公路桥梁深基坑及排桩围护结构变形特性研究

摘要：文章通过现场监测和数值模拟，研究了基坑开挖过程中水平位移与竖向沉降的变化规律，对不同施工工序下支护结构变形的差异作了分析。结果表明：随着基坑开挖，监测点水平位移整体上持续增大，基坑开挖完毕后峰值水平位移达到了16.8mm，远小于基坑沉降监测的预警值；最大峰值沉降出现在位于基坑东南角位置处，为7.1mm，说明排桩对基坑沉降和水平位移变形起到了较为明显的改善作用；增加衬砌厚度能明显改善排桩桩顶水平位移，但随着衬砌厚度的逐渐增大，其改善效果随之降低；与桩顶水平位移规律相反，增加衬砌厚度反而会引起桩顶沉降的增加。

关键词：桥梁工程；深基坑；排桩支护；数值模拟

中图分类号：U445.55+1" " " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.058

文章编号：1673-4874（2024）11-0200-03

0引言

随着我国基建工程的发展和需要，深基坑工程项目日益增多，也衍生出许多安全隐患。为此，针对深基坑开挖过程中的变形规律、受力特征以及相应的加固措施，许多研究人员进行了一系列研究。

赫德亮等［1］依托济南地铁黄河隧道南岸工作井基坑工程，通过FLAC3D有限元软件分析了基坑开挖过程中地下连续墙变形的模型参数效应，对深基坑硬化土模型参数进行了敏感性分析。白晓宇等［2］基于青岛某基坑工程，开展了微型钢管桩支护结构现场试验，对深基坑土-岩界面微型钢管桩的受力特征进行了研究。邓娜等［3］依托成都市地铁某车站工程，开展了现场监测和数值模拟研究，分析了基坑开挖过程中砂卵石地层地铁车站基坑支护结构变形规律。黄建华等［4］基于HS-Small模型，对深基坑开挖-降水过程进行了数值模拟，对降水的主要影响因素进行了敏感性分析。杨涛等［5］采用两阶段分析法对公路桥梁在基坑开挖-卸载作用下的受力变形规律作了分析，并结合数值模拟方法，对公路桥梁桩基受力变形响应进行了研究。宗晶瑶等［6］建立了明挖基坑与邻近高铁桥梁的二维有限元模型，分析了明挖基坑对邻近高铁桥梁变形影响的主要因素，并提出了相应的改善措施。

在本篇文章中，依托某跨河桥梁深基坑项目，进行了现场监测和有限元数值模拟，提出了排桩深基坑支护措施，分析了桥梁深基坑开挖过程中水平位移和沉降变化规律，并对每个工序的深基坑支护结构变形规律进行了剖析。本文的研究成果对相似工程有一定的指导、借鉴意义。

1研究背景

1.1工程概况

本文依托某跨河桥梁深基坑项目，该项目桥梁全长185m，设计桥面宽度为7m，桥梁形式为索道桥，桥梁两岸采用重力式锚碇，本文的研究对象为两岸的锚碇基坑。桥位区最大相对高差为11.5m，桥轴线地面最大相对高差为14.6m，地质类型属于侵蚀-剥蚀丘陵地貌。

岩层方面，由上至下依次为第四系人工填土、粉质黏土、卵石土、中风化砂岩、微风化砂岩，场区内未出现区域性断裂构造。地下水方面，该河测时水位为403.5m，河面即为泄洪基准面，地下水类型主要为裂隙水，其水位基本与河面水位一致，因此地表和地下水对基础施工影响较强烈。

1.2施工方案

根据现场实际情况，桥梁岸边基坑采用排桩帷幕进行支护，排桩施工完成后再进行深基坑开挖施工。基坑开挖的最大深度为18m，其中包含2m表层土，计算中开挖深度为16m，内衬为2m厚的C30钢筋混凝土。排桩为钻孔灌注桩，采用钢护筒护壁，设计桩长为27m，嵌岩深度不小于1/3桩长，桩净距≤30cm，底部持力层为中风化基岩，根据水下混凝土施工标准，排桩混凝土强度提升一个等级，为C35抗渗混凝土，排桩施工完成后，设置横向支撑与圈梁于桩顶。

2桥梁深基坑监测分析

对本次桥梁深基坑工程进行了现场监测，主要监测项目包括排桩桩顶圈梁位移沉降和周边环境位移。表1给出了基坑沉降和水平位移的监测预警值。图1给出了基坑周边监测点布置情况。

图2展示了基坑开挖过程中各监测点水平位移时程曲线。从图2中可以看出，随着基坑开挖，监测点水平位移整体上持续增大，但存在小范围的波动。各监测点相比，位于基坑南侧中部的4#监测点位移明显大于其他监测点，基坑开挖完毕后峰值水平位移达到了16.8mm；其次为位于基坑北侧中部的14#监测点，水平位移峰值达到了11.4mm；7#、11#、19#和20#监测点水平位移较小，水平位移峰值均未＞4mm。整体而言，基坑水平位移量较小，远小于基坑沉降监测的预警值，因此水平位移变形方面，基坑符合设计要求。

图3给出了基坑开挖过程中各监测点竖向沉降时程曲线。从图3可以看出，随着基坑开挖的进行，各监测点竖向沉降持续增大，部分监测点受到施工扰动的影响，出现了较为明显的沉降变形波动。相比之下，最大峰值沉降出现在位于基坑东南角的1#监测点位置，沉降峰值达到了7.1mm；其次为位于基坑中部的4#监测点和14#监测点，沉降峰值分别达到了5.6mm和5.1mm；沉降变化最不明显的为11#、19#和20#监测点，随着基坑开挖的进行沉降变化幅度较小，未出现明显的波动，表现较为稳定。整体而言，基坑开挖过程中排桩桩顶的沉降数值较小，远未达到沉降监测预警值，说明排桩对基坑沉降和水平位移变形起到了较为明显的改善作用。

3桥梁深基坑开挖数值模拟

为进一步研究基坑开挖过程中各监测点的变形情况并针对性地进行加固，本文通过有限元数值软件建立了桥梁深基坑数值仿真模型，采用分步施工对基坑开挖过程进行了仿真模拟。

3.1数值模型的建立

根据工程实际情况，基坑开挖计算深度为16m，取3倍基坑开挖深度作为模型高度，即模型高度取50m，模型尺寸为100m×80m×50m（长×宽×高）。排桩支护方面，采用梁单元进行模型，排桩直径设置为1.5m，支护和支撑结构按照弹性材料考虑，土体按弹塑性介质考虑。

边界条件方面，根据工程实际情况和相关模拟经验，模型底部设置为固定边界，四周设为法向约束边界，顶部设为自由边界。

由于设置了双排桩止水帷幕，因此在数值模拟过程中未考虑渗水的影响。在进行网格划分时，对基坑周边进行了局部网格加密处理，共划分出312952个10节点有限元网格，图4给出了该桥梁深基坑的网格划分模型。

根据地勘资料，对模型土体计算参数进行了确定，具体如表2所示。

3.2工况设置

根据现场施工工序，在有限元数值模拟中采用了分步施工模拟方法，对整个基坑开挖过程进行了工况划分，共划分出10个工况，具体如下：

工况一：基坑表层填土开挖，深度1m。

工况二：排桩桩顶圈梁施工，以及第一道支撑和1m高度的内衬施工。

工况三：1层基坑开挖，开挖深度为4m。

工况四：第二道支撑和4m高度内衬施工。

工况五：2层基坑开挖，开挖深度为4m。

工况六：第三道支撑和4m高度内衬施工。

工况七：3层基坑开挖，开挖深度为4m。

工况八：第四道支撑和4m高度内衬施工。

工况九：4层基坑开挖，开挖深度为4m。

工况十：4m高度内衬施工。

3.3结果分析与讨论

图5给出了不同工况下排桩水平位移在不同深度位置处的变化曲线。从图5可以看出，随着深度的增加，工况一即清理表层土工况下，排桩水平位移随深度增加基本未发生变化，其余工况条件下，排桩水平位移呈现随着深度增加而逐渐减小的变化规律，排桩水平位移与深度呈现负相关关系。各工况相比，工况一中排桩位移量较小，工况二即第一层基坑开挖工况下排桩水平位移随深度变化曲线呈现缓降型，即随着深度增加，排桩水平位移减小速率逐渐降低，而其余各工况未出现随着深度增加排桩水平位移下降速率增大或减小的一般性规律。

图6给出了各监测点位置处排桩桩顶沉降随开挖深度变化曲线。从图6可以看出，随着开挖深度的增加，各监测点排桩桩顶沉降数值出现先增后减然后再增加的变化规律，整体呈“勺”状。各工况峰值沉降出现在开挖深度2m位置处，且沉降峰值较为接近，排桩桩顶峰值沉降约为2.5mm。随着开挖深度的增加，各监测点附近排桩桩顶沉降差异逐渐增大，相比之下4#、14#排桩桩顶沉降较小，1#、11#、18#桩顶沉降较为显著，但整体数值均较小，远小于预警值，不足以对工程安全造成影响。

图7给出了各开挖深度下基坑最大隆起值的变化情况。从图7可以看出，随着基坑开挖的进行，基坑出现了较为明显的隆起现象。最大隆起值出现在开挖深度5m条件下，隆起数值约为41.3mm。该隆起值已达到基坑监测预警值，出现这种现象可能是由于第一层土为回填土，压缩量较小，且基坑坑底无承压水，坑底出现了较为明显的回弹。

图8、图9给出了不同衬砌厚度条件下排桩桩顶水平位移和沉降的时程曲线。

从图8可以看出，增加衬砌厚度，能明显改善排桩桩顶水平位移。衬砌厚度为0.5m工况下，开挖结束后其水平位移达到了65.2mm；衬砌厚度为1.0m工况下，最终排桩桩顶水平位移数值为33.1mm，较前者降低了49.23%，改善效果较为显著；衬砌厚度为1.5m工况下，最终排桩桩顶水平位移数值为21.6mm，较前者降低了34.74%；衬砌厚度为2.0m工况下，最终排桩桩顶水平位移数值为16.7mm，较前者降低了22.69%。因此，增加衬砌厚度能明显改善排桩桩顶水平位移，但随着衬砌厚度的逐渐增大，其改善效果随之降低。

从图9中可以看出，不同衬砌厚度工况下，基坑开挖中后期排桩桩顶沉降差异较为明显，与桩顶水平位移规律相反，增加衬砌厚度反而会引起桩顶沉降的增加。这是由于衬砌结构主要限制了基坑的水平变形，由于土体的挤压作用，水平变形限制效果越大，基坑沉降变形越明显。但整体而言，桩顶沉降变形数值较小，峰值沉降仅为2.5 mm，有较大的变形空间。因此，通过增加衬砌厚度改善基坑水平变形的措施是较为可行、有效的。在实际工程中，可根据工程实际条件合理设置衬砌厚度，保障深基坑开挖安全。

4结语

为研究桥梁深基坑开挖过程中基坑周边环境及支护结构的变形规律，本文开展了现场监测和数值模拟，对基坑开挖过程中水平位移与竖向沉降的变化规律进行了分析，同时剖析了不同施工工序条件下支护结构变形的差异。得出主要结论如下：

（1）随着基坑开挖，监测点水平位移整体上持续增大。位于基坑南侧中部的4#监测点位移明显大于其他监测点，基坑开挖完毕后峰值水平位移达到了16.8 mm，整体而言，基坑水平位移量较小，远小于基坑沉降监测的预警值。

（2）最大峰值沉降出现在位于基坑东南角的1#监测点位置，沉降峰值达到了7.1 mm，排桩对基坑沉降和水平位移变形起到了较为明显的改善作用。

（3）排桩水平位移呈现随着深度增加而逐渐减小的变化规律，排桩水平位移与深度呈现负相关关系。第一层基坑开挖工况下排桩水平位移随深度变化曲线呈现缓降型，其余各工况未出现随着深度增加排桩水平位移下降速率增大或减小的一般性规律。

（4）增加衬砌厚度能明显改善排桩桩顶的水平位移，但随着衬砌厚度的逐渐增大，其改善效果随之降低。与桩顶水平位移规律相反，增加衬砌厚度反而会引起桩顶沉降的增加。

参考文献：

［1］赫德亮，李红普，何本国.地铁深基坑硬化土模型参数敏感性研究［J］.城市轨道交通研究，2023，26（12）：90-96，102.

［2］白晓宇，苏杭，张鹏飞，等.深基坑土岩界面微型钢管桩受力特性试验研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2023，42（11）：36-42.

［3］邓娜，石洪超，薛晓武.砂卵石地层地铁车站基坑支护结构位移监测与分析［J］.成都工业学院学报，2023，26（6）：25-30.

［4］黄建华，李瑞.基于HS-Small模型临江深基坑降水变形特性分析［J］.水电能源科学，2023，41（11）：116-120，203.

［5］杨涛，童立元，李丹.基坑开挖卸荷引起的公路桥梁桩基变形受力响应［J］.建筑科学与工程学报，2020，37（5）：214-222.

［6］宗晶瑶，丰土根.明挖基坑对邻近高铁桥梁变形影响因素分析［J］.河北工程大学学报（自然科学版），2019，36（2）：47-50.

作者简介：陶鑫（1986—），工程师，研究方向：公路工程。

收稿日期：2024-05-18