基坑开挖对临近既有公路路基影响研究

邓 翔，杜斌斌

(1.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410075；2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

基坑开挖对临近既有公路路基影响研究

邓 翔1，杜斌斌2

(1.湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410075；2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

随着城市化进程快速发展，临近既有建筑物从事高层建筑基坑工程实践活动时有发生。如何保证新建基坑工程施工安全及既有建筑物安全服役，已经成为工程界面临的主要课题之一。基于此，依托某市临近既有高速公路高层建筑基坑工程为例，采用数值模拟的方法，首先对路基影响基坑开挖施工安全进行分析；然后对基坑项目对路基动力特性影响进行分析。结果表明：采用地下连续墙支护结构不仅能保证基坑工程的施工安全，同时对临近既有公路的扰动较小，能够满足基坑施工过程中公路交通安全运行要求。

高层建筑；既有公路；稳定性；数值模型；实测数据

1 基坑开挖过程安全稳定性分析

1.1 工程概况

某市鑫源小区13#楼为高层住宅，主体高度88.650 m。该建筑基坑开挖长×宽×深=8 m×60 m×9.1 m。该住宅楼临近某高速公路，为双线四车道，路基面宽为20 m，路堤填土高度为11.4 m。路基内侧坡脚距离基坑壁最近距离约为49.78 m。

高层住宅地基土层从上至下依次为：(1)杂填土：层厚0.60～1.20 m。土质松散、力学性质不稳定。(2)粉质黏土：层厚17.40～20.80 m。以黏性土为主，地基承载力186 kPa。(3)黏土：层厚>20 m，黄褐色，硬塑，干强度高，韧性较好，切面光滑。承载力210 kPa。地下水位主要受季节、气候的影响，稳定时地下水位埋深3.5～4.0 m左右，水位年变化幅度在1.0～3.0 m左右。结合现场原位和室内土工试验，汇总研究区土层基本物理力学性质如表1所示。

表1 土层要基本物理力学参数

结合表1土层基本物理力学特性，同时考虑尽可能降低基坑施工对路基影响，靠近基路基一侧基坑采用地下连续墙支护结构。因距离路基较近一侧基坑宽8 m，地下连续墙宽度取12 m，深度取12.5 m，宽度为750 mm。

1.2 基坑自身开挖稳定性分析

借助有限元分析软件ABAQUS，建立地基二维数值模型，对基坑开挖地下连续墙支护结构的稳定性进行分析，路基竖向荷载采用地面均布荷载模拟。考虑基坑开挖对策性，地基仅取一半进行模拟。因此，数值模型尺寸取150 m宽，深度取50 m。数值模型尺寸如图1所示。

图1 数值模型尺寸

模型采用STRUCTURE(结构化)划分技术划分；模型采用C4PER(4节点平面应变缩减积分单元)单元模拟；模型两侧限制法向约束，底边采用固定约束；土体本构模型选为摩尔—库伦，其它选等效线弹性模型。数值模型建立在以下基础之上：(1)假设模型材料各向同性均值；(2)仅考虑重力场作用；(3)地下水模拟较为复杂，采用水土合算处理。

建立后的数值模型如图2所示，计算所需参数如表1所示。

1.3 计算结果及分析

结合数值模型，对基坑开挖地下连续墙支护结构的稳定性进行分析。主要计算步骤如下：(1)初始地应力平衡。由于基坑开挖时路基、地基和地下连续墙已经客观存在，计算前各部分已经达到应力平衡。因此，基坑开挖前首先对模型应力进行平衡。考虑计算工况的复杂性，采用应力导入法对初始应力进行平衡。(2)开挖土层。采用生死单元法进行土体开挖模拟。为接近模拟实际工况，同时便于研究分层开挖支护结构变形特性，每个模型开挖土层厚度取1 m。为便于对比分析路基荷载对基坑支护结构的影响，计算过程中首先计算不考虑路基荷载工况，然后计算考虑路基荷载作用工况。图2为基坑开挖过程中，地下连续墙顶部侧向位移和竖向沉降变化柱状图。

图2 基坑开挖过程中支护结构变形柱状图

基坑开挖打破原有应力平衡，支护结构发生变形，内部应力发生变化。由图2可知：随着基坑开挖深度增加，无论是竖向沉降还是水平侧向位移，均呈增长趋势；基坑开挖结束时，地下连续墙顶部累积沉降值约为13.2 mm，侧向位移约为7.1 mm；路基荷载对基坑支护结构有一定影响，考虑路基荷载作用时，地下连续墙顶部累积沉降和侧向位移依次为14.5 mm和7.8 mm；相比不考虑路基荷载工况，沉降增加了1.3 mm，侧向位移增加了0.7 mm，相应增加了9.85%和9.86%。

综上可知：路基荷载对基坑支护结构稳定性影响较小，侧面验证了基坑采用地下连续墙支护结构的效果较好。然而，基坑开挖对路基的影响是否也小到可以忽略不计，还需要进一步分析。

2 基坑开挖对高速公路路基影响分析

路基运行过程中，主要考虑基坑开挖应力释放与交通荷载的叠加后作用，如果叠加效应对路基变形影响较小，则证明基坑工程对路基影响不影响正常行车安全。基于此考虑，在上述模型基础上，将开挖后基坑作为已知条件，对路基交通荷载作用下路基的动力特性进行分析。

采用反映周期特点和行车速度影响以及几何不平顺的类似激振形式的力来近似的表达汽车交通荷载：

F(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

P=M0αω2；ω=2πυ/L

(2)式中：P0为车轮静载；M0为簧下质量；P为振动荷载幅值；ω为振动圆频率；α为几何不平顺矢高；v为车速；L为几何曲线波长。计算中将车轮荷载简化为圆形均布荷载，汽车荷载按照最不利情况布置。

计算结果如图3所示。

图3 动应力沿深度变化曲线

由图3可知：交通荷载附加动应力沿路基深度逐渐衰减，到3 m处已经衰减约80%左右；不考虑基坑和考虑基坑因素，路面最大动应力分别为30 kPa和32 kPa，基坑开挖影响下路基动应力增加约2 kPa，说明基坑应力释放条件下路基的动力响应呈加剧趋势，但加剧的程度相对较低，基本可忽略不计。由此可见，基坑工程不会影响到公路行车安全。

3 结 论

(1)随着基坑开挖深度增加，无论是竖向沉降还是水平侧向位移，均呈增长趋势；基坑开挖结束时，地下连续墙顶部累积沉降值约为13.2 mm，侧向位移约为7.1 mm；考虑路基荷载作用时，地下连续墙顶部累积沉降和侧向位移依次为14.5 mm和7.8 mm，相应增加了9.85%和9.86%，说明路基荷载对基坑工程影响较小。

(2)动应力沿路基深度逐渐衰减，到3 m处已经衰减约80%左右；不考虑基坑和考虑基坑因素时，最大动应力为30 kPa和32 kPa，差值仅为2 kPa，说明基坑工程对公路行车安全影响较小。

临近既有公路开展基坑工程实践，如何同时满足基坑支护结构安全及公路交通正常安全运行，一直是工程界的难题之一。文中随结合数值模拟进行了探讨，仍存在诸多不足之处，后续还需进一步深入研究。

[1] 宋广，宋二祥．基坑开挖数值模拟中土体本构模型的选取[J].工程学报，2014，31(5)：86-94.

[2] 唐业清，李启明，雀江余.基坑工程事故分析与处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[3] 张强勇.岩土工程强度与稳定计算及工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

2017-03-03

邓翔(1982-)，男，湖南长沙人，硕士，工程师，主要从土木工程施工及管理方面的工作。

TU457

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：1008-3383(2017)07-0020-02