软土地区基坑施工对堤防稳定性影响的控制措施

刘 铭，刘爱华，邹家强，丛沛桐，张 巍

(华南农业大学水利与土木工程学院，广州 510642)

随着中国基础设施的大规模建设，跨河大桥工程越来越多。这些大桥一般采用钢筋混凝土灌注桩基础，通过承台与桥墩连接。桥墩的承台一般为地下式，因而在承台施工过程中形成了较大规模的基坑。基坑的开挖施工会引起周围土体变形，对其临近的土堤稳定性产生影响，进而对防洪安全构成威胁。

由于基坑开挖破坏了岩土体的应力平衡，将不可避免的在开挖影响区域内引起地表沉降和地层移动，对区域原有建筑产生一定影响[1-5]。许多学者针对不同地区土体的基坑开挖对临近隧道、地铁、地下结构等建筑物的影响问题进行了研究，分析了在不同土体力学参数和不同支护措施下基坑开挖对临近建筑物的影响[6-10]。丁勇春等[11]基于FLAC3D(三维快速拉格朗日方法)建立了考虑土体与结构相互作用的三维整体计算模型，研究基坑开挖对临近建筑的影响，探讨了不同基坑支护方案及技术措施对基坑变形控制及历史建筑保护的有效性；胡琦等[12]通过对杭州地区典型软黏土及其扰动土的室内单元体试验研究了扰动对软黏土工程特性的影响，发现施工扰动会破坏土的结构屈服应力，导致土的压缩性增大、强度降低，会加剧基坑开挖施工对周边环境的影响；刘念武等[13]结合深厚软黏土地区某个地铁车站深基坑工程进行了系统性监测，结果表明地下连续墙成槽会引起临近土体侧向位移;左殿军等[14]基于ABAQUS数值模拟研究了基坑开挖对临近地铁隧道的影响，计算结果表明随基坑开挖深度加深，地表沉降及隧道衬砌位移逐渐变大；刘东燕等[15]基于FLAC3D模拟深圳某软土深基坑开挖并分析基坑变形的影响因素，研究结果表明提高围护结构刚度能较为显著改善基坑变形；叶帅华等[16]通过对兰州地区湿陷性黄土基坑开挖进行了监测，监测数据表明在基坑开挖过程中支护支撑轴力随着基坑开挖趋于稳定。

然而，对于软土地区的基坑而言，由于土体力学参数较低，基坑开挖后周围土体的变形更大，且更容易发生塑性流动，因而将对临近建筑物造成更大的影响[17-20]。基于此，结合工程实例，以数值分析为主要手段，研究软土地区基坑施工对其附近土堤稳定性的影响，并重点研究不同支护措施下的影响，以期为基坑支护措施设计提供指导建议。

1 工程背景

某大桥工程跨越广东省中山市某河涌，全桥桥跨布置为2 m×210 m双层钢箱梁独塔斜拉桥，全长420 m。引桥及主桥均采用群桩基础。主桥索塔基础为2个深度为5 m的基坑，平面尺寸均为约21.3 m×28.8 m，开挖深度为5 m，如图1所示。该基坑距离河道土堤堤脚约20 m。土堤的堤顶宽为8 m，堤身高度为2.8 m，上、下游边坡均为1∶3.0，堤身为人工填土。

图1 基坑平面布置图Fig.1 Foundation pit layout

根据地质钻孔揭露的地质资料，该工程地层结构较简单，主要包括素填土、淤泥、淤泥质土、粉质黏土。室内试验结果表明，各土层力学参数较低，其中，淤泥层厚度约为34.2 m，力学参数最低。

由于主桥索塔承台基坑距离河道土堤堤脚仅约20 m，且基坑处地质条件较差，基坑开挖施工可能会影响土堤稳定性，因此需研究采用合适的支护措施，以确保基坑施工不会影响土堤的稳定。

2 数值分析计算理论

为研究不同基坑支护措施下基坑施工对土堤稳定性的影响，采用岩土通用FLAC3D软件开展计算分析。数值计算中，各层土体采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)理想弹塑性模型。可能的支护手段包括钢板桩、内支撑、围檩等，采用结构单元进行模拟。

FLAC3D采用显式有限差分法进行数值求解，计算流程如图2所示。显式有限差分法的计算理论如下[21]。

2.1 运动方程

FLAC3D以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为式(1)的形式。

(1)

将式(1)左端用中心差分来近似，则可得到：

(2)

2.2 本构方程

本构关系有：

(3)

2.3 应变、应力及节点不平衡力

FLAC3D由速率来求某一时步的单元应变增量，如式(4)所示：

(4)

式(4)中:Δeij为应变增量；vi和vj为速率；Δt为时间增量，下标,i和j分别表示对坐标i和j的偏导。

通过式(4)得到应变增量，进而可由本构方程求出应力增量，对各时间步的应力增量叠加即可得出总应力。

2.4 阻尼力

对于静态问题，在式(1)的不平衡力中加入非黏性阻尼，以使系统的振动逐渐衰减直至达到平衡状态(即不平衡力接近零)，将式(1)变为

(5)

阻尼力为

(6)

式(6)中：α为阻尼系数；sign为符号函数，定义如式(7)所示：

(7)

图2 显式有限差分法计算流程Fig.2 Explicit finite difference method calculation process

3 计算过程

3.1 计算模型

主桥索塔基坑为2个深度为5 m的基坑，平面尺寸均为约21.3 m×28.8 m。根据模型的对称性，选择靠近连接堤防的基坑建立计算模型。计算模型以主桥索塔基坑中心为坐标原点，x轴与堤轴线垂直，以指向堤防的外江侧为正；y轴与堤轴线平行，指向左岸为正；z轴为铅直向，以向上为正。计算模型的坐标原点位于基坑中心的0.0高程处。模型计算范围：x方向为-24.4～74.1 m，y方向为0～100 m，z方向为-40.1～2.6 m。模型共剖分了16 984个单元和19 067个节点(图3)。根据地质勘察报告，计算模型共包含5种地层：堤身填土、素填土、淤泥质土、淤泥、粉质黏土。

图3 三维模型网格Fig.3 3D model grid

3.2 计算参数

计算分析采用的岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 主要土层物理力学指标Table 1 Main soil physical and mechanical indicators

3.3 计算工况

根据基坑施工过程、以及可能的基坑支护措施，拟定的工况如表2所示。在初始工况下，计算分析基坑开挖前周边土体初始应力状态，初始应力状态主要由土体自身重力作用产生。在基坑开挖工况下，在开挖临空面释放荷载作用下基坑周围土体产生变形，并引起应力重分布。

表2 拟定计算工况及工况条件Table 2 Formulations of calculation conditions and cases

为研究不同支护措施下基坑开挖施工对周围土体的影响，拟定了不考虑支护措施、仅钢板桩支护、钢板桩加一层内支撑支护、钢板桩加二层内支撑支护共4种工况进行对比计算分析。其中，钢板桩采用深度为18 m的拉森III型钢板桩，内支撑的钢围檩采用双拼588型钢，上层内支撑采用DN630×8 mm的钢管，下层内支撑采用DN820×10 mm的钢管。

4 计算结果分析

基坑开挖前的初始工况(工况A)，第一主应力和第三主应力分布分别如图4(a)、图4(b)所示。由图4(a)、图4(b)可知，第一主应力和第三主应力等值线总体分布平缓，高程越低，初始地应力越大。在基坑开挖区域，第一主应力在-50～0 kPa左右，第三主应力分布在-100～0 kPa左右。

不考虑支护基坑开挖工况(工况B)，由于基坑周围土体参数较低，计算无法收敛，可见，若不考虑支护措施，基坑周围土体将失稳，进而威胁土堤稳定性。考虑支护下的各基坑开挖工况(工况C1、工况C2、工况C3)，计算均能收敛。为方便与其他考虑支护措施的工况进行对比，对不考虑支护开挖工况(工况B)，由于计算不收敛，因此取程序终止时(迭代8 900次)的计算结果进行整理。

各工况基坑开挖后，基坑四周土体应力发生明显的重分布。考虑支护下的各基坑开挖工况(工况C1、工况C2、工况C3)的应力分布规律总体接近，以钢板桩加二层内支撑支护下的基坑开挖工况(工况C3)为例，工况C3第一主应力和第三主应力分布分别如图4(c)、图4(d)所示。

图4 第一主应力和第三主应力分布Fig.4 First principal stress and third principal stress distribution

各工况基坑开挖后的变形如图5所示。由图5可知，基坑开挖后，周围土体发生变形。若不考虑支护措施(工况B)，土体最大位移超过1.8 m，基坑实际上已经失稳。考虑支护下的各基坑开挖工况(工况C1、工况C2、工况C3)，土体最大位移均发生在基坑正下方钢板桩底部高程附近，最大值差别不大，均在0.19～0.20 m。各工况基坑开挖后堤脚的变形如图6所示。由图6可知，支护措施越强，堤脚变形越小，即基坑开挖对土堤安全性的影响越小。

图5 各工况基坑开挖后的变形Fig.5 Deformation after excavation of foundation pits under various cases

图6 各工况基坑开挖后堤脚的变形Fig.6 Deformation of the embankment after excavation of foundation pits under various cases

图7 各工况基坑开挖后的塑性区Fig.7 Plastic zone after excavation of foundation pits under various cases

各工况基坑开挖后的塑性区如图7所示。其中图7(a)计算不收敛，表明基坑开挖后不能维持自身稳定。不考虑支护基坑开挖工况(工况B)和仅采用钢板桩支护工况(工况C1)，周围土体塑性区扩展范围很大，蔓延至土堤底部，威胁土堤安全。考虑钢板桩加内支撑支护的各基坑开挖工况(工况C2、工况C3)，支护措施越强，塑性区范围越小，即基坑开挖引起的土体扰动越小，对土堤安全性的影响也相应越小。考虑支护下的基坑开挖工况(工况C3)钢板桩第一主应力及内支撑轴力如图8所示。考虑支护下的各基坑开挖工况(工况C1、工况C2、工况C3)的支护结构应力如表3所示。支护结构应力在钢材的允许值之内(屈服强度为235 MPa)，说明支护结构不会发生破坏。

图8 工况C3的钢板桩第一主应力及内支撑轴力Fig.8 The first principal stress and the inner support axial force of the steel sheet pile in case C3

表3 考虑支护下的各基坑开挖工况支护结构应力Table 3 Considering the stress of the supporting structure under the excavation condition of each foundation pit under the support

5 讨论

对于普通基坑而言，一般工程经验认为，基坑开挖的影响范围为3～5倍的基坑开挖深度。然而，对于软土地区的基坑而言，由于软土力学参数较低，若不采用支护措施[如工况B计算结果，如图6(a)所示]，基坑开挖后塑性区可能会不断扩展，发生较大范围的塑性流动，基坑开挖的影响范围将会明显大于经验值。

对比考虑支护下的各基坑开挖工况(工况C1、工况C2、工况C3)的计算结果可知，支护措施越强，堤脚变形越小，基坑开挖对土堤安全性的影响越小。从塑性区范围而言，支护措施越强，塑性区范围越小，即基坑开挖引起的土体扰动越小，对土堤安全性的影响也相应越小。

对于深度不大的基坑，钢板桩支护为常见支护手段。计算表明，若仅采用钢板桩支护(工况C1)，周围土体塑性区范围仍然较大，可见由于周围土体的力学参数较低，仅采用钢板桩支护并不能很好的控制土体的破坏。增加内支撑后(工况C2和工况C3)，基坑周围土体的塑性区范围均较小。对于土堤而言，周围土体均在弹性范围内。因此，此时基坑施工不会影响土堤安全性。出于防洪安全可靠性考虑，推荐采用方案C3，即钢板桩加二层内支撑的支护方案。

6 结论

由于软土地区的土体力学参数较低，该地区基坑开挖与一般地区基坑开挖不同，将对临近建筑物产生更大的影响。结合某实际工程，以数值分析为主要手段，研究了软土地区基坑施工对其附近土堤稳定性的影响，并重点对基坑施工影响的控制措施进行了研究。得到以下结论。

(1)对于软土地区的基坑而言，由于软土力学参数较低，若不采用合理的支护措施，基坑开挖的影响范围将明显大于经验值，需要引起重视。

(2)对于深度不大的基坑，钢板桩支护为常见支护手段。但对于软土地区的基坑而言，仅采用钢板桩支护并不能有效地控制基坑开挖对周围土体的扰动。在钢板桩内部增加1～2层内支撑之后，基坑开挖扰动能得到有效控制，从而保障临近建筑物的安全性。