基坑开挖对地铁高架桥桩影响的模型试验研究

戚桠童 汤智钧 杨小平 刘庭金,2

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

0 引言

近年来，广州地区地铁建设蓬勃发展，而地铁高架桥轨道对横向位移和平顺性要求极为严格，《城市轨道交通结构安全保护技术规范》要求轨道横向高差预警值应小于2mm，轨向不平顺预警值应小于2mm。由于地铁高架桥梁高度较高，桩基位移传至梁体时放大效应明显，故桥梁桩基的变形不仅劣化桥梁承载能力且极易危害桥梁上部结构安全。

由于地铁对地方经济建设的巨大推动作用，往往在其运营初期，地铁线路周边便涌现出一批工程项目，而大量新建项目的基坑工程不可避免地处于地铁高架桥保护范围以内。基坑开挖引起周边土体发生应力释放效应，进一步导致临近的桩基产生附加应力而发生变形。特别是在广州地区，由于软土层深厚且多为淤泥和粉质黏土，土体的压缩模量和地基承载力较低，在此类上软下硬地层中进行基坑开挖更容易对地铁高架桥桩造成不利影响[1]，因此紧邻地铁高架桥的基坑开挖对于桥梁桩基的影响亟待深入研究。

基坑开挖条件下桩基的侧向变形和内力发展是施工监测和控制的重点；目前针对基坑开挖对桥墩影响的研究较多，而对桥梁桩基影响的研究较少；现有基坑开挖模型试验大多研究对象为建筑桩基，暂无针对地铁高架桥梁桩基的模型试验；现有模型试验大多是针对单一土层中的基坑开挖，而针对上软下硬地层中基坑开挖的模型试验较少。因此有必要针对上软下硬地层中基坑开挖导致地铁高架桥桩受到不利影响开展室内模型试验，研究不同因素下基坑开挖对地铁高架桥桩的影响。

本文针对基坑与地铁高架桥桩的不同平面距离开展模型试验，分别从不同平面距离、不同开挖深度、前桩和后桩对比三个方面出发，对地铁高架桥桩的力学性能变化规律进行总结分析。

1 模型试验设计

1.1 模型土层设计

根据试验场地大小和监测方案可行性等因素，经综合考虑，本次试验相似比设置为1∶20。黄大维[2]等研究指出，在弹性范围内模型土的粘聚力与内摩擦角对试验结果影响较小，因此，在本次试验设计方案中，不考虑模型土的内摩擦角与粘聚力的相似比条件。实际工程中桥桩结构所处地层上部存在深厚软土，而下部为中风化泥质粉砂岩，参考实际工程地质情况将软土层、岩层厚度分别设计为0.92m、0.80m。其中软土采用“河砂+橡胶粒”模拟，通过调节河砂与橡胶粒的配比从而得到模型软土弹性模量为1.24MPa；岩层材料采用“重晶石粉+石英砂+石蜡”模拟，并通过大量实验对比发现，当三者的比例为0.9∶1.5∶0.08时，材料与实际岩层相似度较好，得到岩层材料弹性模量为96MPa。

1.2 模型桥梁结构及围护结构设计

本次试验选取广州某地铁高架桥所采用的单墩四桩承台基础作为研究对象，地铁高架桥上部结构为简支钢筋混凝土梁，混凝土等级为C30。桥梁原型结构的桥桩桩长为26m，桩径1.2m，根据相似比可得模型桥桩桩长为1.3m，桩径60mm。模型桥梁结构示意如图1所示，其中靠近开挖侧的桩为前桩，远离开挖侧的为后桩。

图1 模型桥梁结构示意图

桥桩模型采用“水-石膏-硅藻土”材料模拟，弹性模量为1.55GPa。钢筋采用镀锌钢丝模拟，抗拉屈服强度为165MPa。基坑围护结构采用地连墙，考虑相似比后选用15mm厚的PVC板模拟地连墙，平面尺寸为长×宽=1.2m×0.9m。

1.3 监测方案

为探究基坑开挖对桥梁下部结构的影响，试验中采用多种测试手段，主要测试项目包括桥桩应变、承台位移、承台沉降及桥墩位移。试验采用的位移计可以直接显示桥梁结构的位移，且通过对应变片数据的处理分析，可得出桥桩的弯矩以及桩身位移大小。本次试验在前桩和后桩中各取了一根进行监测，分别在两根桩的两侧每隔100mm布设一个应变片，每侧布设13个点，当基坑开挖至底层并持载1h后停止监测。

1.4 试验方案设计

本次试验为了能较好地模拟桥梁结构在上软下硬地层中的受力和变形特征，参考实际工程将桥桩嵌岩深度设定为0.5m，基坑采用悬臂开挖的形式，地连墙插入基坑最终开挖面以下0.43m，基坑宽度为0.76m。此外本试验通过砝码堆载的方式模拟上部荷载，考虑相似比后计算得出堆载重量为35kg。

本次试验将桥桩距基坑平面距离分别设为0.15m、0.25m、0.35m，总共开展三组试验。每组试验内，基坑开挖深度为1.32m，分四层开挖，每层深度均为0.33m，每层开挖完成后持载1h。

2 模型试验结果分析

桩身弯矩根据桩身应变计算得出，桩身位移曲线则通过弯矩曲线的二次积分得到。桩身弯矩与位移曲线见图2～图5所示，其中横坐标为桩身弯矩或桩身位移，纵坐标为桩深，即桩身某处距桩顶的竖向距离，试验中岩土分界面位于桩深0.8m处。

图2 不同平面距离下桩身弯矩图

2.1 桥桩距基坑不同平面距离的影响分析

基坑开挖导致坑周不同距离处土体的侧向变形不同，因此对不同平面距离下的桩基影响也不同。基于相同的开挖深度（H=1.32m），对不同平面距离下（D=0.15m、0.25m、0.35m）地铁高架桥桩的受力和变形进行分析。不同平面距离下桩身弯矩和水平位移如图2、图3所示。

图3 不同平面距离下桩身水平位移图

从图2、图3可知：

（1）双桩（前排桩及后排桩的统称，下同）的桩身弯矩随着平面距离的减小而增大，且反弯点有逐渐下移的趋势。当平面距离从0.35m减小为0.25m时，前桩的最大弯矩增加了40.2%，而当平面距离减小为0.15m时，前桩的最大弯矩增加了154.6%。这是由于距离开挖侧越近土体位移越大，相应的侧向土压力越大，使得桩身弯矩产生较大增幅。

（2）随着离开挖面距离的增加，桩身水平位移逐渐减小。在平面距离为0.15m、0.25m、0.35m的工况下，从桩顶到桩身0.8m处（即岩面处）前桩桩身水平位移依次减小了93.6%、90.8%、92.8%，由此可得桩身位移在上部软土区变化较大。

2.2 基坑不同开挖深度的影响分析

为了探讨基坑开挖深度对桥桩的变形和内力的影响，基于相同的平面距离（D=0.15m），对不同基坑开挖深度时（H=0.33m、0.66m、0.99m、1.32m）桩身的受力和变形进行研究。不同开挖深度下桩身弯矩和水平位移如图4、图5所示。

图4 不同开挖深度下桩身弯矩图

图5 不同开挖深度下桩身水平位移图

从图4、图5可知：

（1）随着开挖深度不断增大，桩身最大弯矩也在逐渐增大，并且前桩的反弯点有逐渐下移的趋势。即随着基坑的开挖，前桩靠近基坑的一侧受拉范围逐渐扩大。

（2）基坑前两层开挖时桥桩桩身弯矩增幅较大，后两层开挖时桩身弯矩的增长趋势明显放缓。且在桩身1.0m以下的范围内，双桩的弯矩和位移均较小。分析认为，这是由于下部岩层自身刚度较大，限制了桩身内力和变形的进一步发展，而上部软土易受到扰动而产生较大位移，对桩基产生不利影响。

（3）基坑前两层开挖时桥桩的位移增幅较大，分析认为开挖导致的软土侧向位移较大，且作用在桩顶的荷载随着桩顶位移的增大逐渐变成偏心荷载，对桥桩受力和变形造成更加不利的影响。而开挖至岩层后土体位移较小，桥桩的桩身位移增幅也逐渐减小。

2.3 前桩和后桩对比分析

鉴于地铁高架桥属于单墩四桩的特殊桥梁结构，其结构内的前桩和后桩受基坑开挖的影响也是不同的。结合图2～图5，对前桩和后桩的受力和变形模式进行对比分析，得到以下结论：

（1）双桩的桩顶位移基本一致，这是因为在承台的约束下，双桩的桩顶发生协同变形。整体位移分布模式上，前桩和后桩存在一定差别。

（2）由于前排桩的遮挡效应，后排桩位移较小，且后排桩在岩层内出现了反方向位移，这是因为桩自身刚度较大，桩身上部在受到土体挤压后，整体绕岩面处产生了一定的刚体转动。

（3）在单侧开挖卸荷条件下，双桩均呈现靠近桩顶部分开挖侧受拉，岩面附近非开挖侧受拉的特点。

（4）前桩桩身最大弯矩出现在软土和岩层的分界面处，距桩顶0.8m处；后桩的最大弯矩出现在桩身中部，距桩顶0.6m处。且不同工况下前桩的最大弯矩均大于后桩，分析认为下部岩层对前桩起到了较强的约束作用，导致弯矩在此处出现峰值。

3 结束语

本文采用模型试验，研究在上软下硬地层中，基坑开挖对地铁高架桥桩弯矩和位移的影响，得出如下结论：

（1）随着桥桩距基坑平面距离的减小，桥桩自身的桩身弯矩和位移将会增大。平面距离越小，桩身弯矩的增幅越大，且在上软下硬地层进行基坑开挖时，桩身位移在上部软土区变化较大。

（2）随着开挖深度的不断增大，桥桩的受拉范围逐渐增大，内力和变形也进一步发展。在软土区进行开挖时，桥桩的弯矩和位移变化量明显大于在岩层中开挖。

（3）前桩和后桩由于受承台的约束作用，桩顶位移基本一致，但二者桩身位移分布模式不同，其中前桩呈挠曲式分布，后桩呈悬臂式分布。由于下部岩层的强约束作用，导致受影响较大的前桩弯矩最大值出现在岩土分界面。