地下连续墙取消。方案设计如图2所示。

图2 方案二设计简图(cm)

方案三：圆形地下连续墙深基础，主要由地下连续墙和填芯(基础)构成，其地基为岩层。施工设计同方案一，首先建造一外径60 m、壁厚1.2 m的圆形地下连续墙，地下连续墙深入岩层≥4 m，接着进行基坑开挖并采用逆作法逐层建造地下连续墙内衬结构，内衬厚度1.5 m，提供内支撑，基坑开挖至岩层后(深度约31.5 m)，坑内采用混凝土填芯，填芯厚度约为24 m，填芯同时作为拱座基础，此方案设计如图3所示。

图3 方案三设计简图(cm)

3 拱座基础设计方案有限元模型

3.1 拱桥基础设计要求

拱桥上部结构对拱脚处位移比较敏感，较小的位移会带来上部结构较大的内力变化，对上部结构产生不利影响，为确保承载安全，要求拱座基础的沉降及水平位移均控制在一定范围。平南三桥的控制要求为：主拱基础的容许地基水平位移≤10 mm、竖向位移≤15 mm。

3.2 有限元方案分析

仅建立土层、地下连续墙及拱座基础(填芯或底板)有限元模型，并将上部结构荷载换算为拱座底部的均布应力，由于拱座刚度较大，如此简化带来的误差可忽略不计。拱座结构及荷载左右幅相互对称，为降低计算成本，取一半结构建模。为降低边界条件的影响，土体平面尺寸取地下连续墙平面尺寸的4倍，即240 m×120 m，厚度取：黏土层15.5 m、卵石层16.0 m、岩层20.0 m，其余结构按照方案实际尺寸建立。土体、地下连续墙和基础之间设置接触。为尽可能精确地模拟实际情况，分析步骤根据实际施工步骤设置，主要步骤有：地应力平衡、地下连续墙单元激活、基坑分层开挖并激活相应内衬单元、基础单元激活、施加荷载，其中基坑开挖等利用ABAQUS的单元生死功能实现。方案二中，基坑开挖时，限制坑壁的水平位移以简化模拟支挡情况。

3.3 有限元分析模型及参数

土体覆盖层本构模型选用Mohr-Coulomb模型，岩层及混凝土选用线弹性模型，材料参数根据平南三桥相关地勘资料及规范取值[10]，如下页表1所示。接触面选用法向硬接触，切向罚函数接触模型，摩擦系数如下页表2所示。单元类型为C3D8R。方案一与方案三的几何模型如下页图4所示。拱脚处水平荷载125 460.0 kN，竖向荷载130 463.5 kN，弯矩499 000.0 kN·m(使基础向水平荷载的负方向倾覆)，拱座在基础的投影面积为514.7 m2，将荷载换算为投影区域分布应力为：水平荷载243.76 kPa，竖向荷载569.20 kPa(加拱座自重)，弯矩943 790 kN·m(方案一、二，使基础向水平荷载方向倾覆，下同)，692 870 kN·m(方案三)。

表1 有限元模型材料参数表

表2 接触面摩擦系数表

(a)方案一有限元模型

4 设计方案可行性分析

4.1 基础变形分析

基础变形直接影响拱座位移，进而影响上部结构内力分布，是决定拱桥承载安全的重要参数。本文通过模拟计算，得到三种方案中基础的变形情况。方案一水平最大位移值约为4.9 mm，方案二约为16.6 mm，方案三约为0.5 mm。方案一中基础沉降最大值出现在基础前缘中间部位，约为9.1 mm；方案二最大沉降值出现在基础后缘中间部位，约为25.2 mm；方案三基础沉降最大值出现在拱座区域后缘，约为0.9 mm。

由计算结果分析可知，对比方案一和方案二，由于地下连续墙的约束作用，方案一中基础位移较方案二有很大改善，最大值仅为方案二的1/3，说明地下连续墙不仅在基坑开挖阶段具有支挡作用，而且在整个基础施工与运营期间对基础的变形有明显的限制作用。而方案三的变形值远远小于方案一的变形值，表明在地下连续墙作用下，将基础直接置于岩层可极大程度地避免基础变形，其水平方向和竖直方向位移均≤1 mm，对拱桥上部结构最为有利，也表明使用C30混凝土替换主桥北岸侧覆盖层中的卵石层可以获得很好的变形控制能力。三种方案中，方案二的基础变形超过控制值(水平10 mm，竖向15 mm)。

4.2 基础应力分析

由卵石层地基应力计算结果可知，方案一较方案二应力分布更加均匀、对称，更加有利于减小基础的不均匀沉降。如图5所示为基底应力沿基础纵向中心线分布情况，方案一中地基最大应力约为475 kPa，方案二中约为647 kPa，已超过卵石层地基的承载力基本容许值(500 kPa)。上述情况的根本原因是方案二中地下连续墙的组成材料C35混凝土和6 m厚C30钢筋混凝土底板的弹性模量较大，而泊松比较小，在相同应力下的基础变形值小，使应力分布均匀，有利于地基稳定性。同理，由C35混凝土作为连续墙，24 m厚C30混凝土作为拱座底板的方案三，因为组成材料的弹性模量较大，且控制深度更深，变形值更小，应力值分布也更加均匀。上述分析表明地下连续墙对基底应力分布和土体应力分布均有较好的改善作用。

图5 基底应力分布曲线图

4.3 方案优选

上述分析表明，方案一与方案二相比，显示出了“地下连续墙+钢筋混凝土底板”结构的优良效果，其位移值远低于控制值，且应力分布更加均匀，避免了应力集中，提供了可靠的稳定性。而方案三与方案一相比对拱桥上部结构更为有利，表明使用C30混凝土替换主桥北岸侧覆盖层中的卵石层可以获得很好的变形控制能力。但根据方案一和三的设计图(见图1、图3)可知，使用方案三需要挖掘场地原有覆盖层31.5 m，比方案一多16.0 m，且要多使用18.0 m的C30混凝土和22.0 m的C35混凝土。最终，考虑工程施工的人力、机械、材料和时间成本，本工程最终采用方案一的设计方案。综上，根据本工程案例的模拟结果和最终方案确定的结果表明，在科学意义上，方案三“地下连续墙(35.0 m)+C30混凝土填芯(24.0 m)”的变形性质远远优于方案一“地下连续墙(35.0 m)+钢筋混凝土底板(6.0 m)+原有卵石(16.0 m)”，但在工程意义上，考虑到工程施工的人力、机械、材料和时间成本，且都满足变形控制标准时，选用方案一更加合理。平南三桥已于2020-12-28建成通车，北岸拱基选用了方案一“地下连续墙+钢筋混凝土底板”。