基于渗流—应力耦合的深基坑开挖对临近桥基的影响

李红亮 周小涵

(1.上海城铁建筑科技有限公司，上海 200233； 2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

基于渗流—应力耦合的深基坑开挖对临近桥基的影响

李红亮1周小涵2

(1.上海城铁建筑科技有限公司，上海 200233； 2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050)

利用有限元软件，建立了某地铁基坑模型，考虑基坑降水过程中渗流—应力的耦合作用，研究了强透水性地层地铁车站深基坑开挖过程对临近桥桩的影响，结果发现：考虑基坑降水渗流—应力耦合作用后，基坑开挖变形比不考虑渗流—应力耦合作用时加大；临近桥桩受到基坑开挖和基坑降水的影响，在施工中应注意保护。

地铁，深基坑，渗流—应力耦合，桥墩

如今，城市地铁建设面临诸多挑战，当明挖地铁车站周边既有建筑众多、既有建筑基础多样且距离很近时，对车站深基坑开挖的要求颇高。而当深基坑遇到破碎地层等透水性很强的地层时，由于水的作用产生的风险也是基坑顺利施工的控制性要素之一。先进的深基坑开挖往往配备了降水措施，施工过程中的降水会对基坑渗流场和应力场产生影响。

近年来，学界开展了较多的基坑渗流—应力耦合作用研究。平扬等[1](2001)将比奥固结理论扩展应用于弹塑性分析领域，将渗流场水力作用与应力场耦合，通过有限单元法模型分析了深基坑开挖及降水过程中的地面沉降规律；裴桂红等[2](2004)建立了地下水非稳定渗流的三维数学模型，基于小变形假设、弹塑性本构关系及Terzaghi有效应力原理得到了土体变形方程，通过基坑渗流—应力耦合数值模拟，研究了群井降水条件下基坑地下水渗流场变化规律，考虑基坑支护措施，给出了渗流过程中基坑应力场变化特征；颜勇[3](2011)针对武汉长江一级阶地地铁深基坑，研究了其降水与开挖施工过程中引起的地面沉降以及基坑稳定等影响与变化规律。

本文利用有限元软件计算分析了渗流—应力耦合作用下深基坑开挖对临近桥桩的影响，为类似工程提供参考。

1 渗流—应力耦合原理

土体内的应力状态σij决定了土层的渗透张量kij，即kij=f(σij) 。反过来，渗透张量kij又通过渗流体积力fi影响土层的应力状态，即σij=g(kij)。因此，土层应力场与渗流场是相互影响的，或二者是耦合的，需要反复迭代才能使耦合应力场达到稳定[4]。渗流场与应力场的耦合关系联立方程可以参考式(1)：

(1)

其中，kx′0，ky′0，kz′0分别为0应力状态下3个渗透主轴方向的初始渗透系数；λ为影响系数，一般由试验确定。

2 深基坑与临近桥桩计算模型

2.1 基坑模型

某地铁深基坑长206 m、宽50 m、深17 m，基坑局部57 m范围位于市政高架桥下。该处桥下净空6.3 m，基坑内有一承台、基坑南北侧分别有一承台距离基坑2.73 m，2.23 m。桥梁为4跨预应力连续箱梁结构，位于基坑内两跨跨度为32 m，40 m。桥梁全宽27.5 m。墩柱尺寸为1.8 m×1.3 m，墩柱下承台尺寸为2.3 m×2.3 m×1.5 m，承台基础采用φ1.8 m钻孔灌注桩，每墩一桩。承台间采用系梁连接，系梁尺寸为4.2 m×1.5 m×1.5 m。

如图1所示，按照基坑开挖的施工顺序，应用MIDAS-GTS软件建立了二维有限元计算模型。基坑开挖宽度为50 m，开挖深度为17 m。基坑开挖的平面影响区为距基坑边缘2倍～3倍的开挖深度，计算模型宽160 m，高60 m。

2.2 计算工况

基坑分4次开挖，每次开挖深度分别为3.0 m，5.0 m，5.0 m和4.0 m。计算中考虑基坑内井点降水，每次降水深度都为开挖面以下0.5 m。围护结构采用0.8 m厚的地下连续墙，地墙长23 m。支撑采用3道混凝土支撑，支撑断面尺寸分别为1 m×1.1 m，1.1 m×1.3 m，1.2 m×1.4 m，支撑点在开挖面以上0.5 m处。各土层的具体参数见表1。

表1 土层参数表

另外，为了分析基坑降水渗流对基坑变形的影响，同时进行了不考虑降水渗流的情况下的基坑开挖计算，以作对比之用。

3 计算结果及分析

将考虑及不考虑渗流—应力耦合作用时基坑第4次开挖的竖向及水平位移云图分别列出，如图2～图5所示。

选取需要重点关注的中间桥墩水平位移和基底隆起为研究对象，将4次开挖过程中两者的位移列出，如表2所示。

表2 基坑开挖引起的变形对比 mm

由表2可知，随着基坑开挖深度的加大，桥墩水平位移和基底隆起，总体来讲，考虑渗流—应力耦合作用时，对比不考虑渗流及降水作用时，桥墩水平位移和基底隆起都将加大。本基坑开挖过程中，考虑渗流时，中间桥墩水平位移和基底隆起都随开挖步骤逐渐加大。而不考虑渗流时，中间桥墩水平位移随开挖步骤逐渐加大，基底隆起都随开挖步骤有突变效应出现，分析其原因是因为基底隆起由基坑内外侧压差所致，同时与开挖后土层压缩模量等地层参数相关，所以不同开挖地层时其基底隆起不同。考虑降水作用时，基坑内外水压差会加大基底隆起现象。

4 结语

考虑基坑降水渗流—应力耦合作用后，基坑开挖变形比不考虑渗流—应力耦合作用时加大；临近桥桩受到基坑开挖和基坑降水的影响，在施工中应注意保护。

[1] 平 扬,白世伟,徐燕萍.深基坑工程渗流—应力耦合分析数值模拟研究[J].岩土力学,2001,22(1):37-41.

[2] 裴桂红,吴 军,刘建军,等.深基坑开挖过程中渗流—应力耦合数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2004,23(S2):4975-4978.

[3] 颜 勇.地铁深基坑渗流应力耦合研究[J].铁道工程学报,2011(6):92-97.

[4] 魏 纲,郭志威,魏新江,等.软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析[J].岩土力学,2010,31(S1):383-387.

Impact of deep foundation excavation upon neighborhood bridge foundation on the basis of seepage-stress coupling

Li Hongliang1Zhou Xiaohan2

(1.ShanghaiChengtieBuildingScienceandTechnologyCo.,Ltd，Shanghai200233，China; 2.ChinaRailwayBridgeSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430050,China)

The thesis studies the impact of deep foundation excavation of subway station with strong permeability stratum upon neighborhood bridge pile, uses finite element software, establishes the subway foundation model, and takes seepage-stress coupling action into consideration of deep foundation dewatering process. Results show that: the foundation excavation deformation will increase with considering foundation dewatering seepage-stress coupling rather than without considering seepage-stress coupling; the neighborhood bridge pile is easily influenced by foundation excavation and foundation dewatering, therefore, it is necessary to protect the neighborhood bridge pile in construction.

subway, deep foundation, seepage-stress coupling, bridge pier

1009-6825(2017)02-0091-03

2016-11-04

李红亮(1987- )，男，助理工程师

TU463

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