航道开挖对上跨桥梁桩基影响及控制措施研究

谷雷雷，李锋，谷素兵，韩海，杨贝贝

（1.中交一公局集团有限公司，北京 100024；2.海宁市港航管理服务中心，浙江 海宁 314400；3.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程重点实验室，江苏 徐州 221116；4.浙江鼎盛交通建设有限公司，浙江 绍兴 312069）

1 引言

作为国家级重点水运项目以及海宁市“两横两纵一连”骨干航道网中的重要一纵，京杭运河二通道海宁段由北向南依次穿越杭海城际铁路、沪杭高铁、沪杭高速公路和东西大道，沿线新建7 座桥梁。在海宁深厚软土场地进行航道开挖，土体卸荷效应对邻近桥梁桩基的影响，势必会进一步影响上跨桥梁结构的稳定性。因此，分析和控制航道开挖对上跨桥梁桩基的影响成为软土地区水运工程建设的主要问题。

当前，针对大面积土体卸载对邻近建筑物桩基的影响特性，国内学者进行了相关的研究与探索并取得了很好的成果。沈建芳等[1]利用MIDAS GTS NS 三维有限元分析软件研究了宁波软土地区U 形槽开挖对邻近桥梁桩基的变形影响。刘颖[2]以上海虹桥三角形基坑开挖为背景，采用数值模拟手段，对软土地区深大基坑施工过程中的力学性能和变形规律开展了系统研究。陈卓有[3]采用有限元软件MIDAS 对基坑开挖时邻近的建筑物的桩基础变形情况进行了分析，并结合实际工程模拟分析了桩承台在基坑开挖过程中对已有建筑桩基础的水平承载性能的影响。张乐乐[4]以上海浦东国际机场新建长时停车库连接匝道工程为背景，采用MIDAS GTS NX 研究了新建非对称基坑开挖对邻近地铁桩基变形的影响规律。张奇[5]等依托玉溪市红塔大道综合管廊下穿昆玉高速公路桥梁工程为例，运用数值软件分析基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响，结果表明，深基坑开挖将使邻近桥梁桩基产生附加变形及附加内力。然而，针对这种处在深厚软土层中的土体开挖对超长桩基承载性状影响的研究相对较少[6，7]，尤其是针对航道开挖对上跨桥梁桩基结构的影响研究更是少见。基于此，以京杭运河二通道典型桥梁工程为研究对象，采用数值方法分析航道直接开挖和采取支护结构的航道开挖对上跨桥梁桩基的影响，对航道开挖控制措施效果进行评价，其研究结果可为后续相类似的工程及施工提供参考依据。

2 工程概述

东西大道公路桥是为了保证航道通航净空的新建波形钢腹板连续箱梁特大桥。京杭运河二通道新开挖航道紧邻东西大道大桥桥梁主墩，新开挖航道挖深约8.4 m，桥梁配跨8×25 m+（60 m+100 m+60 m）+8×25 m，桥梁全长620 m，桥梁宽2×17.25 m，左右幅桥梁间隔0.5 m。桥墩承台桩基为直径1.8 m 的钻孔灌注桩，桩长83 m，每个承台下对称布置8 根钻孔灌注桩，分两排布置，双排桩水平中心距4.8 m、竖直中心距4.5 m。航道纵断面及桥梁桩基俯视图如图1 所示。

图1 航道纵断面及桥梁桩基俯视图

工程地处浙北平原区属杭嘉湖冲湖积平原，地形平坦。地层按成因类型自上而下可分为：①粉质黏土（），灰黄色，土质均匀，平均层厚为1.8 m；②淤泥质黏土（），灰色，流塑状，平均层厚为5.8 m；③粉质黏土（），青灰黄色，软塑状，平均层厚为45 m；④粉砂（），青灰色、灰色，密实状，平均层厚为14.3 m；⑤1中风化泥质粉砂岩（K1c），棕红色，泥质结构，锤击易碎；⑤2中风化砂砾岩（K1c），紫红色，砂砾质结构、粉砂质结构。两者平均层厚为33.1 m。

3 航道开挖模拟计算

3.1 计算模型

根据东西大道桥工程地质条件及航道开挖施工工况，以航道纵断面及桥梁桩基俯视图为基准，采用FLAC 3D 建立三维有限元模型，针对新开挖航道对邻近东西大道桥桥梁主墩的影响问题进行模拟分析。数值计算模型如图2 所示。模型顺桥向（X 向）长160 m，横桥向（Y 向）宽40 m，竖（Z 向）深110 m，承台和桩基参数与现场一致。模型前后左右约束其相应的法向位移，底部采用固定边界条件。

图2 数值计算模型图

数值模拟分别考虑航道直接开挖和先采取支护结构再进行航道开挖两种不同的施工工艺。土体及桥墩承台、桩基、支护结构均采用实体单元模拟，可采用排桩与地下连续墙结构进行支护，支护结构深12 m，宽0.8 m。模型共划分单元1 636 816 个，节点916 169 个。

3.2 模型本构及参数

航道开挖数值计算中，软土采用摩尔-库伦本构模型，该模型参数较少且能够采用常规的土工试验获得。桩、承台以及支护结构采用线弹性本构模型，桩-土界面采用库仑剪切本构模型。土体开挖采用空单元模型进行模拟。

数值计算土体参数根据研究区工程地质勘察资料确定，如表1 所示。桩土界面参数主要根据现场工程经验取值，桩土界面的黏聚力c、内摩擦角φ 取与桩相邻土层的黏聚力和内摩擦角的0.5 倍，接触面的法向刚度Kn和剪切刚度Ks特征值均为6.7×109Pa/m，取接触面相邻区域“最硬”土层的等效刚度的10 倍，即：

表1 研究区岩土体物理力学参数

式中，K 为体积模量；G 为剪切模量；ΔZmin为接触面法向方向上连接区域上最小尺寸。

3.3 计算步骤

为了模拟实际施工过程航道开挖对东西大道桥某主墩桥梁桩基的影响，采用分步施工的方式进行计算（通过激活与钝化对应单元实现）。分别考虑航道土体直接开挖与先采取支护结构再进行土体开挖两种施工条件。

土体直接开挖模拟过程为：

1）原地基（初始应力场分析，位移清零）；

2）打入桩基（激活桩基单元）；

3）航道土体开挖。

先支护再开挖模拟过程为：

1）原地基（初始应力场分析，位移清零）；

2）打入桩基（激活桩基单元）；

3）进行排桩或地连墙支护（激活支护单元）；

4）航道土体开挖。

4 计算结果与分析

4.1 航道直接开挖

图3 为航道直接开挖后趋于稳定时桥梁桩基水平偏移云图。航道开挖引起周围岩土体的卸载效应，改变了原始土体应力平衡状态，在桩基作用下，周围岩土体自身进行重新平衡，这一阶段岩土体应力重新分布，同时造成岩土体的位移，而桥梁桩基处于这种自我平衡而运动的岩土体中，势必会产生变形。

图3 航道直接开挖桩基水平偏移云图（单位：m）

图4 为航道直接开挖后各桩桩顶水平偏移曲线。航道开挖以后各桩桩顶水平偏移量随着时间步的增加而逐渐增大。当平衡时，由图3 与图4 可以明显看出，桩体最大变形发生在桩基中部（距桩顶距离大约40 m 处），偏转位移约为32.89 mm，而桩基顶部偏转位移约为14.30 mm，出现在1 号桩位置。这是由于航道开挖以后，邻近开挖处一侧的承台裸露在外面，在土体运动作用下，带动着承台一起向着坑内一侧倾斜，致使钻孔灌注桩向着坑内偏斜。鉴于航道开挖深度远小于桩基长度，采取支护手段对桩基变形控制的影响深度主要在开挖深度以内，其中桩顶变形控制效果最为明显，因此，重点对桩基顶部变形进行分析。

图4 航道直接开挖各桩桩顶水平偏移曲线图

4.2 先支护再开挖

图5 为先支护再开挖趋于稳定时航道桩基水平偏移云图。由图5 可知，土体大面积卸载后，在支护结构作用下，开挖导致土体向着坑内一侧滑动的效应逐渐被抵消，桩基桩顶偏移仅为4.95 mm，桩身桩基中部最大变形约为33.80 mm。这说明支护结构的存在，主要影响桩基顶部的水平偏转位移，而对于桩身偏转位移来说，影响的变化较小，基本上可以忽略。

图5 航道先支护再开挖桩基水平偏移云图（单位：m）

4.3 支护效果评价

航道开挖后，桩基向着开挖侧倾斜。以1 号桩桩顶位移时程表征桩基变形过程，以特征观测点的位移时程表征土体变形特征，特征观测点位置如图2a 所示。对比不同施工条件的模拟计算结果，进行支护效果评价。图6 为航道不同施工条件下桩基桩顶水平偏移曲线，从图6 中可以明显看出，当采取直接开挖方式施工时，桩基顶部偏斜位移随着时间步的增加而逐渐增大，桩顶最大偏斜位移为14.30 mm。而采取先支护再开挖的方式施工时，桩基顶部偏斜曲线先反向增大再逐渐正向增大，这是由于土体大面积卸载，坑底隆起，由于支护结构的存在，使得桩基顶部向着背离开挖侧方向倾斜，当应力释放完毕以后，桩基随着土体的运动逐渐向着开挖侧倾斜直至平衡。进行支护后，桩基顶部偏斜位移减小至4.95 mm。

图6 航道不同开挖方式桩基桩顶水平偏移曲线

对比不同施工条件的模拟结果，采取支护结构以后，桩基桩顶偏斜减小量达66%，这说明，在实际施工中，可以优先采用先支护加固后开挖的方式，这不仅节省了人力，还保证了施工效益，更重要的是可以更好地保证桩基的稳定性，减小桩基因航道开挖扰动对其的影响。

图7 为航道不同开挖方式下1 号桩基水平方向正应力随桩长变化曲线。由图7 可知，当采取直接开挖方式施工时，水平主应力随着桩长的增加而逐渐增大，最大应力值出现在桩底位置，可以达到1 200 kPa。当采取先支护再开挖的方式施工时，由于当土体大面积卸载时，坑底隆起而导致支护结构拉着桩基顶部向航道开挖一侧的相反方向运动，从而导致桩基顶部出现较大的反向水平应力，桩顶水平主应力为-527 kPa。当开挖应力释放完毕以后，开挖侧周围土体逐渐向着坑内运动，在土体的冲击作用下，桩基水平应力逐渐正向增大，当计算达到收敛时，桩基最大水平应力出现在桩底一侧，最大为804 kPa，相比直接开挖施工条件，桩基最大应力减小33%。由于支护结构的存在，使得土体对桩基的水平冲击作用逐渐减弱，故在实际施工中，优先采用先支护加固后开挖的方式，更加有利于桥梁桩基的稳定性。

图7 航道不同开挖方式下桩基水平应力随桩长变化曲线

5 结论

本文以京杭运河二通道海宁段东西大道桥航道开挖工程为背景，采用FLAC 3D 建立三维有限元分析模型，研究了航道不同开挖方式对桥梁桩基稳定性的影响，得到了以下结论及建议：

1）航道开挖过程中，采取边坡先支护加固后开挖的方式，可以大大减小桩基顶部的倾斜，更加有利于桥梁桩基的稳定性。

2）当采取直接开挖方式施工时，桩基顶部偏斜位移为14.30 mm，桩身中部最大偏转位移为32.89 mm。而采取先支护再开挖的方式施工时，进行支护后，桩基顶部偏斜位移减小至为4.95 mm，桩身中部最大偏转位移为33.80 mm，这也表明支护效果对桩基顶部变形影响较大，而对桩身中部变形影响较小，几乎可忽略不计。

3）当采取直接开挖方式施工时，水平主应力随着桩长的增加而逐渐增大，最大应力值出现在桩底位置，可以达到1 200 kPa。采取先支护再开挖的方式施工，桩基最大应力减小33%。