栗木寨大桥桩基施工对麻杆寨明渠结构安全影响分析

2023-02-10杨文丰任兴隆

陕西水利 2023年1期

张斌，杨文丰，任兴隆

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵州贵阳 550002）

拟建乌当（羊昌）至长顺高速公路（以下简称乌长高速）栗木寨大桥起讫桩号为K123+982.46～K124+111.54,净跨120 m,上部结构采用3×40.0 m,预应力砼（后张）装配式简支T 梁。下部结构桥台采用肋板台,桥墩采用桩柱一体墩,墩台采用桩基础。本桥桩基共计38根,桩径2 m 的有12根,桩径1.5 m的有26根,桩长15 m～24 m。

已建黔中水利枢纽一期工程桂松干渠麻杆寨明渠（以下简称麻杆寨明渠）桩号桂松K74+689.5～桂松K75+211.032,明渠成型断面矩形,衬砌成型后净尺寸为3.5 m（宽）×3.4 m（高）,为挖填式明渠。

拟建乌长高速栗木寨大桥上跨桂松干渠麻杆寨明渠（桩号K74+825～桂松K74+879）,如图1所示,桥与明渠夹角约38°。本次分析评价通过资料收集与利用、地质调绘。

图1 乌长高速栗木寨大桥与桂松干渠位置关系图

乌长高速栗木寨大桥第二跨上跨麻杆寨明渠两侧桥梁桩基左侧分别是1-0#、1-1#、1-2#、1-3#、1-4#、1-5#,右侧分别是2-0#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5#,共计12根；桩径2 m,桩长分别为24 m（1-0#、1-1#、1-2#）、17 m（1-3#、1-4#、1-5#）、19 m（2-0#、2-1#、2-2#、2-3#、2-4#、2-5# ）。明渠盖板至栗木寨大桥净空最小垂直距离为3.963 m,距明渠边墙较近距离的桩基见表1。

表1 桩基边缘距明渠边墙距离统计表

1 地质概况

工程区地处高原中西部、苗岭西段,场地为山间斜坡平缓地带,谷地宽阔,谷底高程1258 m～1279 m,其间零星分布有高20 m～30 m 残丘,谷地两侧溶丘椎体浑圆,山顶高程1285 m～1350 m,相对高差20 m～90 m。地貌形态以峰林谷地间的溶丘盆地为主,属低中山溶蚀地貌区。

工程区地层岩性为第四系（Q）残坡积层黄褐色粘土及二叠系中统茅口组（P2m）灰岩。

工程区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和岩溶水。松散岩类孔隙水赋存于场区第四系粘土中,该含水土层厚度薄,分布不均,埋藏较浅,主要由降雨补给,汇水补给面积有限,水量小。岩溶水主要赋存于岩溶发育地段,接受大气降水的直接补给和地表水的径流补给。

2 栗木寨大桥与麻杆寨明渠工程地质评价

2.1 栗木寨大桥工程地质评价

1）地基岩体基本质量等级

桥址区下伏基岩岩性单一,为二叠系中统茅口组（P2m）灰岩。桥址区钻探揭露未发现溶洞等强岩溶现象。

桥址区基岩为灰岩,风化程度中等,依据《栗木寨大桥施工图设计阶段工程地质勘察报告》试验资料[1],综合判定得出：灰岩属较硬岩,中风化岩体较破碎-较完整,综合判定得出：灰岩中风化岩体基本质量等级为Ⅲ级。

2）场地稳定性及建设适宜性

桥址区场地及附近无高边坡、活动断层、滑坡、泥石流、土洞、岩溶塌陷及大规模溶洞等不利于建筑的地形、地质构造、不良物理地质体等,场地稳定性良好,适宜建设。

3）岩土物理力学参数及基础形式

桥台及墩台基础均采用桩基础,推荐各岩土物理力学指标见表2,基础形式及持力层顶面位置见表3。

表2 各岩土物理力学指标

表3 基础形式及持力层顶面位置

2.2 麻杆寨明渠工程地质评价

该段整体地形较平缓,地形坡度5°～20°。覆盖层厚5 m～15 m,为第四系残坡积的粘土层,可塑状,局部含碎石,下伏基岩为二迭系中统茅口组（P2m）厚层状灰岩,岩层产状90°∠21°,无强风化层。明渠开挖边坡较矮,为土质边坡,边坡稳定性较好,明渠基础为土基,基础承载力满足＞100 kPa的设计要求。

3 栗木寨大桥桩基施工扰动对麻杆寨明渠安全影响分析

施工扰动有桥梁旋挖钻孔灌注桩开挖的振动、孔壁垮塌振动、盖梁施工振动、支座垫石施工振动及桥面铺装施工振动等,其中影响最大的是桥梁旋挖钻孔灌注桩开挖的振动,必然会对周边土体产生不同程度的扰动,改变了周边土体的应力状态,使土体的结构遭到破坏,引起周边土体的变形,从而引起周边地表沉降可能会影响明渠结构的安全稳定问题[2]。对明渠结构的安全是否有影响通过仿真计算进行分析评价。

3.1 仿真计算

1）三维计算模型

在考虑模型几何条件与实际情况接近的同时,也应考虑计算机实现的可能性,满足研究对象的主要因素条件,忽略次要因素,从而简化模型,以方便操作计算。根据工程实际地质条件,结合计算机性能,施工期主要考虑临近桩基础施工对明渠安全影响。本模型采用三维地质建模软件进行模型建立,并通过ANSYS 进行网格划分,最后导入FLAC3D 中进行计算。研究段地质结构较为简单,地层为第四系残破积层,下部为二叠系中统茅口组灰岩,无断裂结构；模型尺寸取值超过桥梁一定范围满足边界条件要求,模型尺寸为172 m×137 m,铅锤方向上自1245 m 水平标高以上,模型采用四面体单元,为了保证计算结果的精确性,桩孔位置采用加密网格处理,共划分233404 个网格和1340207 个单元。

模型边界条件为：地应力分析时除地表为自由边界外,其余各边界进行位移约束；振动时程分析中除地表为自由边界外,其余各边界采取带阻尼系数的粘弹性边界。

2）计算参数

本次数值模拟计算参数参考桥梁勘察资料和明渠勘察成果,参数值见表2。

3）施工振动参数取值

本工程桩基础深度在15 m～24 m 间,覆盖层厚度较厚,人工开挖难度大,桩基施工方式采用旋挖成孔,旋挖钻施工引起的动荷载为一种随机荷载,荷载大小随时间、位置和地表特征不断变化的复杂荷载。目前,在有限元分析中采用的都是近似的简化模型,钻头动荷载为简谐波荷载,具体的表达式为：

式中：P 为振动荷载幅值；ω 为振动频率。

参考国内相关文献资料,在桩基施工微扰动情况下,参数取值如下：荷载大小取100 kN,频率取值20 Hz,动荷载总持续时间为5 s。

3.2 数值结果分析

本次计算过程主要为先计算模型在原始地貌下的初始应力场分布,在对明渠区域进行开挖、浇筑,计算在明渠修建过程中对原始应变场的改变,最后计算在桩基施工过程的扰动情况。本次扰动计算并未对所有桩基施工进行模拟,主要是通过距离明渠边墙最近的2-2 号桩基础施工对明渠边墙的影响,通过在数值模拟中明渠边墙模型上设置监测点,监测明渠边墙上的变形影响和振动速率的变化影响。

1）变形影响：通过对计算结果整理,如图2和图3,随着桩基施工的进行,位移变化较大的区域位于孔桩桩壁区域,最大位移量约为2 mm,通过剖面分析,孔桩施工过程中的变形区域主要集中在覆盖层内,基岩段几乎无变形；从数值模拟中监测点数据结果可知,当桩基础施工结束后,明渠边墙监测点最大变形值约为1×10-5m,几乎无变形。