深基坑开挖边坡上桥梁桩基模型试验研究

2018-10-11曹周红王志鹏汪映红祝伟程彭云溪

交通科学与工程 2018年3期

曹周红，王志鹏，汪映红，祝伟程，彭云溪

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410114；2.湖南省水运建设投资集团有限公司，湖南长沙 410011)

随着中国腹地经济和沿江产业的高速发展，内河航运货运量呈持续增长态势，航电枢纽年通过能力趋于饱和。为改善其通航能力，促使大量内河航电枢纽及其改扩建工程加速建设，对原有低等级航道进行了优化升级。航电枢纽建设中新建船闸深基坑开挖往往会对原有重要构筑物产生影响，而邻近的桥梁桩基就是其中一种重要构筑物。

目前，很多学者展开了深基坑开挖对邻近桥梁桩基影响的研究。王恒[1]等人以厦门某水闸深基坑开挖为研究背景，采用有限元软件建立三维数学模型，研究基坑开挖时邻近桥梁桩基的响应性状，分析了桩体水平位移和弯矩的变化规律。姜博[2]依托成都某商业楼盘深基坑工程，采用有限元软件MIDAS/CIVIL建立三维数学模型，研究深基坑开挖过程对既有桥梁的影响，分析了桥梁桩基和桥桩主墩的变形特征，并与实际监测值进行了比较，还评估了深基坑开挖过程既有桥梁的稳定性。王翠[3]等人以天津地铁二号线某深基坑工程为背景，建立有限元数学模型，计算基坑开挖过程邻近桥梁桩基和桩周土体的变形，并与实测数据进行了对比，还提出了深基坑开挖对邻近桥梁桩基影响的作用机制。黎科[4]依托天津某车站深基坑开挖工程，对临近立交桥的变形、基坑周围的地表沉降及地下深层沉降进行了跟踪监测，并采用有限差分法对基坑开挖进行了三维模拟分析，应用实测数据校准了计算模型，探讨了基坑开挖对临近桥梁桩基变形影响的控制因素，研究其规律性并提出基坑开挖对桥梁桩基变形影响的范围。刘建华[5]等人对高陡岩质边坡上桥梁基桩的受力性状进行了研究，通过室内模型试验测得不同荷载组合以及加载方式条件下桩身弯矩和桩顶水平位移的变化规律，并获得桩侧土压力、抗力的分布形态及影响范围，深入探讨了岩质边坡面上桥梁桩基的受力性状。这些学者研究的桥梁桩基都是位于基坑的外部或者在天然边坡上进行桩基施工，而对基坑开挖形成的边坡上的桥梁桩基研究则较少。为此，作者拟依托某二线船闸深基坑工程，采用离心物模模型试验手段，对位于船闸深基坑开挖边坡上桥梁桩基的受力和变形进行研究，分析由于基坑开挖引起的桥梁桩基桩侧土压力变化规律和桩顶水平位移变化规律，为相关工程提供借鉴和参考。

1 离心模型试验

1.1 模型设计

土工构筑物进行离心试验模拟时，为保证模型的应力水平与原型相同，采用离心机对模型施加超过重力数倍的离心惯性力来补偿模型因缩尺造成的自重应力损失，达到与原型相同的应力水平，并在模型中再现原状土工构筑物的性状。根据近代相对论原理，重力与惯性力是等效的，而土体的性质又不随加速度的改变而改变，因此，离心模拟技术对于以重力为主要荷载的土工构筑物特别有效[6]。为研究基坑开挖对边坡上桥梁桩基的影响，着重分析由于开挖引起的桥梁桩基水平向受力和变形特征，忽略桩顶以上的竖向荷载，忽略地下水位及其变化所带来的荷载，简化桥墩、桥跨结构及地下水位荷载，设计概化的离心模型试验。该模型试验采用长沙理工大学TLJ-150A大型土工离心机及配置的中模型箱，其技术指标为：最大离心加速度150g；旋转半径3.5 m；离心加速度100g时，最大有效载荷容量1 500 kg；离心加速度150g时，最大有效载荷容量1 000 kg。模型箱的尺寸(L×W×H)为：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)。

离心模型的模型率为：

(1)

Hm≤δaRb。

(2)

a=ng≤amax。

(3)

C≤Cemax。

(4)

式中：Hp为原型构建物高度；Hm为模型构建物的高度；δa为离心模拟允许的梯度误差，对于岩土工程，可在10%～15%之间取值；Rb为离心模型底板至离心机旋转中心的距离，也即旋转半径；a为离心模型试验加速度；amax为离心机运行允许的最大加速度；C为离心模型载荷容量，不包括模型箱的质量；Cemax为离心机允许的最大有效载荷容量[7]。

经反复试算，该试验模型率n定为80，即选定几何比尺λL=80，加速度比尺λg=1/80，离心加速度为80g，模型载荷容量远小于离心机允许的最大有效载荷容量，将其带入式(1)～(4)均可以得到满足。

土工离心模型试验的剖面图如图1所示，图1中虚线段表示已简化的构筑物或将要挖除的土层，模型各构筑物的标注尺寸为几何缩尺后的尺寸，标注的高程与原型高程一致。位于基坑底部的0#桥梁桩基开挖前已作加固处理，2#桥梁桩基到基坑距离大于开挖深度并且坐落于闸室墙上，设计时简化掉这2桥梁桩基。本试验研究的对象是位于基坑开挖所形成的边坡上的1#桥梁桩基(后续称的桥梁桩基就是1#桥梁桩基)，其桩长为33 m，桩径为1.8 m。

图1 土工离心模型试验剖面(单位：mm)Fig. 1 Test model profile of the geotechnical centrifuge(unit:mm)

1.2 模型制作

根据《港口工程离心模型试验技术规程(JTS/T231-7-2013)》[8]进行模型制作。采用差动式位移传感器(LVDT)测量桩顶水平位移；微型土压力盒布设在土层分界处的桩基两侧，测量桩基(9～24 m埋深桩段)两侧的土压力。对于粘性土，采用原型土料即可。只要其干密度和含水率与原型的保持一致，就可满足相似关系要求[7]。将采集的粉质粘土烘干，再配置出与原型相同的含水率即可。其主要物理力学参数为：天然密度1 970 kg/m3；含水率0.262；压缩模量8.25 MPa；泊松比0.30；粘聚力31.30 kPa；内摩擦角14.50°。岩体、圆砾及桩体混凝土材料的主要物理力学参数见表1。采集的实际岩体在试验中难以成型，需要进行重塑模拟。根据土工离心模拟相似关系的推导，岩体天然密度、粘聚力及内摩擦角等物理力学参数的相似常数均为1，即要求模型与原型岩性材料的物理力学参数一致。试验采用200目重晶石粉与河沙(中砂)为骨料，特级石膏和普通硅酸盐水泥为胶结剂，水作为调节剂，将这些材料以不同比例进行混合，模拟出强风化含砾砂岩、中风化砾岩及中风化含砾砂岩。其中，模拟强风化含砾砂岩及中风化砾岩、中风化含砾砂岩的配比(重晶石粉∶河砂∶水泥∶石膏∶水)分别为：24∶14∶2∶6∶4，29∶11∶7∶5∶5和26∶10∶4∶5∶4。模拟的岩体经过三轴直剪试验和单轴抗压强度试验测试达到相关要求后方可作为试验材料。原型中的圆砾主要由石英和砂岩组成，呈次圆状角，粒径为1～4 cm，质量分数为70%，充填砾石和砂泥质。根据相似关系推导，试验采用细砂(0～0.5 mm)进行模拟。桥梁桩基(混凝土灌注桩)的模拟要求满足密度、弹性模量及抗弯刚度等相似，本试验采用与原型桥梁桩基一致的C25混凝土材料。根据相似关系的推导，只需将原型桥梁桩基尺寸进行几何缩尺后即为模型桥梁桩基的尺寸。该模型试验制作过程需要将模拟好的土体、岩体及桩体按顺序进行填筑，并布设相应的量测仪器。

表1 岩体、圆砾及混凝土材料主要物理力学参数Table 1 The main physical and mechanical parameters of the rock mass,round gravel and the concrete material

2 模型试验结果

2.1 桩侧土压力荷载变化分析

试验桩侧土压力结果如图2所示，图2中左、右折线分别表示桥梁桩基左、右侧土压力沿埋深方向分布。从图2中可以看出，初始阶段由于土体固结沉降比较均匀，桥基两侧所受土压力荷载及分布一致；基坑开挖7 m深时，由于桩基左侧的土体卸载量比右侧的大，使得桩基右侧所受土压力荷载比左侧的大，桩基右侧所受土压力荷载的平均值比左侧的大8.2 kPa；基坑开挖17 m深时，岩土层的卸载均位于桩基左侧，左侧桩基所受土压力荷载比上一开挖阶段减幅较大，而右侧桩基所受土压力荷载减幅较小，进而使得桩基两侧土压力的差更大，桩基两侧土压力平均值相差20.7 kPa。表明：随着基坑开挖的加深，由于桥梁桩基两侧岩土层的卸载不均匀，致使桩基两侧所受土压力荷载的差越来越大。

图2 桥桩两侧土压力沿埋深分布Fig. 2 The soil pressure on both sides of the bridge pile distribution along the depth

2.2 桩顶水平位移的分析

在基坑开挖过程中，选取典型开挖深度对边坡上桥桩桩顶水平位移累计值的原型观测值与其土工离心试验值进行对比，见表2。从表2中可以看出，当基坑开挖7 m深时，由于土层开挖的卸荷作用，使得桥梁桩基两侧存在土压力差，这种压力差直接影响桥梁桩基的侧向变形，其结果表现为桥梁桩基的桩顶朝基坑方向发生了16.6 mm的水平位移；基坑开挖17 m深时，桥梁桩基两侧土压力的差进一步增加，桩顶继续朝基坑方向发生了24.5 mm水平位移；基坑开挖完成时，桩顶朝基坑方向发生的水平位移累计达41.1 mm。在基坑开挖7和17 m深度时，试验误差分别为7.79%和3.27%，试验值的误差均在合理误差范围内，两者的数值相吻合。