曹周紅，王志鵬，汪映紅，祝偉程，彭云溪

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

隨著中國(guó)腹地經(jīng)濟(jì)和沿江產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，內(nèi)河航運(yùn)貨運(yùn)量呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，航電樞紐年通過能力趨于飽和。為改善其通航能力，促使大量?jī)?nèi)河航電樞紐及其改擴(kuò)建工程加速建設(shè)，對(duì)原有低等級(jí)航道進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。航電樞紐建設(shè)中新建船閘深基坑開挖往往會(huì)對(duì)原有重要構(gòu)筑物產(chǎn)生影響，而鄰近的橋梁樁基就是其中一種重要構(gòu)筑物。

目前，很多學(xué)者展開了深基坑開挖對(duì)鄰近橋梁樁基影響的研究。王恒[1]等人以廈門某水閘深基坑開挖為研究背景，采用有限元軟件建立三維數(shù)學(xué)模型，研究基坑開挖時(shí)鄰近橋梁樁基的響應(yīng)性狀，分析了樁體水平位移和彎矩的變化規(guī)律。姜博[2]依托成都某商業(yè)樓盤深基坑工程，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立三維數(shù)學(xué)模型，研究深基坑開挖過程對(duì)既有橋梁的影響，分析了橋梁樁基和橋樁主墩的變形特征，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了比較，還評(píng)估了深基坑開挖過程既有橋梁的穩(wěn)定性。王翠[3]等人以天津地鐵二號(hào)線某深基坑工程為背景，建立有限元數(shù)學(xué)模型，計(jì)算基坑開挖過程鄰近橋梁樁基和樁周土體的變形，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，還提出了深基坑開挖對(duì)鄰近橋梁樁基影響的作用機(jī)制。黎科[4]依托天津某車站深基坑開挖工程，對(duì)臨近立交橋的變形、基坑周圍的地表沉降及地下深層沉降進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，并采用有限差分法對(duì)基坑開挖進(jìn)行了三維模擬分析，應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)了計(jì)算模型，探討了基坑開挖對(duì)臨近橋梁樁基變形影響的控制因素，研究其規(guī)律性并提出基坑開挖對(duì)橋梁樁基變形影響的范圍。劉建華[5]等人對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡上橋梁基樁的受力性狀進(jìn)行了研究，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)得不同荷載組合以及加載方式條件下樁身彎矩和樁頂水平位移的變化規(guī)律，并獲得樁側(cè)土壓力、抗力的分布形態(tài)及影響范圍，深入探討了巖質(zhì)邊坡面上橋梁樁基的受力性狀。這些學(xué)者研究的橋梁樁基都是位于基坑的外部或者在天然邊坡上進(jìn)行樁基施工，而對(duì)基坑開挖形成的邊坡上的橋梁樁基研究則較少。為此，作者擬依托某二線船閘深基坑工程，采用離心物模模型試驗(yàn)手段，對(duì)位于船閘深基坑開挖邊坡上橋梁樁基的受力和變形進(jìn)行研究，分析由于基坑開挖引起的橋梁樁基樁側(cè)土壓力變化規(guī)律和樁頂水平位移變化規(guī)律，為相關(guān)工程提供借鑒和參考。

1 離心模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

土工構(gòu)筑物進(jìn)行離心試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，為保證模型的應(yīng)力水平與原型相同，采用離心機(jī)對(duì)模型施加超過重力數(shù)倍的離心慣性力來補(bǔ)償模型因縮尺造成的自重應(yīng)力損失，達(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平，并在模型中再現(xiàn)原狀土工構(gòu)筑物的性狀。根據(jù)近代相對(duì)論原理，重力與慣性力是等效的，而土體的性質(zhì)又不隨加速度的改變而改變，因此，離心模擬技術(shù)對(duì)于以重力為主要荷載的土工構(gòu)筑物特別有效[6]。為研究基坑開挖對(duì)邊坡上橋梁樁基的影響，著重分析由于開挖引起的橋梁樁基水平向受力和變形特征，忽略樁頂以上的豎向荷載，忽略地下水位及其變化所帶來的荷載，簡(jiǎn)化橋墩、橋跨結(jié)構(gòu)及地下水位荷載，設(shè)計(jì)概化的離心模型試驗(yàn)。該模型試驗(yàn)采用長(zhǎng)沙理工大學(xué)TLJ-150A大型土工離心機(jī)及配置的中模型箱，其技術(shù)指標(biāo)為：最大離心加速度150g；旋轉(zhuǎn)半徑3.5 m；離心加速度100g時(shí)，最大有效載荷容量1 500 kg；離心加速度150g時(shí)，最大有效載荷容量1 000 kg。模型箱的尺寸(L×W×H)為：0.9 m×0.7 m×0.7 m(大)； 0.9 m×0.36 m×0.7 m(中)； 0.8 m×0.5 m×0.5 m(小)。

離心模型的模型率為：

(1)

Hm≤δaRb。

(2)

a=ng≤amax。

(3)

C≤Cemax。

(4)

式中：Hp為原型構(gòu)建物高度；Hm為模型構(gòu)建物的高度；δa為離心模擬允許的梯度誤差，對(duì)于巖土工程，可在10%～15%之間取值；Rb為離心模型底板至離心機(jī)旋轉(zhuǎn)中心的距離，也即旋轉(zhuǎn)半徑；a為離心模型試驗(yàn)加速度；amax為離心機(jī)運(yùn)行允許的最大加速度；C為離心模型載荷容量，不包括模型箱的質(zhì)量；Cemax為離心機(jī)允許的最大有效載荷容量[7]。

經(jīng)反復(fù)試算，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐蕁定為80，即選定幾何比尺λL=80，加速度比尺λg=1/80，離心加速度為80g，模型載荷容量遠(yuǎn)小于離心機(jī)允許的最大有效載荷容量，將其帶入式(1)～(4)均可以得到滿足。

土工離心模型試驗(yàn)的剖面圖如圖1所示，圖1中虛線段表示已簡(jiǎn)化的構(gòu)筑物或?qū)⒁诔耐翆?，模型各?gòu)筑物的標(biāo)注尺寸為幾何縮尺后的尺寸，標(biāo)注的高程與原型高程一致。位于基坑底部的0#橋梁樁基開挖前已作加固處理，2#橋梁樁基到基坑距離大于開挖深度并且坐落于閘室墻上，設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)化掉這2橋梁樁基。本試驗(yàn)研究的對(duì)象是位于基坑開挖所形成的邊坡上的1#橋梁樁基(后續(xù)稱的橋梁樁基就是1#橋梁樁基)，其樁長(zhǎng)為33 m，樁徑為1.8 m。

圖1 土工離心模型試驗(yàn)剖面(單位：mm)Fig. 1 Test model profile of the geotechnical centrifuge(unit:mm)

1.2 模型制作

根據(jù)《港口工程離心模型試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程(JTS/T231-7-2013)》[8]進(jìn)行模型制作。采用差動(dòng)式位移傳感器(LVDT)測(cè)量樁頂水平位移；微型土壓力盒布設(shè)在土層分界處的樁基兩側(cè)，測(cè)量樁基(9～24 m埋深樁段)兩側(cè)的土壓力。對(duì)于粘性土，采用原型土料即可。只要其干密度和含水率與原型的保持一致，就可滿足相似關(guān)系要求[7]。將采集的粉質(zhì)粘土烘干，再配置出與原型相同的含水率即可。其主要物理力學(xué)參數(shù)為：天然密度1 970 kg/m3；含水率0.262；壓縮模量8.25 MPa；泊松比0.30；粘聚力31.30 kPa；內(nèi)摩擦角14.50°。巖體、圓礫及樁體混凝土材料的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。采集的實(shí)際巖體在試驗(yàn)中難以成型，需要進(jìn)行重塑模擬。根據(jù)土工離心模擬相似關(guān)系的推導(dǎo)，巖體天然密度、粘聚力及內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)的相似常數(shù)均為1，即要求模型與原型巖性材料的物理力學(xué)參數(shù)一致。試驗(yàn)采用200目重晶石粉與河沙(中砂)為骨料，特級(jí)石膏和普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)劑，水作為調(diào)節(jié)劑，將這些材料以不同比例進(jìn)行混合，模擬出強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、中風(fēng)化礫巖及中風(fēng)化含礫砂巖。其中，模擬強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖及中風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化含礫砂巖的配比(重晶石粉∶河砂∶水泥∶石膏∶水)分別為：24∶14∶2∶6∶4，29∶11∶7∶5∶5和26∶10∶4∶5∶4。模擬的巖體經(jīng)過三軸直剪試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試達(dá)到相關(guān)要求后方可作為試驗(yàn)材料。原型中的圓礫主要由石英和砂巖組成，呈次圓狀角，粒徑為1～4 cm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，充填礫石和砂泥質(zhì)。根據(jù)相似關(guān)系推導(dǎo)，試驗(yàn)采用細(xì)砂(0～0.5 mm)進(jìn)行模擬。橋梁樁基(混凝土灌注樁)的模擬要求滿足密度、彈性模量及抗彎剛度等相似，本試驗(yàn)采用與原型橋梁樁基一致的C25混凝土材料。根據(jù)相似關(guān)系的推導(dǎo)，只需將原型橋梁樁基尺寸進(jìn)行幾何縮尺后即為模型橋梁樁基的尺寸。該模型試驗(yàn)制作過程需要將模擬好的土體、巖體及樁體按順序進(jìn)行填筑，并布設(shè)相應(yīng)的量測(cè)儀器。

表1 巖體、圓礫及混凝土材料主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The main physical and mechanical parameters of the rock mass,round gravel and the concrete material

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1 樁側(cè)土壓力荷載變化分析

試驗(yàn)樁側(cè)土壓力結(jié)果如圖2所示，圖2中左、右折線分別表示橋梁樁基左、右側(cè)土壓力沿埋深方向分布。從圖2中可以看出，初始階段由于土體固結(jié)沉降比較均勻，橋基兩側(cè)所受土壓力荷載及分布一致；基坑開挖7 m深時(shí)，由于樁基左側(cè)的土體卸載量比右側(cè)的大，使得樁基右側(cè)所受土壓力荷載比左側(cè)的大，樁基右側(cè)所受土壓力荷載的平均值比左側(cè)的大8.2 kPa；基坑開挖17 m深時(shí)，巖土層的卸載均位于樁基左側(cè)，左側(cè)樁基所受土壓力荷載比上一開挖階段減幅較大，而右側(cè)樁基所受土壓力荷載減幅較小，進(jìn)而使得樁基兩側(cè)土壓力的差更大，樁基兩側(cè)土壓力平均值相差20.7 kPa。表明：隨著基坑開挖的加深，由于橋梁樁基兩側(cè)巖土層的卸載不均勻，致使樁基兩側(cè)所受土壓力荷載的差越來越大。

圖2 橋樁兩側(cè)土壓力沿埋深分布Fig. 2 The soil pressure on both sides of the bridge pile distribution along the depth

2.2 樁頂水平位移的分析

在基坑開挖過程中，選取典型開挖深度對(duì)邊坡上橋樁樁頂水平位移累計(jì)值的原型觀測(cè)值與其土工離心試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，見表2。從表2中可以看出，當(dāng)基坑開挖7 m深時(shí)，由于土層開挖的卸荷作用，使得橋梁樁基兩側(cè)存在土壓力差，這種壓力差直接影響橋梁樁基的側(cè)向變形，其結(jié)果表現(xiàn)為橋梁樁基的樁頂朝基坑方向發(fā)生了16.6 mm的水平位移；基坑開挖17 m深時(shí)，橋梁樁基兩側(cè)土壓力的差進(jìn)一步增加，樁頂繼續(xù)朝基坑方向發(fā)生了24.5 mm水平位移；基坑開挖完成時(shí)，樁頂朝基坑方向發(fā)生的水平位移累計(jì)達(dá)41.1 mm。在基坑開挖7和17 m深度時(shí)，試驗(yàn)誤差分別為7.79%和3.27%，試驗(yàn)值的誤差均在合理誤差范圍內(nèi)，兩者的數(shù)值相吻合。

表2 2種方法下基坑開挖樁頂?shù)乃轿灰评塾?jì)值Table 2 Accumulation of the horizontal displacement of bridge pile top when excavating in two methods

3 結(jié)論

以某二線船閘深基坑開挖為研究背景，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了土工離心模型試驗(yàn)，探求基坑開挖對(duì)邊坡上橋梁樁基的受力和變形性狀的影響，得到的結(jié)論為：

1) 隨著基坑開挖的進(jìn)行，橋梁樁基兩側(cè)所受土壓力荷載的差越來越大，進(jìn)而影響樁基的水平位移。樁頂水平位移表現(xiàn)為朝基坑方向運(yùn)動(dòng)，它隨著基坑開挖深度的增加而增加。

2) 離心模型試驗(yàn)?zāi)M了基坑開挖過程，獲得了樁頂?shù)乃轿灰评塾?jì)值并與其原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出兩者數(shù)值相吻合。