论文总字数：48791字

摘 要

开挖河道是不少桥梁工程需要考虑的问题。一般情况下，开挖河道工程需要注意很多方面，包括工程区域土质等。河道开挖引起的卸载对周围的桥梁桩基必定会产生一定的影响，例如破坏原始地层应力状态，使土体产生流动进而导致坑桥梁桩基发生一定的偏位，影响桥体结构的安全性能以及桥梁的正常使用。本文以“温州市乐清湾港区疏港公路第4合同段”这一工程项目为背景，运用flac-3d有限差分软件建立模型，分析研究河道开挖工程对与既有桥梁桩基的竖直方向位移、水平方向位移以及轴力的影响，并且考虑河道整块开挖、分层开挖、由近到远开挖以及由远到近开挖等工况下对桥梁桩基的影响变化，最后结合已有的乐清疏港公路工程相关数据，与flac-3d有限差分软件模拟计算结果进行对比分析，得出在河道全部开挖结束以后分层开挖对桩的影响最小，整块开挖对桩的影响最大的结论，并由土体的位移曲线大致推算土体受到的影响范围。

关键词：河道开挖 ；桥梁桩基；flac-3d；模拟；分析

ABSTRACT

Excavation of river is a problem with a lot of bridge engineering considerations. Under normal circumstances, many aspects of the project should be noted during an excavation of river, including the project area soil and the like. Unloading caused by the excavation of river around the bridge pile will certainly have some impacts, such as destruction of the original in-situ stress state, so that the soil produces flow can lead to the occurrence of certain bridge pile foundation pit deviation,and affect the safety of the bridge structure and the normal use of the bridge.This paper sets "Wenzhou Yueqing Bay Harbor highway of paragraph 4 of the contract," as the project background, and uses flac-3d finite difference software model to analyze the vertical channel excavation for research and the displacement of the direction of bridge pile foundation as well as horizontal displacement and axial force of the impact, and to consider the river block excavation, stratified excavation, from near to far and near excavation excavation and other conditions from far to the impact of changes on bridge pile.Finally, make the existing Yueqing highway of the project-related data, and flac-3d finite difference software simulation results were compared each other, this paper obtained the result of that the way of separate excavation can make the minimum impact to pile at the ending of the whole excavation of the river, while the biggest impact on pile can be made by entire excavation. Conclusions of the soil affected range can be calculated by the displacement curve of the soil roughly.

Key words: riverway excavation；bridge pile foundation；flac-3d；simulate； analysis

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 5

1.1研究背景及意义 5

1.2国内外的研究情况 6

1.3被动桩的研究现状 7

1.3.1被动桩的定义及种类 7

1.3.2被动桩的研究方法 8

1.4研究的主要方法 10

1.5本文的研究内容 11

第二章 工程资料 12

2.1工程概况 12

2.1.1工程概况 12

2.1.2第四合同段资料 13

2.2胜利塘北片1号桥资料 13

2.3胜利塘北片1号桥地质情况及特点 14

2.4原位监测结果 15

第三章 胜利塘1号桥1#桥墩单桩模拟 17

3.1有限差分软件flac-3d 17

3.2单桩数值模拟 18

3.2.1模型参数 18

3.2.2建立模型 22

3.3工况一：河道整块开挖 24

3.4工况二：河道分层开挖 26

3.5工况三：河道由近到远开挖 33

3.6工况四：河道由远到近开挖 41

3.7四个工况的对比分析及结论 48

3.8工况二对周围土体的影响 50

第四章 胜利塘1号桥1#桥墩群桩模拟 52

4.1建立模型 52

4.2工况一：河道整块开挖 52

4.3工况二：河道分层开挖 55

4.4工况三：河道由近到远开挖 62

4.5工况四：河道由远到近开挖 68

4.6工况五：先施加桩顶荷载再分层开挖 75

4.7工况六：先分层开挖再施加桩顶荷载 77

4.8六个工况的对比分析及结论 80

4.9工况二对周围土体的影响 82

第五章 结论与展望 84

5.1结论 84

5.2展望 84

致 谢 86

参考文献 87

绪论

1.1研究背景及意义

21世纪以来,随着我国经济的飞速发展,越来越多的人口涌向城市,推动着城市化进程加快,城市规模也在不断扩大, 城市建设也不断往外扩张,加上对于交通便利的需求不断地上升，越来越多的桥梁项目也在不断的施工，以满足人们对交通便利的需求，而其中沿海地区城市发展非常的迅速，特别是桥梁项目在这一地区日益增多，其中包括跨河的大桥，而这也将由此将带来大量的土体开挖工程,特别是跨河大桥要对河道中的土体进行开挖。随着施工技术的成熟与完善，这些河道开挖工程也朝着规模越来越大、深度越来越深的趋势发展，但是河道开挖势必会对对桥梁桩基产生一定的影响，河道两侧土体的卸荷,会引起临近桥梁桩基的附加位移,这也将给临近桥梁桩基带来不利的影响，而随着土体开挖面积和深度的增大,相应的将出现更多影响桩基的问题。目前,此类土体开挖工程所包括的问题有：一是在确保河道开挖施工的同时，有效地控制由于土体开挖引起的周围地层的移动，保护邻近道路、高架的安全；二是尽量控制邻近的工程与已完成工程之间的相互影响，保护桥梁结构自身的安全。由于大规模的高速建设，导致在这一方面的理论研究严重滞后于工程实践，加上工程建设规模及复杂程度超越了已往的经验积累，在缺乏理论指导及工程经验积累的情况下，常有工程事故的发生，导致巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

本文分析的工程案例就在沿海地区，该地区属于较为典型的天然软土区，软土主要为滨海沼泽相堆积的类型，软土层主要为淤泥质粉质粘土及其下部的淤泥质粘土，其主要特性是：高含水量、高灵敏度(触变性)、大孔隙比、高压缩性、低强度、弱渗透性和明显的流变性等。粘性土对工程的不利之处是易于发生大的塑性流动和大的固结沉降。这种软土地质条件在某种意义上决定了沿海软土地区的河道土体开挖工程中将产生对桥梁桩基不利的影响。随着近几十年沿海软土地区的大型桥梁工程的不断涌现，如何在保证此类工程顺利进行土体开挖施工的同时，将土体开挖对周边环境的影响降至最低，确保周边桥梁不受过大影响，是摆在设计施工人员和研究人员面前的一道难题。由于土体开挖工程具有明显的区域特性，因此本文将结合沿海软土地区桥梁工程实践，模拟并分析沿海软土地区的河道开挖对周边临近既有桥梁桩基的影响，并提出相应的设计施工技术措施建议。

1.2国内外的研究情况

目前，国内外关于河道开挖引起的土体沉降对桥梁桩基安全性的研究还比较少，但类似该种情况的有深基坑开挖对桥梁桩基的影响，两者都是由于土体开挖而引起对桥梁桩基的影响，现在简单介绍一下该类情况国内外的研究情况。

基坑开挖对邻近桥梁桩基的影响引起了国内外专家学者的重视，也开展了相关的研究。对于该问题，沈健^[1]等结合上海市上海轨道交通8号线西藏南路站，进行了深基坑开挖对邻近高架桥基础影响的三维数值分析；贾坚^[2]通过西藏南路车站穿越内环线高架桥基础的深基坑开挖控制变形的工程实践，提出了上海地区控制深基坑变形、保护周边设施的方法和技术；丁勇春^[3]等以上海某下穿高架并紧邻高架基础的地铁车站深基坑为背景，采用简化分析、三维数值模拟及原位监测等手段，对复杂环境下深基坑施工对邻近高架基础的变形影响及变形控制措施进行了研究；郑刚^[4]等、王翠^[5]等结合天津地区具体工程实例，针对基坑开挖对桩基的影响进行了模拟分析并与实测结果进行了对比；黎科^[6]以天津2号线桥桩邻近施工工点为例，研究了地铁深基坑开挖施工对邻近桥梁桩基础变形的影响；李龙剑^[7]等结合无锡市某下穿高架桥的地下通道基坑工程，模拟了无支撑情况下基坑开挖对邻近高架基础的影响。

成志勇^[8]等结合武汉市轨道交通8号线徐东站基坑工程，采用有限元分析法，构建了模拟基坑开挖过程的有限元模型，并基于该模型，针对基坑开挖对邻近高架桥桩基的影响进行了仿真分析，分析了开挖过程中基坑土体和桩基的应力与位移情况，并且以此基坑工程为依托采用有限元分析法，分析基坑开挖对邻近高架桥桩基的影响并进行了仿真分析，分析了开挖过程中基坑土体和桩基的应力与位移的变化规律。

张爱军^[9]等研究了基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法；王菲^[10]等人研究了基坑开挖对既有铁路桥基础变位的影响；Zhang AJ Mohh^[11]等人对基坑开挖和临近桩基相互作用进行了研究；毕继红^[12]等研究了基坑开挖对一定范围内某多跨高速铁路梁桥的影响，并分别建立三维和二维有限元模型，对比二者的计算结果并分析各自的优缺点；蒋利明^[13]等用三维快速拉格朗日法，对基坑开挖过程进行数值模拟，分析了基坑开挖对邻近地铁的影响；Poulos^[14]等运用有限元和边界藕合方法研究黏性土层中基坑开挖引起土体侧向移动对邻近桩基的影响；张雅宁^[15]等采用有限元软件GTS对地下连续墙加内支撑基坑开挖产生的支护结构的变形与对邻近桥梁的影响进行了分析；姚竞^[16]利用flac3d软件建立了实际工程的三维仿真模型，主要考察了桥梁桩基在邻近基坑放坡明挖情况下的偏位情况和内力变化规律。

1.3被动桩的研究现状

河道开挖对邻近桥梁桩基影响的机理为:由于河道土体开挖的卸载作用，引起周围土体位移场和应力场的改变，这些改变作用在邻近桥梁桩基上将使桩基产生附加位移和应力，严重时可能使上部桥梁交通功能失效，属于典型的被动桩问题。这是一个复杂的问题，并且涉及到两个方面的因素：土体开挖的变形场的计算和开挖卸载引起的土体位移对桩基的影响分析。下面就以被动桩的定义以及国内外有关被动桩的研究情况做个简要的概述。

1.3.1被动桩的定义及种类

De Beer^[17]根据桩基与周围土体的相互作用,将桩分为二类:第一类桩基直接承受外荷载并主动向土中传递应力,称为主动桩；第二类桩基并不直接承受外荷载,只是由于桩周土体在自重和外荷载作用下产生水平运动而受到影响,称为被动桩。在主动桩中,桩顶荷载使桩在土体中移动,桩上荷载是因,桩相对于土体的变形效应是果；而在被动桩中,侧移土体对桩产生土压力,土体相对于桩的移动是因,它在桩身上引起的荷载是果。由于被动桩因土体移动产生的桩侧荷载难以确定,引起桩土相互作用的土体位移不仅与土体本身的性质、桩的形状、数量和布置等因素有关,而且还与产生土体位移的成因有关,因此被动桩的问题要比主动桩复杂得多。

工程中常见的被动桩主要有以下几种：

①挤密桩施工时,打桩导致土体挤密,造成周围的土体发生水平方向的位移,相邻桩基受到土体的作用力致使桩身弯曲变形。

②邻近桩基附近地面堆放荷载,造成桩地基土体的侧向运动,最终导致在桩身产生很高的水平方向荷载。

③在软土地层码头施工桩基,开挖港口以及回填土均可致使土体发生明显的沉降及水平位移,最终引起桩基偏移或破坏。

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