河道开挖对邻近桥墩桩基影响的数值分析

邱 超 王平安 刘建元

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

河道开挖对邻近桥墩桩基影响的数值分析

邱 超 王平安 刘建元

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

结合河道开挖工程实例，通过三维有限元分析，研究了河道开挖对邻桥墩桩基的影响。对桩基变形作了初步预估，发现同等条件下开挖深度越大，扰动变形越明显，靠近河道位置最近的1号桩身的变形最大，位于12.72 m埋深处的最大水平变形约-0.98 mm，桩端水平位移约-0.19 mm，桩顶水平位移约-0.92 mm；同时给出了合理的桥墩监测变形控制值，为以后的实际工程提供借鉴。

河道开挖,桩基础,数值分析,变形

1 概述

河道开挖工程对邻近土体及建筑物有着重要的影响，在河道开挖的过程中，如果开挖不当，就有可能造成巨大的损失。因此河道开挖一直是工程界研究的热点之一[1-3]。

研究表明，河道开挖引起的周围地表变形及建筑物的沉降是多种因素作用的结果。由于数值分析能够更加真实的反映工程场地的实际情况，数值模拟越来越多的被应用到工程当中去，并且数值计算的结果与实际工程更加接近。朱逢斌等[4]运用数值分析的方法研究了软土地区隧道开挖对邻近桩基的影响规律；左殿军等[5]运用Abaqus数值模拟研究了考虑隧道衬砌与土相互作用时的基坑开挖对邻近地铁隧道的影响；林杭等[6]运用FLAC3D有限差分法研究了基坑开挖对邻近隧道变形的影响。周晋[7]运用岩土工程分析软件Plaxis分析了基坑开挖对邻近建筑物及地下水的影响。郑刚等[8]在考虑小变形的基础上，对邻近基坑不同楼层建筑作了细致化的有限元分析。以上分析都是基于距离不超过50 m的邻近建筑的影响研究，因此有必要对距离超过50 m的邻近建筑的影响进行研究。

运用Abaqus数值分析软件研究了河道开挖对邻近桥墩桩基的影响，对桩基变形作了初步的预估。给出了合理的桩基监测变形控制值，为以后的实际工程提供借鉴。

2 河道开挖桥墩影响的数值分析

2.1模型尺寸

分析所选取的典型不利河段，开挖河道的河边线距离铁路中心线最近约50 m，桥墩采用8根φ1.25 m等长的混凝土灌注桩，承台尺寸均为12.3 m×5.7 m×2.5 m。有限元计算采用总应力法进行分析，可以揭示桩土相互作用机理，研究河道开挖施工引起的桩基变形和应力分布规律。

河段的河道顶宽约50 m，临桥侧的河边坡顶线距桥墩中心线约50 m，桥墩间距均为32.6 m，而且河道与大桥走向基本平行，整体结构具有对称性，因此本次三维数值分析在综合考虑精度和运算时间成本基础上，确定模型区域为：水平向140 m(左边界距离桥墩50 m)×75 m(深度方向，下边界取桩底向下延伸10 m)×32.6 m(桥梁走向)。

2.2模型的建立

计算区域内的土采用改进的Mor-Colomb弹塑性本构模型，承台、桩体采用线弹性模型。

桩土接触面和承台土接触面上设置接触单元，桩侧土体与桩体的接触摩擦采用罚刚度算法，允许弹性滑移变形，法向采用硬接触；桩底，以及承台与土体接触面均使用无摩擦硬接触模型。模型在桥墩承台及桩周的地基土体位置划分密集网格，桥墩和桩基的网格尺寸在0.2 m～2.5 m之间，其他部分的土体网格相对稀疏。有限元网格图如图1所示。承台、桩、土体均采用三维实体8节点等参单元(C3D8)，其中土体单元86 928个，承台、桩单元9 556个，总节点数为97 702个。

有限元模型X轴方向为横桥向，以河道断面指向桥墩方向为正，Y轴正向竖直朝上，Z轴方向为沿河道走向。模型底部平面约束三个方向的位移自由度，模型侧面垂直于X轴的平面约束Z向的位移自由度，垂直于Z轴的平面约束X向的位移自由度。

2.3模拟工况

根据无桩开挖对地层的变形影响分析可知，观测断面距离开挖河道越远，河道施工对观测断面的卸荷影响变形越小。本小节以河道边线与铁路最近处的桥墩(距离河道边线约50 m)为研究对象，分析河道开挖施工对桥台和桩身变形影响。

河道开挖对桩基的影响分析采用总应力分析方法，计算模拟时步骤如下：

Step1：初始地应力计算，形成初始自重应力场并确保初始位移接近于0；

Step2(Remove1)：开挖1.8 m；

Step3(Remove2)：继续开挖2.0 m；

Step4(Remove3)：继续开挖1.5 m。

2.4开挖对桩基影响计算分析

运用三维有限元法计算得到主桥墩在不同开挖高程的位移，结果于表1。

主桥墩顶的变形特征点及桥桩位置参见图2，其中主桥墩的位移取墩顶中轴线(垂直河道方向)的a，b，c处，距离河道边线分别约43.8 m,50 m,56.2 m；主桥墩下桩基础取1号，2号，3号，4号，桩轴距离河道边线分别约44.0 m，48.4 m,51.6 m,55.0 m。

表1 河道开挖至河底引起桥梁主桥墩变形值

图3～图5为河道开挖高程分别为2.0 m(一级马道)，0.0 m和-1.5 m(设计高程)引起桩身变形曲线。河道开挖至2.0 m高程引起1号，2号，3号，4号桩的最大水平变形分别约0.64 mm(数值为正表示朝着河道方向)，0.60 mm，0.59 mm，0.59 mm，最大值位于12.7 m位置附近；当河道开挖至0.0 m高程时，1号,2号,3号,4号桩的最大水平变形分别约0.85 mm，0.80 mm，0.78 mm，0.78 mm，最大值亦位于12.7 m附近；当开挖至河底设计高程引起的1号、2号、3号、4号桩最大水平变形分别约为0.99 mm，0.93 mm，0.92 mm，0.92 mm，最大变形位置出现在9.8 m埋深位置。此时的变形都小于1 mm，因此当河道开挖深度不大，河道开挖对距离超过50 m的建筑物的影响很小。

由以上分析可知，河道开挖深度对桥墩、桩身的变形大小成正相关性，即开挖深度越深，桥墩、桩的变形相对越大。桩身的水

平变形规律主要与开挖深度，土层变形模量、强度参数密切相关。

通过大型三维有限元静力计算，分析河道开挖对大桥主桥墩的扰动影响，分析了桥梁桩基的内力变形，研究了施工对桥梁桩基受力变形的影响。主要结论归纳如下：

1)根据桥墩距离河道岸边最近距离45 m方案的计算结果，河道开挖产生的主墩顶沉降变形和横桥向变形分别约-0.08 mm～0.02 mm和0.85 mm。

2)河道开挖工程将引起桩身扰曲变形，同等条件下开挖深度越大，扰动变形越明显。根据施工方案，开挖至河底高程，靠近河道位置的1号桩身变形最大，朝河向的最大水平变形约-0.98 mm，位于12.72 m埋深处，桩端水平位移约-0.19 mm，桩顶水平位移约-0.92 mm。

3)结合本工程具体情况，建议桥墩的均匀沉降量宜控制在0.1 cm；主桥墩横桥向水平位移限值宜控制在0.1 cm，顺桥向位移限值宜控制在0.1 cm。

3 结语

通过以上研究与分析，得到如下结论：

模拟了河道开挖对邻近桩基的侧向变形的影响，对实际工程中的桩基变形作了一个预测。河道开挖工程将引起桩身扰曲变形，同等条件下开挖深度越大，扰动变形越明显。根据施工方案，开挖至河底高程，靠近河道位置的1号桩身变形最大，朝河向的最大水平变形约-0.98 mm，位于12.72 m埋深处，桩端水平位移约-0.19 mm，桩顶水平位移约-0.92 mm。当河道开挖深度不大，建筑物与河道开挖的距离超过50 m时，河道开挖对建筑的影响很小。河道开挖对建议桥墩的均匀沉降量宜控制在1 mm；主桥墩横桥向水平位移限值宜控制在1 mm，顺桥向位移限值宜控制在1 mm。

[1] 罗晓辉，白世伟.深基坑大变形耦合分析与数值分析[J].岩土力学，2003，24(6)：974-978.

[2] 李志伟，郑 刚.基坑开挖对邻近不同刚度建筑物影响的三维有限元分析[J].岩土力学，2013,34(6)：1807-1814.

[3] 刘国彬，刘登攀.基坑施工对周围建筑物沉降的影响分析[J].建筑结构，2007,37(11)：79-83.

[4] 朱逢斌，杨 平,ONG C W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响竖直分析[J].岩土工程学报，2008,30(2)：298-302.

[5] 左殿军，史 林，李铭铭,等.深基坑开挖对邻近地铁隧道影响数值计算分析[J].岩土工程学报，2014,36(2):391-395.

[6] 林 杭，陈靖宇，郭 春，等.基坑开挖对邻近既有隧道变形影响范围的数值分析[J].中南大学学报(自然科学版)，2015,46(11):4240-4247.

[7] 周 晋.基坑开挖对邻近建筑物影响的数值分析[J].水利与建筑工程学报，2014,12(5):162-166.

[8] 郑 刚，李志伟.基坑开挖对邻近不同楼层建筑物影响的有限元分析[J].天津大学学报，2012,45(9):829-837.

Numericalanalysisofinfluenceofriverexcavationonadjacentpilefoundation

QiuChaoWangPinganLiuJianyuan

(CollegeofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Combined with the example of river excavation, the influence of excavation on the pile foundation is studied by three-dimensional finite element analysis. The deformation of pile foundation is preliminarily estimated. It is found that the excavation depth is bigger and the disturbance deformation is more obvious under the same condition. The maximum deformation of the 1# pile near the river location is about -0.98 mm at the depth of 12.72 m, the horizontal displacement of the pile is about -0.19 mm, and the horizontal displacement of the pile is about -0.92 mm. Moreover, the reasonable monitoring value of pier is given, which maybe provide some reference for future practical projects.

river excavation, pile foundation, numerical analysis, deformation

1009-6825(2017)32-0167-02

2017-09-03

邱 超(1992- )，男，硕士

U445.551

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