劉 策，宋郁民

上海工程技術大學軌道交通學院，上海 201620

隨著城市化進程的加快，城市路網關系越來越立體和復雜。城市道路下穿既有高速公路、既有鐵路常采用U型槽結構。在U型槽基坑開挖過程中土體水平和豎向壓力的同時卸載［1］會對坑內及鄰近高速公路橋墩特別是小直徑橋墩帶來橋墩偏移、樁基彎矩加大、樁基承載力不足等結構安全問題［2］。丁勇春等［3］和王成華等［4］對單側鄰近樁基礎的基坑做了大量的研究，在樁基側向變形、樁基變形控制等方面取得了不菲收獲。張子新等［5］對近距離開挖卸荷下地鐵高架橋墩的響應通過承載力損失、位移變形等方面展開了詳細研究，認為基坑開挖卸荷將導致高架橋樁基周圍靜止土壓力損失，導致樁基極限承載力產生損失，且樁基產生上抬變形。鄭明新等［6］展開了基坑開挖過程中鄰近橋墩墩臺沉降和樁基變形規(guī)律的探討，認為基坑開挖使橋墩樁基產生附加變形。本研究面對的工程背景是運營中高速公路橋梁下進行U型槽深基坑的開挖施工，施工場地狹窄，空間有限。這樣的全周基坑開挖對運營狀態(tài)下小直徑橋墩的影響及加固方法的研究較少。

本文結合溫州某主干道下穿既有高速公路近距離基坑開挖對小直徑橋墩造成的影響，采用Midas/GTS有限元軟件分析了基坑內既有小直徑橋墩的墩頂位移、受力狀態(tài)，驗算橋墩的穩(wěn)定性，確定合理的加固方案及施工工序，對橋墩進行基坑施工及后期運營中的加固設計。

1 工程概況

溫州市某城市主干道，下穿鐵路、高速公路橋梁工程段采用U型槽結構，工程重要性等級一級，開挖位置（見圖1）在高速公路互通橋梁右幅9#、10#、11#墩附近，橋下凈空8 m。上跨高速公路已運營20多年，右幅全長1 057 m，橋面凈寬12.5 m，10#墩為現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁與預制空心板梁的交接墩，下部結構采用樁柱一體墩結構，柱徑80 cm，樁徑120 cm，樁基為嵌巖樁。

圖1 基坑位置平面圖Fig.1 Plan of excavation site

設計的U型槽，基坑開挖長度80 m，寬度17 m，其中10#墩全周開挖深度達5.11 m。對于80 cm直徑橋墩，U型槽的直接開挖可能會造成橋墩開裂、樁基沉降、穩(wěn)定性變差等問題，影響高速公路橋梁的運營安全。同時，在基坑開挖過程中，由于坑內土體卸載，在外側土壓力作用下，基坑地面回彈［1］，對樁基產生負摩阻力，樁基受拉、壓、彎組合受力，引起小直徑樁基混凝土開裂、斷裂失效等危害。

2 近距離開挖工況數值分析

2.1 土體本構模型及力學參數

擬建場地受沿線山體影響，地貌單元交替變化，以山前洪坡積平原地貌為主，過渡至海濱平原地貌，地形起伏較大，分布沉積大厚度淤泥，是典型的不良地質土。根據工程地質勘察，結合當地建筑經驗、室內土工試驗結果，得出土體的物理力學參數（見表1），在此基礎上進行橋墩穩(wěn)定性的分析。

表1 地基土層物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of soils

在本文的數值模擬中，根據提供的地質資料及土工試驗結果，為詳細研究各工況下橋墩的受力特性，應用專業(yè)巖土工程分析軟件Midas/GTS建立二維幾何模型可以有效模擬工程內復雜的地質地形和多重的施工工況。對基巖采用了莫爾-庫倫模型［7-8］，基巖所受應力在達到屈服點前與應變成正比關系，超過屈服點時應力-應變關系為水平線，是彈性-完全塑性的本構關系，莫爾-庫倫準則在實用的約束壓力范圍內具有較高的準確性，滿足實際工程中基巖對嵌巖樁的工作特性；對土體采用修正莫爾-庫倫模型［9］，土體強度采用三軸試驗剛度（E50）、三軸卸載剛度（Eur）和固結儀荷載剛度（Eoed）描述，能較準確地模擬黏土等具有摩擦特性的土體材料；樁基以及加固承臺采用了各向同性彈性模型。

在修正莫爾-庫倫模型下，對于各層土體，有：

式（1）中，C為黏聚力增量；P為基準壓，10 t/m2；νur為卸載/再加載泊松比；k為彈塑性壓縮模量。

2.2 模型建立與網格劃分

由于巖土構成的復雜性，完全真實詳盡地模擬巖土材料的剛度特性較難實現(xiàn)，因此，針對具體的分析目的進行模型的簡化十分必要。本例中，項目關注重點在于巖土、墩頂的位移、樁基的內力，故將巖土模型范圍進行適當地放大，對巖土單元進行細分。同時，在網格劃分過程中，對結構物附近進行局部加密，經平緩過渡，在邊界位置進行適當的稀疏劃分，以提高有限元分析的計算精度并保證模型計算的收斂性。模型橫向取90 m，土層厚度取50 m，地基基礎底面為固定端約束，地基基礎的左、右面施加X方向的位移約束。橋梁樁基、立柱、承臺和加固樁采用梁單元模擬，土層采用平面應變單元模擬。模型共建立5 122個單元，4 860個節(jié)點，如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.3 基坑開挖施工工序

由于既有橋墩竣工已久，基坑開挖需要將在土體自重及橋梁荷載作用下已經固結的土體作為初始應力狀態(tài)，因此，建模時，需對公路橋墩施工后的土體模型進行平衡初始應力和位移清零。在10#墩附近基坑開挖前，對基坑進行直徑100 cm的基坑支護樁加固，對坑底淤泥采用高壓旋噴樁加固，后進行基坑的開挖。既有橋墩墩頂受到上部結構傳來的結構自重、一級公路車輛荷載以及車輛制動力作用。為盡可能地保證開挖的安全性，橋墩周圍土體對稱分層開挖。計算分析模型采取如下工況：

工況1：初始應力狀態(tài)-公路橋墩施工；工況2：基坑支護-基坑支護樁施工；工況3：土體清表并開挖右幅土體0 m～2 m；工況4：開挖右幅土體2 m～4 m；工況5：開挖右幅土體4 m～6 m；工況6：開挖左幅土體0 m～4 m；工況7：開挖左幅土體4 m～6 m。

2.4 基坑開挖對既有橋墩的影響分析

2.4.1 位移分析 確定橋墩穩(wěn)定性分析評價指標：根據公路橋梁規(guī)范［10-11］，Ⅰ類和Ⅱ類環(huán)境下鋼筋混凝土構件驗算最大裂縫寬度應不超0.20 mm。墩頂位移參考公路及鐵路相關規(guī)范［12-13］跨徑20 m橋梁橋墩水平位移限值為20 mm，相鄰墩臺沉降差不大于0.2%（折角）。施工期間老橋仍處于飽和交通流量下運營，且施工空間狹窄，施工機械往復工作會對土體造成剪切擾動，同時可能碰撞到既有橋墩，為保證結構和行車安全，并考慮到連續(xù)梁的受力狀態(tài)，如表2所示，確定橋墩墩頂水平位移預警值為6 mm，豎向位移預警值為3 mm，實測值超過預警值時需啟動糾偏支護預案。

由于基坑內土體水平、豎向壓力的同時卸載及坑外被動區(qū)土體的壓力，樁基受到負摩阻力作用，樁基上移，如圖3（b）的墩頂豎向位移云圖中豎向位移0.9 mm，導致需常年加固的老橋上部結構的應力重分布，結構破壞的危險很大，樁基受拉，出現(xiàn)混凝土開裂。

依據各施工工況下的分析結果，從如圖3（a）的墩頂位移云圖中得出10#墩在最不利工況下墩頂水平位移-20.6 mm，超出規(guī)范值，對橋上正常運營車輛的行車安全及結構安全均是不利的，造成上部結構及支座受力不均勻，80 cm小直徑橋墩底部開裂、橋墩偏移，甚至倒塌。

表2 橋墩位移限值Tab.2 Displacement limits of piers

圖3 未加固橋墩基坑開挖過程中墩頂：（a）水平位移圖，（b）豎向位移圖Fig.3 Displacement on top of unconsolidated pier during excavation of foundation：（a）horizontal displacement，（b）vertical displacement

2.4.2 內力分析 在最不利工況下，樁基最大軸力-1 867 kN，土體擾動引起的最大彎矩775 kN·m。對于圓形截面的壓彎構件，依據公路相關規(guī)范［10］計算，橋墩立柱裂縫最大裂縫寬度為0.18 mm，樁基裂縫驗算寬度為0.13 mm。在負摩阻力、彎矩、軸力共同作用下的拉、壓、彎組合受力體系，導致120 cm小直徑樁基易出現(xiàn)裂縫或裂縫寬度加大，開挖卸載引起地層移動會對樁基礎產生附加撓度，承載能力降低甚至失效。同時，由于基坑的開挖，橋墩立柱的長細比增大，車輛制動力等可變作用會引起墩底彎矩增大，導致立柱穩(wěn)定性變差、承載能力降低，立柱裂縫增大，對施工階段以及之后的運營安全十分不利。因此，對加固橋墩十分必要。

3 既有橋墩加固效果數值分析

3.1 橋墩加固方案

因考慮到橋下僅有8 m凈空，施工空間有限，基坑開挖后作為U型槽行車道使用，不進行回填，橋墩長細比增大。故采用如圖4所示的加固方案，加固樁基與既有樁基通過加固承臺連接的方式進行加固。樁基采用直徑80 cm的鉆孔灌注樁，與既有樁基間距1.6 m，采用4.8 m×4.8 m×2 m的加固承臺連接加固樁基與既有樁基，使加固樁基與既有樁基形成整體。加固樁基嵌入巖層與既有樁基相同標高?？拥子倌嗖捎昧烁邏盒龂姌哆M行加固。采用施工工序：基坑支護樁支護—加固樁基施工—坑底和被動區(qū)加固—既有樁基臨時支護—加固承臺施工—拆除臨時支護，U型槽基坑施工。

圖4 既有橋墩加固方案Fig.4 Consolidation scheme for existing pier

3.2 既有橋墩加固效果分析

在進行模型建立時，加固樁基和加固承臺采用彈性模型，坑底淤泥采用高壓旋噴樁加固提高地基的承載能力。依據高壓旋噴樁抗壓不抗剪的工作特性，采用了莫爾-庫倫模型，如表3所示。

表3 加固材料計算參數Tab.3 Calculation parameters of consolidated materials

通過有限元計算，在各個施工階段中，加固承臺開挖對既有橋墩的擾動最大，由圖5的墩頂位移云圖可知，在最不利工況下既有橋墩墩頂最大水平位移-4.3 mm，墩頂最大豎向位移-0.5 mm，滿足墩頂最大位移6 mm的要求。土體最大位移5 cm。樁基所受最大彎矩389 kN·m。滿足樁基和立柱的承載力要求，裂縫驗算結果為0.07 mm，滿足橋涵規(guī)范對鋼筋混凝土構件的裂縫要求。為防止機械碰撞及機械往復引起土體擾動造成樁基因彎矩增大而出現(xiàn)裂縫擴大，采用增大樁基截面慣性矩的方式減小既有樁基的裂縫寬度。

圖5 基坑開挖過程中加固橋墩墩頂：（a）水平位移圖，（b）豎向位移圖Fig.5 Displacement on top of consolidated pier during excavation of foundation：（a）horizontal displacement，（b）vertical displacement

圖6 加固后墩頂位移對比圖：（a）水平位移，（b）豎向位移Fig.6 Comparison of displacement on top of consolidated pier：（a）horizontal displacement，（b）vertical displacement

圖7 加固后樁基內力對比圖：（a）樁基彎矩，（b）樁基軸力Fig.7 Comparison of internal force of consolidated pile foundation：（a）bending moment，（b）axial force

通過圖6、圖7對基坑開挖各階段施工工況下數值分析以及監(jiān)測數據的對比，可以發(fā)現(xiàn)：

1）加固后的橋墩在基坑開挖各個階段水平位移較不加固施工都有顯著減小，且加固后橋墩的數值分析結果與實際監(jiān)測結果吻合度較高，說明四個加固樁基與承臺可以通過互相平衡受力對既有樁基起到糾偏的作用。

2）樁基加固后的豎向位移較未加固有所緩解，位移量較小，且方向均為向下，避免了樁基上抬變形，淤泥等軟土層對樁基的負摩阻力作用有效降低，降低樁基受損可能，由于樁基采用嵌巖樁，因此，基坑開挖過程中樁基的沉降量較小。

3）樁基內力的對比中，彎矩和軸力均有所減少，避免樁基受到拉壓彎組合受力，可以減少裂縫或降低裂縫寬度，避免樁基失效。加固樁基與既有樁基共同工作，可有效降低基坑開挖過程中，大型機械往復工作帶來土體對樁基的剪切、擠壓作用。

4）既有樁基與加固樁基通過加固承臺連接，可以降低基坑開挖后橋墩的長細比，提高橋墩的穩(wěn)定性和承載能力，降低橋墩立柱的裂縫驗算寬度。

4 結 語

1）樁基加固前后數值分析結果表明：U型槽基坑開挖過程，對高速公路小直徑橋墩產生了較大的不利影響，橋墩偏移，穩(wěn)定性變差，立柱、樁基開裂，需進行加固設計。樁基的加固方案使得橋墩結構內力減小，裂縫寬度降低，橋墩偏移得到糾正，可以保障小直徑橋墩的結構安全，起到加固效果。

2）采用的二維有限元模型，數值分析結果與實際監(jiān)測結果吻合良好，且土體與樁基相互作用計算與三維模型計算結果一致。因此，只要相關參數選取合理，二維模型可以滿足實際工程計算要求，提高計算效率。

3）對基坑開挖過程中墩頂位移的預警值取值、立柱、樁基裂縫的限值要求都較為保守，基于在正常運營狀況下的小直徑橋墩橋梁，這樣的取值是偏于安全的。更為合理的預警值和極限值有待進一步的研究。