基坑开挖对临近桥梁桩基的影响分析

基坑开挖对临近桥梁桩基的影响分析

李刚

山东泰山路桥工程公司 山东泰安 271000

摘要：现阶段，在临近桥梁旁边进行基坑开挖不可避免的会引起周围土体的扰动，继而还会对既有桥梁桩基产生一定的应力扰动，严重的会导致既有桥梁倾斜、开裂，甚至导致破坏，从而造成巨大的经济损失。因此，研究基坑开挖对临近桥梁桩基的影响具有重要意义。下面笔者就对此展开探讨。

关键词：基坑开挖；临近桥梁；影响；

1工程简介和测点布置

1.1工程概况

既有大桥为中承式提篮拱桥，桥跨布置为(36+148+36)m，主桥全长220m。既有大桥主桥墩为16号墩、17号墩，过渡墩为15号墩、18号墩，既有桥梁主桥基础采用直径1.2m的B2型预应力混凝土大管桩，主墩采用分离式基础，每个基础采用12根预应力大管桩，过渡墩亦采用分离式基础，每个基础采用4根预应力大管桩，15号和18号过渡墩桩长约40m，16号和17号主墩桩长约60m。新建大桥与既有桥平面图见图1，新建大桥主桥基础采用直径1.8m钻孔桩，本文主要以既有大桥17号主桥墩旁的基坑开挖区域为研究对象，2号和3号基坑开挖区域距离既有大桥桩基直线距离仅为6.3m。

图 1 新建大桥与既有大桥平面图

1.2监测点布置

因既有桥梁桩基处于水下，工程地质条件复杂多变。为监测既有大桥整体位移变化，在既有大桥靠近钻孔灌注桩开挖一侧的16号主墩和17号主墩拱座，过渡墩15号和18号墩身布置测点(测点距离承台顶面1.5m)，以掌握钻孔灌注桩施工对既有大桥位移影响的规律。每个测点位置设置棱镜，测点布置如图2所示。测量以首次测得数据为原始基准数据，开挖中监测频率一天一次。

图 2 测点布置示意图

2现场实测数据分析

本文主要针对以下3种情况展开研究，1)无钻孔灌注桩开挖；2)单根钻孔灌注桩开挖+泥浆灌注；3)多根钻孔灌注桩同时开挖+泥浆灌注。现场监测时间从2017年6月14号开始，2017年9月10号结束，提取3种工况数据：1)6月16号至20号，这时无钻孔灌注桩施工，且土体受钻孔灌注桩开挖影响小；2)8月1号至5号，这时只有2号钻孔灌注桩开挖，无其他钻孔灌注桩开挖干扰；3)6月29号至7月6号，3号钻孔灌注桩开挖期间，8号和11号钻孔灌注桩同时在开挖。

2.1无灌注桩施工和单根灌注桩施工影响研究

通过1)和2)的实测数据对比可以发现，单根钻孔灌注桩开挖期间，测点横向位移变化量最大值为1.96mm(远离钻孔桩)，纵向位移变化量最大值为1.70mm(正南方向)。单根钻孔灌注桩开挖对既有大桥的位移是有影响的。

2.2单根灌注桩施工和多根钻孔灌注桩同时施工影响研究

通过2)和3)的实测数据对比可以发现，多根钻孔灌注桩同时开挖期间，测点横向位移变化量最大值为3.26mm(靠近钻孔桩)，纵向位移变化量最大值为2.57mm(7月1号，为−2.57mm正南方向；7月2号，为2.57mm正北方向)。多根灌注桩同时开挖要比一根灌注桩单独开挖对既有大桥的位移影响大。进一步分析，灌注桩开挖过程中，所测的既有大桥位移变化量最大值在16号墩测点，横向位移变化量最大值3.26mm(靠近钻孔桩)，这是由于除了钻孔灌注桩开挖会对邻近既有大桥位移产生影响外，如车辆荷载、温度、台风、涨落潮等环境影响因素也会对既有大桥位移产生影响。单根钻孔灌注桩开挖期间，横向位移累积最大值为1.89mm(靠近钻孔桩)，纵向位移累积最大值为3.19mm(正北方向)；多根钻孔灌注桩同时开挖期间，横向位移累积最大值为4.24mm(靠近钻孔灌注桩)，纵向位移累积最大值为4.18mm(正北方向)。综上可以看出钻孔灌注桩开挖对既有大桥正常行车安全影响较小。

3有限元模拟

3.1模型建立

总体模型计算区域的选取充分考虑钻孔灌注桩开挖引起的边界效应。模型长度取300m，宽度取200m，高度取80m。主拱和边拱与拱座采用刚性连接，主墩和过渡墩与承台采取弹性连接。模型底部为竖向位移约束，两侧为水平法向位移约束，模型顶面为自由面。模型采用混合网格划分自动生成网格，桥梁嵌入土层的区域和钻孔灌注桩施工区域进行网格加密。本模型为了考虑海水的影响设立了水位线，来模拟海水的影响。具体模型网格如图3所示。

图 3 有限元模型

3.2模型相关参数

全桥有限元模型单元数为501954个，计算节点为2642827个，土层采用实体单元模拟；拱肋、风撑、横梁、立柱、桥面系主梁均采用空间梁单元模拟；拱桥吊杆采用桁架杆单元模拟。

计算荷载考虑结构自重；人群、车辆荷载；泥浆护壁：本文参考公式σs=γh，其中，σs是施加的静水压力，γ是泥浆重度，h是桩孔深度。泥浆的重度既不能过大(过大不但影响挖孔效率，还会影响混凝土浇注质量)，也不能过小(过小影响孔壁稳定)。结合现场实际情况，合理取值。因本项目地处温带，易受台风影响，且7～9月为台风季节，台风或热带风暴十分频繁，对既有大桥位移影响不容忽视，结合本工程特点，风荷载简化为静风荷载，计算时按风向一(正东)和风向二(正西)2个方向考虑。

3.3有限元计算结果

本文主要以离钻孔灌注桩开挖区域最近的17号测点为研究对象，结合实际施工工序，本模拟分析分别针对2号钻孔灌注桩单独开挖+泥浆灌注和3号，8号和11号钻孔灌注桩同时开挖+泥浆灌注，以及钻孔灌注桩开挖时风向按风向一(正东)和风向二(正西)等多种工况进行分析研究。具体工况如下。工况1：2号钻孔灌注桩单独开挖+泥浆灌注，风向一；工况2：2号钻孔灌注桩单独开挖+泥浆灌注，风向二；工况3：3号，8号和11号钻孔灌注桩同时开挖+泥浆灌注，风向一；工况4：3号，8号和11号钻孔灌注桩同时开挖+泥浆灌注，风向二。

现场实测数据基本处于数值模拟结果范围内，数值计算结果与实测数据吻合良好。说明在建立有限元模型时参数取值以及荷载的简化合理、有效，能够较好地模拟钻孔灌注桩开挖过程。实测和数值模拟结果表明，开挖不影响既有大桥的正常运营。

结论

1)单根钻孔灌注桩开挖期间，测点横向位移变化量最大值为1.96mm(远离钻孔桩)，纵向位移变化量最大值为1.70mm(正南方向)。2)多根钻孔灌注桩同时开挖期间，测点横向位移变化量最大值为3.26mm(靠近钻孔桩)，纵向位移变化量最大值为2.57mm。3)数值计算结果与实测数据吻合良好，可为今后钻孔灌注桩开挖对邻近既有大桥的位移影响分析与安全控制措施提供指导，实测和数值模拟结果表明，钻孔桩开挖不影响既有大桥的正常运营。

参考文献：

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