随着对国家基础设施建设投入加大, 由于地理位置等原因, 有时不能避免地需要在铁路路基或高速铁路桥墩附近因埋设管线或电缆, 进而进行大规模开挖, 这势必会对邻近路基或桥墩变形以及稳定性造成影响。然而目前国内外在深基坑开挖对高速铁路桥桥墩的影响这一领域研究较少, 而对直接下穿高速铁路桥的基坑开挖对邻近桥墩影响方面的研究更是寥寥无几。潘振华曾利用大型有限元软件计算以及现场位移、水位等实时监测手段进行稳定性分析, 同时, 研究了深基坑开挖及抽水过程对高速铁路桥梁桩基变形的影响规律及范围, 其分析认为基坑自身的稳定性及其降水后的水位位置, 对高速铁路桥梁桥墩的水平位移有着重要影响, 且这种影响关系复杂, 影响范围较大;杨忠华采用考虑流固耦合作用的三维数值模拟方法探讨了深基坑降水开挖对邻近桩基的影响规律, 并对几种加固措施的位移控制效果进行了分析, 认为通过优化降水方案来控制邻近桩基变形的效果明显较好;隔离桩、主动区加固和被动区加固都能一定程度地抑制桩基的水平位移。杨敏等采用三维弹塑性有限元法, 模拟无支撑基坑开挖与邻近桩基的相互作用, 对比分析了临近桩基对基坑开挖所引起土体变形场的影响, 并讨论了基坑的空间效应、开挖深度、支护墙刚度、桩基和基坑距离、桩基刚度和桩头约束条件等因素对邻近桩基附加侧向位移和弯矩的影响。虽然这些研究均分析了基坑开挖对邻近桩基变形影响以及各种影响因素, 但在分析过程中并没有考虑桥墩承台以及上部荷载的影响, 并且基坑多位于桥墩旁并未下穿铁路桥, 本文以福建莆田220k V框架保护涵下穿高速铁路莆田特大桥深基坑工程为背景, 运用有限元软件ABAQUS建立二维数值模型, 采用修正剑桥模型分析了基坑开挖过程中邻近基坑的桥墩墩台沉降和桩基变形规律。

某工程位于福建莆田涵江区, 拟建一地下电缆线框架保护涵, 在YK536+113.0处下穿向莆铁路永莆线莆田特大桥, 电力等级为220k V。框架保护涵在莆田特大桥244号墩和245号墩中间下穿, 需设置3×4.2m框架保护涵, 该深基坑平面呈规则矩形, 开挖面积约195m², 沿莆田特大桥方向宽度为8.6m, 垂直于莆田特大桥方向长度为25.5m, 从现地面计算起, 最大深度为10m。

该特大桥244号及245号桥台桩基及基坑地质条件如下: (1) 人工杂填土, 厚1.5m; (2) 淤泥质黏土, 流塑, 厚5.5m, σ₀=80k Pa; (3) 湿陷性粉质黏土, 可塑, 厚25.3m, σ₀=150k Pa; (4) 粉砂质泥岩, 强风化, 厚31.7m, σ₀=300k Pa; (5) 粉砂质泥岩, 弱风化, 厚36m, σ₀=400k Pa;地层分布及基坑剖面如图1所示。244号桥墩桩长44.5m, 桩径1.25m, 桩距2.75m, 245号桥墩桩长53m, 桩径1.5m, 桩距2.4m, 采用混凝土灌注桩, 基坑围护结构采用挂网喷射的钻孔灌注桩, 设置2道支撑, 支撑形式为609×16钢支撑, 位于钢腰梁上;基坑平面内采用对撑, 在端部以及角部采用斜撑。

由于该工程具有围护桩间距小、桩间设有混凝土板及锚喷等联合支护措施的特点, 同时考虑到土拱效应, 为了便于模型的建立与分析, 本文将非连续的钻孔灌注桩等价视为连续性的地下连续墙结构, 该方法也可行。

基坑支护采用直径1 000mm、桩体间距1 200mm的钻孔灌注桩。假设h为等厚度的地下连续墙厚度, 则根据二者刚度等价的原则可得:

则h=809mm, 地下连续墙等效厚度取为810mm, 可直接建立梁单元模型。

根据基坑开挖影响范围及实际资料, 模型尺寸取为150m×100m, 单元4 236个, 上表面为自由边界, 左、右边界限制水平方向位移, 底部受水平及竖向约束即固定边界。承台上部荷载主要由墩身自重、简支梁连续梁, 以及列车荷载构成。根据TB10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》并计算得244号墩台墩身的结构总重为1.2×10⁴k N, 245号墩台墩身的结构总重为1.9×10⁴k N, 预制箱梁的梁重约为900t, 列车对于墩台的竖向最大荷载为3 523.73k N。承台顶面与墩台的接触面积分别为40m²和33m², 通过以上可计算出承台的最大荷载, 将荷载换算成压应力分别为6×10⁴, 9.5×10⁴Pa。由于在基坑开挖过程中土层会发生向基坑一侧水平移动, 故本文考虑桩土间作用经历了黏结-滑动-脱离的过程, 建立了接触关系, 法向为“硬”接触, 切向为库仑摩擦模型, 摩擦系数为0.18 (tan (0.54φ) ) 。

基坑开挖及降水过程中应力变化存在加载、卸载等复杂情况, 而土体加载、卸载的变形特性有着明显的差异, 本文选用土体选用莫尔-库仑本构模型 (见图2) , 计算模型参数如表1, 2所示。

桥墩桩基和承台视为线弹性体, 由于本文主要研究基坑开挖过程中桩基的变形, 故采用总抗弯刚度进行等效计算。桩基和承台采用实体CPE4R单元进行模拟, 不考虑钢筋的嵌入, 为保证其桩基和承台抗弯刚度与实际相同, 可根据其实际配筋情况换算, 结构参数如表3所示。

基坑的开挖按照以下步骤施工: (1) 按1∶2.5坡度从地面标高±0.000处放坡开挖至-3.000m; (2) 施作地下连续墙围护结构; (3) 开挖第2层土体, 至标高-5.000m深度处; (4) 在-4.000m标高处设置第1道支撑; (5) 开挖第3层土体至标高-7.500m处; (6) 在标高-6.800m处设置第2道支撑; (7) 开挖至基坑底。

求解分析步骤: (1) 计算桩土结合模型的自重应力场, 输出节点应力作为初始应力文件保存; (2) 导入节点初始应力, 计算自重应力场平衡; (3) “杀死”第1层土体单元; (4) 激活地下连续墙单元; (5) “杀死”第2层土体单元; (6) 激活第1道支撑单元; (7) 重复 (4) ~ (6) 步骤, 直至基坑底部; (8) 对结果进行查看分析。

鉴于基坑开挖对邻近高速铁路桥桥墩变形影响的重要性, 在基坑开挖前采用ABAQUS/CAE前处理建立有限元模拟基坑开挖, 运用ABAQUS/standard后处理在最不利工况下进行计算, 估算基坑各施工阶段引起邻近高速铁路桥桥墩沉降及水平位移, 再将计算值和实测数据进行比较, 以分析基坑开挖不同工况下对桥墩沉降及桩基变形影响。

由基坑开挖完成后周围土体水平位移变形云图可知, 因基坑开挖引起土体的应力释放, 基坑周围的土体均向基坑开挖方向发生位移, 并且由于两侧存在不同结构桥墩, 使得基坑两侧土体的位移影响范围及位移量均不同, 244号桥墩由于只存在两排桩基且桩径相比于245号桥墩较小, 其所在一侧土体发生位移明显大于另一侧。

由于篇幅有限, 本文仅对在基坑开挖过程中墩台沉降及桩基水平位移进行分析, 同时对桥墩桩基进行编号pile1, pile2, pile3。其中, U₁代表水平位移, 向基坑一侧移动为正, 反之为负;U₂代表竖向位移, 按土力学惯例, 向下为正, 反之为负, 桩顶为承台底部。

244号桥墩与245号桥墩各桩基随桩深的水平位移变形如图3, 4所示。从图中可以看出, 最大水平位移均发生在承台底部即桩基顶部, 随着各桩深度的增加, 桩身各点的水平位移逐渐减小, 桩底产生远离基坑的趋势, 水平位移出现负值, 最终曲线呈缓S形。

首先分析244号桥墩: (1) 244号桥墩两桩基在各开挖阶段的水平位移变形曲线基本一致, pile1最大水平距离为7.38mm, pile2最大水平距离为7.02mm; (2) 每开挖一步, 桩基最大水平位移增量分别为2.51, 1.02, 2.42, 2.02mm, 由此可知, 每步开挖量越大, 最大水平位移增量越大, 与开挖顺序并无密切关系; (3) 桩基水平位移主要发生在离桩顶0~28m段, 该部分地层主要为软土层, 在泥岩地层桩基未发生大的变形, 但有背离基坑方向发生位移趋势, 桩底位移为-0.12mm; (4) 同一桥墩不同桩相比较, 各桩在相同工况下最大水平位移增量相同, 但距基坑边缘距离越大, 桩基最大水平位移越小。

其次分析245号桥墩: (1) 与244号桥墩相比较, 245号桥墩各桩水平位移变形曲线略有不同, 各曲线更趋向呈S形, 桩基上半段及承台向基坑发生水平位移, 下半段背离基坑发生水平位移, 并且距基坑边缘距离越小, 下半段背离基坑发生水平位移的长度越大; (2) 245号桥墩三排桩基最大水平位移分别为6.38, 6.22, 6.02mm, 均小于244号桥墩各桩基, 由此可知桩长及桩数量的增加对水平位移有影响, 且桩长越长、数量越多, 最大水平位移越小; (3) 距桩顶28m以下, 各桩均没有发生明显变形, 各工况下水平位移相同, 桩底水平位移-0.58mm, 有背离基坑发生水平移动的趋势, 与244号桥墩相比有更明显的变形趋势。

基坑开挖完成后, 桥墩承台及桩基各点竖向位移变形云图如图5所示。从图5a可以看出, 244号桥墩发生最大沉降位置在距桩顶1.2m处, 即距地表6.70m, 最大值为4.77mm。由图5b可知, 245号桥墩发生最大沉降位置在距桩顶0.48m处, 即距地表7.98m, 最大值为7.35mm。

基坑开挖期间, 分别在244号和245号桥墩设置监测点进行了水平位移及沉降监测, 现各取1代表性监测点做出其沉降位移曲线及水平位移曲线, 如图6, 7所示。从图6, 7可以看出, 随着基坑开挖深度增加, 244, 245号墩台上监测点沉降及水平位移呈线性增大, 由于数值模拟计算时选取了一部分理想的计算模型, 对许多条件进行了简化处理, 故数值模拟计算结果与实际监测值比较偏小。

1) 该基坑开挖完成后, 245号桥墩墩台地表处最大水平位移小于244号桥墩墩台地表处最大水平位移, 但最大沉降大于244号两桥墩墩台地表处最大沉降。

2) 分析得到了基坑开挖过程中桥墩桩基的变形规律:该基坑开挖使桥墩桩基产生附加变形, 桥墩承台及桩基有明显向基坑发生水平移动趋势;同一桥墩各桩基最大水平位移均出现在桩基顶部, 244号桥墩最大值为7.22mm, 245号桥墩最大值为6.80mm;各桩基变形曲线呈缓S形, 随着开挖深度增加, 同一桩基距桩顶0~28m段桩基水平位移不断增大, 但下半段桩基水平位移基本无变化。