下穿桥梁桩基础管沟开挖对桩基础安全稳定性的影响分析

易明清 胡士克

（1.广元市交通投资集团有限公司， 四川 广元 628000；2.西南交通大学交通安全技术研究院， 四川 成都 610031）

0 引言

随着技术的发展和运输需求的持续增加，交通基础设施建设逐渐深入各类复杂地质环境中，这为工程设施建设带来了新的难题和挑战。在岩土体内施工新建地下结构会对周围土体产生扰动，破坏其原有应力状态并使其产生位移变形，这会对周围结构物和环境产生影响，若不采取对应措施，在施工工程中就可能会对既有建筑物产生不利影响。依托达州市某天然气管道管沟开挖桥梁下穿工程，构建了管沟开挖过程的数值模型，基于该数值模型，研究管沟开挖对邻近桥梁桩基的影响，并分析了桥桩的竖向和水平位移，对管沟开挖对桥梁桩基的安全性影响做出了判断[1-4]。

1 工程概况

某天然气管道工程穿越高速公路，采用箱涵方式穿越，管道与桥梁正交，管沟开挖与桥梁桩基具体位置关系见图1。桥梁下部构造采用柱式墩、挖孔桩基础，墩径1.2m、桩径1.3m。管道设计中心线分别距离芭蕉村大桥1#墩、2#墩中心线8m 和12m，开挖深度3.4m、开挖宽度3.2m，管沟开挖参数见图2。开挖豁口与墩柱净距分别为5.8m（1#）、9.8m（2#）。

图1 管沟开挖与桥梁桩基础位置关系图

图2 管沟开挖参数图

2 模型的建立

2.1 计算模型的建立

建立数值模型，模型高度分别按照现场坡度尺寸，高度方向分别取46.5m、35.7m、20.5m 和26.5m，宽度方向97m，长度方向35m。开挖豁口与墩柱净距分别为5.8m、9.8m，开挖深度3.4m、开挖宽度3.2m。模型边界条件顶面为自由面，左右和前后边界固定水平方向约束，底面固定竖向位移，如图3 所示。

图3 模型图

2.2 计算参数的选取

计算时，管沟、围岩本构关系均选择理想弹塑性摩尔～库伦准则，桩基础选择线弹性模型作为本构模型。实际计算参数如表1 所示。

表1 计算参数

2.3 计算过程

计算过程分为三步。包括：初始应力场的生成、桩基础的开挖及生成、管沟的开挖。

初始应力场：直接施加重力计算至平衡，平衡后清零速度场和位移场；

桩基础的开挖及生成：按照1m 进尺开挖桩孔，并在孔内施加泥浆压力，泥浆重度按照11.9kN/m3取值。完毕后，按照1m 进尺生成C35 混凝土桩基础。并清零速度场和位移场；

管沟开挖：按照1m 进尺开挖管沟，混凝土箱涵设置进尺落后管沟5m。分别在桩身设置水平位移监测点和竖向位移监测点，并计算至平衡。

3 桩基础变形控制值确定

在管沟开挖前，依据《建筑桩基技术规范》，桩顶（承台）水平位移允许值，当以位移控制时，可取10mm（对水平位移敏感的结构物取6mm）。建筑物高度≤20m 时，桩基整体倾斜允许值为0.8%。拟对桥梁桩顶、承台水平位移控制值为6mm，桩身水平位移控制值为10mm，桥桩倾斜控制值为0.8%。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，墩顶顶面水平位移控制值为，L 为相邻墩台间最小跨径（m）。结合类似工程案例，拟定桥墩/承台竖向位移控制值为10mm，相邻桥墩顶面水平位移控制值为28mm。依据《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》，当墩身高度满足5m＜墩身高度≤60m 时，全高竖直度应≤0.1%H 且≤20mm。拟定桥墩倾斜控制值为0.1%。具体控制指标见表2[5-7]。

表2 桥桩各测项监测控制指标

4 结果分析

本文分析侧重考虑管沟开挖对桥梁桩基的影响，分别评价桩顶水平位移、桩顶竖向位移、桩身水平变形。数值模拟计算结果如下：

（1）桩身水平变形

管沟开挖完成后桩基础X 向（垂直于管沟开挖方向）位移云图如图4 所示。由图4 可知，管沟开挖完成后，1～8 号桩X 向变形较小，两侧桩向管沟内倾斜变形。1～4 号桩变形稍大于5～8 号桩。其中X 向最大位移出现在4 号桩桩底附近，最大位移为2.18×10-3m，小于桩身变形控制标准，表明管沟开挖对桥桩变形影响处于可控范围内。

图4 桩基础X 向位移云图

管沟开挖完成后，桩基础Z 向（平行于管沟开挖方向）位移云图如图5 所示。由图5 可知，管沟开挖完成后，1～8 号桩均产生Z 正向（顺坡向）位移。5～8 号桩变形稍大于1～4 号桩。5～8 号桩中8 号桩变形最大达到4.6×10-3m；1～4 号桩中，4号桩变形最大达到3.0×10-3m。1～8 号桩桩身水平变形均处于控制标准范围以内，表明管沟开挖对桩基础变形可控。

图5 桩基础Z 向位移云图

（2）桩身竖向位移

由图6 桩竖向位移云图可知，管沟开挖完成后1～8 号桩均产生下沉位移，1～4号桩下沉位移大于5～8 号桩下沉位移。其中4 号桩下沉位移最大，达到了4.88×10-3m，5 号桩下沉位移最小为1.3×10-3m。1～8 号桩桩身竖向位移均处于控制范围内，说明因管沟开挖而导致的桩竖向位移可控。

图6 桩基础竖向位移云图

（3）桩顶水平位移、竖向位移

管沟开挖完毕后，桥梁1～8 号桩桩顶水平位移、桩顶竖向位移见表3。

表3 管沟开挖完毕后1～8 号桩桩顶水平位移、竖向位移

由上表可知，管沟开挖完毕后，1～8 号桩水平位移、竖向位移均符合控制指标要求，倾斜率也符合控制指标要求，管沟开挖对1～8 号桩影响不大。

5 结论

（1）管沟开挖完成后，1～8 号桩X 向变形较小，两侧桩向管沟内倾斜变形。1～4 号桩变形稍大于5～8 号桩。其中X 向最大位移出现在4 号桩桩底附近，最大位移为2.18×10-3m，小于桩身变形控制标准。

（2）1～8 号桩均产生Z 正向（顺坡向）位移。5～8 号桩变形稍大于1～4 号桩。5～8 号桩中8 号桩变形最大达到4.6×10-3m；1～4 号桩中，4 号桩变形最大达到3.0×10-3m。1～8 号桩桩身水平变形均处于控制标准范围以内。

（3）1～8 号桩均产生下沉位移，1～4 号桩下沉位移大于5～8 号桩下沉位移。其中4 号桩下沉位移最大，达到了4.88×10-3m，5 号桩下沉位移最小为1.3×10-3m。1～8 号桩桩身竖向位移均处于控制范围内。

（4）综合以上分析说明，管沟开挖完毕后，1～8 号桩水平位移、竖向位移均符合控制指标要求，倾斜率也符合控制指标要求，管沟开挖对1～8 号桩影响不大。在规范施工的前提下，管沟开挖对桥梁桩基础稳定性的影响较小。