土岩组合地区基坑开挖对扩展基础桥墩沉降影响研究

张向东，刘 刚，李 军

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

0 引言

近年来，我国城市的快速发展以及城市化水平的不断提高，快速轨道交通进入大发展时期。据统计显示，2017年我国有30座城市新增63条即将开工的轨道交通线路，合计里程1 581.35 km，车站826座。随着基坑工程越来越多，基坑的建设不仅要保证其自身结构的稳定性，还要保证周围建筑物以及公共设施的正常使用。基坑开挖对基坑周边环境的影响、甚至基坑工程的安全都非常重要[1]。基坑的开挖会造成周边土体卸荷，使临近建筑、构筑物产生沉降，从而对周围环境产生较大影响。因此，基坑开挖造成的周边设施影响的研究对于基坑工程的设计、施工等都具有重要的现实意义。

对于基坑开挖引起周边地表沉降的研究，R.B.PECK教授通过工程实测统计得出了一套与土性及开挖深度有关的地表沉降估算方法[2]。聂宗泉等[3]基于现阶段刚度较大的支护结构，通过对多个深基坑开挖引起地表沉降的实测资料的整理、分析，提出按偏态分布密度函数拟合基坑周边地表沉降曲线的方法，并推导出软土地区深基坑开挖引起地表沉降的估算公式。赵志峰等[4]提出将坑外深层土体竖向变形分为凹槽沉降区、过渡区和隆起区；龚士良等[5]通过对基坑工程典型案例的总结分析，研究了基坑开挖引起地面沉降的变化规律，并提出基坑工程地面沉降的技术准则。在基坑开挖引起临近建筑沉降研究方面，范凡等[6]结合工程经验和数值分析探讨了坑外土体随深度的变化规律，提出了坑外开挖面深度以上土体沉降分布的简化计算公式。刘念武等[7]基于深基坑工程的实测资料，对基坑开挖引起土体变形以及建筑变形进行了分析，研究建筑沉降与地表沉降的关系。閤超等[8]结合基坑工程现场监测结果，分析了基坑开挖导致临近建筑物沉降变形的发展过程，并提出支护桩间水土流失及不当的施工工序是诱发浅基础建筑沉降过大的根本原因。王浩然等[9]通过对有限元计算结果的分析及拟合，推导了地表最大沉降简化计算公式和沉降预测曲线，并提出采用地表沉降预测曲线作为预估上海地区板式支护体系基坑开挖对环境影响的简化公式。

目前，关于深基坑开挖对周边环境造成影响的研究多侧重于软土地区，土岩组合(上覆土层，下为岩层)地区深基坑开挖对周边土体造成沉降影响的研究多数基于软土地区的经验基础之上。由于不同地区的土层条件存在差异，如果直接将基于软土地区的公式直接应用于土岩组合地区，结果可能会产生较大偏差。在土岩组合地区基坑开挖引起周边地表沉降的研究方面，黄敏等[10]通过有限元模拟，对不同条件下基坑开挖引起的地表沉降特征进行了分析，得到基坑开挖引起地表沉降的一些定性和定量的规律。彭晶[11]研究了建筑物至基坑距离、建筑超载作用深度等因素对建筑物基础沉降规律的影响，并通过拟合分析出建筑物基础沉降的表达式。蔡景萍[12]通过大量现场实测数据分析，研究了土岩组合地层地铁深基坑地表变形规律。

土岩组合地区已有许多深基坑工程的开挖实例，但针对土岩组合地区基坑开挖引起附近建筑沉降的研究相对较少。本文以徐州土岩组合地区某地铁车站深基坑工程为背景，基于三维有限元程序Midas-GTS-NX模拟该基坑工程开挖对浅埋基础桥墩造成的沉降影响。

1 工程实例研究

1.1 工程概况

研究地铁车站深基坑总长度为262 m，车站标准段宽度为21 m，车站标准段基坑深度为15.66～16.33 m。采用明挖顺做法施工，车站主体围护结构采用800 mm厚地下连续墙，其长度为19 m，嵌入中风化石灰岩深度为3 m。采用砼支撑+钢管内支撑形式；第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，尺寸为800 mm×800 mm，支撑水平间距7 m。墙顶设置钢筋混凝土冠梁，冠梁尺寸1 200 mm×800 mm，冠梁作为第一道钢筋混凝土支撑的围檩，地下连续墙与冠梁采用C30混凝土。另外两道支撑均采用内径609 mm Q235钢支撑，壁厚t=16 mm(图1)。

基坑北侧是三道中河扩大基础式简支梁桥。桥墩为双柱式实体桥墩，桥墩基础中心至基坑边距离d=15 m，桥墩截面直径0.9 m，两柱间距0.59 m。桥墩扩展基础一层台尺寸为8 m×2.6 m×0.8 m，二层台尺寸为9.3 m×4.2 m×0.8 m。对桥墩的两个墩柱进行编号，靠近基坑一侧墩柱为1#墩，远离基坑一侧墩柱为2#墩。

图1 基坑断面图Fig.1 Cross-sectional drwing of the foundation pit

1.2 监测项目及方法

依据本工程的要求、周围环境、基坑本身的特点及相关工程的经验，按照安全、经济、合理的原则，需在1倍以上3倍以内基坑开挖深度影响范围内布置监测点。施工过程中，除基坑开挖所必须的常规监测外，尚应在1#和2#墩柱布置竖向位移监测点(监测点号分别为Q1和Q2)，并在基坑另一侧相同断面地表布置沉降观测点，研究其在基坑开挖期间的沉降情况，CJ5、CJ10分别与1、2号墩柱至基坑距离相同基坑测点布置见图2。

图2 桥墩和地表竖向位移监测点布置图Fig.2 Layout of monitoring points on piers and surface

2 土岩组合地区沉降预测理论

土岩组合地层基坑周边地表沉降形式和软土地区相类似，聂宗泉等[3]基于软土深基坑开挖引起地表沉降实测曲线的拟合分析，提出偏态分布的沉降计算模型，图3为计算模型简图，模型假定：

图3 基坑开挖引起地表沉降计算简图Fig.3 Calculation model of surface settlement induced by foundation pit excavation

(1)地表沉降曲线为偏态分布，即：

(1)

式中：δ(x)——墙后任一点地表沉降量/mm；

xm——最大沉降点距离基坑边距离/m；

Sw——沉降曲线包络面积/mm2；

ω——经验系数，软土基坑可取0.6～0.7；

x——待求沉降点距离基坑边距离/m。

(2)最大沉降点位置和基坑开挖深度成比例关系，即：

xm=αh

(2)

式中：α——比例系数，软土地区通过插入比判断取值；

h——开挖深度/m。

(3)沉降曲线包络面积Sw与支护结构变位曲线包络面积Sp之间存在比例关系，即：

Sw=β·Sp

(3)

式中：β——比例系数，软土地区通过插入比判断取值；

Sp——支护结构变位曲线包络面积/mm2。

土岩组合地区地下连续墙嵌入岩石并且插入深度较小，α、β无法带入经验取值，本文试图通过实际监测沉降数据对预测曲线进行拟合。研究表明，支护结构水平位移的分布规律可按抛物线考虑，即：

u(z)=a0+a1z+a2z2

(4)

式中：a0、a1、a2——待求参数。

支护结构变位曲线包络面积为：

(5)

式中：H——地下连续墙深度/m；

a0,a1,a2——为待求参数。

式(4)、(5)中，沿基坑深度方向实测位移点坐标为(z,u)。

周贺[13]根据大量有限元计算结果分析得出土岩组合地区ω取0.67，已知实测墙顶位移a0=0.82 mm，地连墙最大水平位移点坐标为(zm=11 m，um=13.8 mm)，根据抛物线函数性质求得：a1=2.36 mm，a2=1.08 mm。将各参数代入式(5)求得Sp=1.78 m2。

将各参数代入式(1)可得：

(6)

根据公式(6)，利用Oringin数值分析软件的公式编辑功能对监测数据进行拟合，拟合曲线见图4，得到拟合参数：α=0.86，β=1.89。代回公式(6)可得到适用于该土岩组合基坑开挖过程的地表沉降预测曲线：

(7)

图4 坑外地表沉降预测曲线Fig.4 Prediction curve of surface settlement outside the foundation pit

3 数值模型的建立

基坑开挖施工中许多情况下周边土体处于塑性状态，可采用理想弹塑性模型对土体进行数值分析。本文基于三维有限元程序Midas-GTS-NX进行分析，采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型，不考虑土体固结引起的长期沉降，墩身、基础及基坑围护结构均采用弹性本构模型。岩土体及结构材料参数取值见表1。建模时考虑了以下几个问题：

表1 土层及结构参数表

(1)基坑实际尺寸很大，为提高运算效率和计算收敛，根据圣维南原理(Saint-Venant’s Principle)，远离桥墩的基坑开挖对桥墩没有影响。因此，可只对靠近桥墩的18 m的基坑区间段进行模拟，其他基坑区域作为约束边界考虑；

(2)桥梁主体、车辆和行人等作用在桥墩的外界荷载等效成集中荷载为2 000 kN作用于墩柱截面上；

(3)基坑开挖前，先进行原始地应力和桥墩模拟，并进行位移清零，然后才进行基坑开挖的模拟。本着“分层开挖、及时支撑、严禁超挖”的原则，每一次土体开挖和支撑施工作为一个工况进行模拟，施工工况表见表2。共6个施工工况，开挖4次，支撑3道(表2)。

表2 施工工况表

有限元模型见图5、图6，有限元模型尺寸为93 m×18 m×23 m，桥墩基础一层台尺寸9 m×3 m×1 m，二层台尺寸10 m×4 m×1 m。桥墩基础中心距离基坑15 m，其埋深为2 m。

图5 基坑开挖后的模型Fig.5 Foundation pit model after excavation

图6 围护结构和桥墩Fig.6 Enclosure structure and pier

4 数值模拟分析

4.1 地表最终沉降分析

从图7可以看出，在基坑开挖完成后，模拟曲线的主沉降区域距离基坑边5～15 m，最大沉降位置距离基坑边10 m，最大沉降量为9.36 mm，沉降影响范围约30 m为2倍基坑开挖深度。由于数值模拟计算时选取了一部分理想计算模型，忽略了许多不确定因素，故数值模拟计算结果小于实际监测值。通过SPSS软件进行相关度分析，模拟沉降曲线和监测沉降曲线线性相关度为0.93，说明计算结果与实情吻合度较高，有限元模型参数和计算方法选取是合理的，能够很好的模拟工程施工的实际情况。

图7 地表沉降实测值和模拟曲线对比Fig.7 Comparison of measured and simulated curves of surface settlement

4.2 地表沉降曲线的发展过程

基坑周边地表沉降发展过程如图8所示。地连墙施工结束后，基坑周边地表竖向位移基本小于0.5 mm，沉降曲线接近水平，沉降影响范围在墙后15 m范围内，即地连墙施工引起的坑外地表沉降可以忽略不计。在完成第一层土体开挖时，坑外地表出现沉降量依然较少，说明在开挖深度较浅时冠梁能较好的控制周边土体的变形。随着开挖深度的不断加深，土体竖向位移呈增大趋势，沉降影响范围也随之扩大，最大沉降位置逐渐远离基坑。地表在基坑各开挖阶段最大沉降值分别为0.60 mm、1.60 mm、3.83 mm、7.52 mm 和9.36 mm，每个开挖阶段沉降值分别占最终沉降值的6%、11%、23%、40%和20%。在整个开挖过程中，基坑周边地表沉降曲线呈“勺形”分布，最大沉降值位于距离基坑5～15 m范围。开挖各阶段沉降曲线在墙后15 m左右有拐点，当距离基坑8 m范围以内，沉降值迅速增大，当大于15 m时，沉降值都缓慢减小逐渐收敛至0，沉降影响范围为2倍的基坑开挖深度。

图8 数值模拟各工况地表沉降曲线Fig.8 Numerical simulation of surface settlement curves

4.3 桥墩沉降分析

从图9可以看出，地连墙施工结束时(图中开挖深度0 m处)，1、2号墩沉降值均小于0.1 mm。随着基坑开挖深度增加，桥墩总体沉降值呈增大趋势，1、2号墩差异沉降逐渐明显。各层土体开挖造成桥墩的沉降量分别占其最终沉降量的11%、26%、40%和23%，第三层土体开挖造成的桥墩总体沉降量最大，桥墩与相同位置地表在每开挖阶段造成的沉降量占最终沉降量的比例基本相同。

图9 桥墩沉降值随开挖深度的变化曲线Fig.9 The piers settlement variation with the depth of excavation

范凡等[6]认为基坑外土体沉降随其深度的增加具有折减趋势，并且提出折减系数。本工程中桥墩基础埋深较浅为2 m，可将坑外地表沉降值等同于埋深3 m处沉降值进行研究。开挖完成后1、2号墩沉降值分别为14.19 mm和6.84 mm，相同位置地表CJ5和CJ10沉降值分别为7.84 mm和2.37 mm。说明桥墩及其上部荷载会加大桥墩基础下部土体的竖向位移，若定义k为桥墩沉降量与相同位置地表沉降量的比值，由表3可以判断k大于1且随开挖深度的增加呈增大趋势。

由桥墩沉降量的监测曲线可以看出桥墩最大沉降量发生在第三层土体开挖阶段，1、2号墩最大差异沉降发生在基坑土体开挖完成后，这与数值模拟呈现的规律一致。桥墩沉降实际监测值比模拟计算结果偏小，这主要是由于桥墩基础施工时对基础底土体进行了地基加固处理改变了土体的固结程度，从而造成桥墩基础底部土体沉降较小。

表3 桥墩沉降与地表沉降的比值

4.4 改变桥墩位置

改变数值模型中桥墩至基坑边的距离，研究不同距离时基坑开挖对桥墩的影响。从图10可以看出，当d小于10 m时，桥墩向远离基坑方向倾斜，1、2号墩差异沉降较大且随d的增大而减小，其平均沉降值随d的增大逐渐增大；当d等于10 m时1、2号墩平均沉降值最大，其差异沉降接近零；当d大于10 m时，桥墩向基坑方向倾斜，1、2号墩差异沉降和平均沉降值都随d的增大而减小。说明桥墩的不均匀沉降与桥墩基础下卧土体沉降曲线有一定相关性，其倾斜角度会随桥墩基础下卧土体沉降曲线变化而变化。

图10 改变桥墩至基坑边距离Fig.10 Settlement variation with the distance from the pier to the foundation pit

改变数值模型中桥墩基础的埋深，研究基坑开挖对基础埋深不同的桥墩的影响。从图11可以看出，当随着桥墩基础埋深的增加，1、2号墩的平均沉降值与差异沉降值都呈减小趋势。其主要原因是由于基坑外土体的沉降随深度的增加具有折减的趋势[6]，而桥墩沉降主要来源于其基础下卧土体的变形。

图11 改变桥墩基础埋深Fig.11 Settlement variation with the buried depth of pier foundation

5 结论

(1)通过将地表沉降和桥墩沉降的模拟结果与实测沉降值进行对比分析，结果表明有限元模拟在分析基坑开挖对扩展基础桥墩沉降影响方面具有可靠性，计算结果可以很好的反映基坑施工的实际情况。

(2)在整个开挖过程中，基坑周边地表沉降曲线呈“勺形”分布。各个开挖阶段的沉降值分别占总沉降值的6%、11%、23%、40%和20%，第三层土体开挖对周边地表沉降影响最大，所以在第三层土体开挖时要加大对围护结构变形及周边环境的监测频率。

(3)桥墩与相同位置地表在每开挖阶段的沉降量占其最终沉降量的比例基本相同。定义k为桥墩沉降量与相同位置地表沉降量的比值，k大于1且随开挖深度的增加呈增大趋势。

(4)桥墩的倾斜角度会随桥墩基础下卧土体沉降曲线的变化而变化，且随着桥墩基础埋深的增加桥墩总体的沉降值与1、2号墩差异沉降值都呈减小趋势。所以对基坑开挖造成的桥墩沉降形式要充分考虑桥墩所处位置。

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