基坑開挖對臨近既有公路路基影響研究

鄧 翔，杜斌斌

(1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410075；2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

基坑開挖對臨近既有公路路基影響研究

鄧 翔1，杜斌斌2

(1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410075；2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

隨著城市化進(jìn)程快速發(fā)展，臨近既有建筑物從事高層建筑基坑工程實(shí)踐活動時(shí)有發(fā)生。如何保證新建基坑工程施工安全及既有建筑物安全服役，已經(jīng)成為工程界面臨的主要課題之一?；诖?，依托某市臨近既有高速公路高層建筑基坑工程為例，采用數(shù)值模擬的方法，首先對路基影響基坑開挖施工安全進(jìn)行分析；然后對基坑項(xiàng)目對路基動力特性影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅能保證基坑工程的施工安全，同時(shí)對臨近既有公路的擾動較小，能夠滿足基坑施工過程中公路交通安全運(yùn)行要求。

高層建筑；既有公路；穩(wěn)定性；數(shù)值模型；實(shí)測數(shù)據(jù)

1 基坑開挖過程安全穩(wěn)定性分析

1.1 工程概況

某市鑫源小區(qū)13#樓為高層住宅，主體高度88.650 m。該建筑基坑開挖長×寬×深=8 m×60 m×9.1 m。該住宅樓臨近某高速公路，為雙線四車道，路基面寬為20 m，路堤填土高度為11.4 m。路基內(nèi)側(cè)坡腳距離基坑壁最近距離約為49.78 m。

高層住宅地基土層從上至下依次為：(1)雜填土：層厚0.60～1.20 m。土質(zhì)松散、力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。(2)粉質(zhì)黏土：層厚17.40～20.80 m。以黏性土為主，地基承載力186 kPa。(3)黏土：層厚>20 m，黃褐色，硬塑，干強(qiáng)度高，韌性較好，切面光滑。承載力210 kPa。地下水位主要受季節(jié)、氣候的影響，穩(wěn)定時(shí)地下水位埋深3.5～4.0 m左右，水位年變化幅度在1.0～3.0 m左右。結(jié)合現(xiàn)場原位和室內(nèi)土工試驗(yàn)，匯總研究區(qū)土層基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 土層要基本物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合表1土層基本物理力學(xué)特性，同時(shí)考慮盡可能降低基坑施工對路基影響，靠近基路基一側(cè)基坑采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。因距離路基較近一側(cè)基坑寬8 m，地下連續(xù)墻寬度取12 m，深度取12.5 m，寬度為750 mm。

1.2 基坑自身開挖穩(wěn)定性分析

借助有限元分析軟件ABAQUS，建立地基二維數(shù)值模型，對基坑開挖地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，路基豎向荷載采用地面均布荷載模擬。考慮基坑開挖對策性，地基僅取一半進(jìn)行模擬。因此，數(shù)值模型尺寸取150 m寬，深度取50 m。數(shù)值模型尺寸如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型尺寸

模型采用STRUCTURE(結(jié)構(gòu)化)劃分技術(shù)劃分；模型采用C4PER(4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變縮減積分單元)單元模擬；模型兩側(cè)限制法向約束，底邊采用固定約束；土體本構(gòu)模型選為摩爾—庫倫，其它選等效線彈性模型。數(shù)值模型建立在以下基礎(chǔ)之上：(1)假設(shè)模型材料各向同性均值；(2)僅考慮重力場作用；(3)地下水模擬較為復(fù)雜，采用水土合算處理。

建立后的數(shù)值模型如圖2所示，計(jì)算所需參數(shù)如表1所示。

1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

結(jié)合數(shù)值模型，對基坑開挖地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。主要計(jì)算步驟如下：(1)初始地應(yīng)力平衡。由于基坑開挖時(shí)路基、地基和地下連續(xù)墻已經(jīng)客觀存在，計(jì)算前各部分已經(jīng)達(dá)到應(yīng)力平衡。因此，基坑開挖前首先對模型應(yīng)力進(jìn)行平衡?？紤]計(jì)算工況的復(fù)雜性，采用應(yīng)力導(dǎo)入法對初始應(yīng)力進(jìn)行平衡。(2)開挖土層。采用生死單元法進(jìn)行土體開挖模擬。為接近模擬實(shí)際工況，同時(shí)便于研究分層開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，每個(gè)模型開挖土層厚度取1 m。為便于對比分析路基荷載對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算過程中首先計(jì)算不考慮路基荷載工況，然后計(jì)算考慮路基荷載作用工況。圖2為基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻頂部側(cè)向位移和豎向沉降變化柱狀圖。

圖2 基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形柱狀圖

基坑開挖打破原有應(yīng)力平衡，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化。由圖2可知：隨著基坑開挖深度增加，無論是豎向沉降還是水平側(cè)向位移，均呈增長趨勢；基坑開挖結(jié)束時(shí)，地下連續(xù)墻頂部累積沉降值約為13.2 mm，側(cè)向位移約為7.1 mm；路基荷載對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定影響，考慮路基荷載作用時(shí)，地下連續(xù)墻頂部累積沉降和側(cè)向位移依次為14.5 mm和7.8 mm；相比不考慮路基荷載工況，沉降增加了1.3 mm，側(cè)向位移增加了0.7 mm，相應(yīng)增加了9.85%和9.86%。

綜上可知：路基荷載對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小，側(cè)面驗(yàn)證了基坑采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的效果較好。然而，基坑開挖對路基的影響是否也小到可以忽略不計(jì)，還需要進(jìn)一步分析。

2 基坑開挖對高速公路路基影響分析

路基運(yùn)行過程中，主要考慮基坑開挖應(yīng)力釋放與交通荷載的疊加后作用，如果疊加效應(yīng)對路基變形影響較小，則證明基坑工程對路基影響不影響正常行車安全。基于此考慮，在上述模型基礎(chǔ)上，將開挖后基坑作為已知條件，對路基交通荷載作用下路基的動力特性進(jìn)行分析。

采用反映周期特點(diǎn)和行車速度影響以及幾何不平順的類似激振形式的力來近似的表達(dá)汽車交通荷載：

F(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

P=M0αω2；ω=2πυ/L

(2)式中：P0為車輪靜載；M0為簧下質(zhì)量；P為振動荷載幅值；ω為振動圓頻率；α為幾何不平順矢高；v為車速；L為幾何曲線波長。計(jì)算中將車輪荷載簡化為圓形均布荷載，汽車荷載按照最不利情況布置。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 動應(yīng)力沿深度變化曲線

由圖3可知：交通荷載附加動應(yīng)力沿路基深度逐漸衰減，到3 m處已經(jīng)衰減約80%左右；不考慮基坑和考慮基坑因素，路面最大動應(yīng)力分別為30 kPa和32 kPa，基坑開挖影響下路基動應(yīng)力增加約2 kPa，說明基坑應(yīng)力釋放條件下路基的動力響應(yīng)呈加劇趨勢，但加劇的程度相對較低，基本可忽略不計(jì)。由此可見，基坑工程不會影響到公路行車安全。

3 結(jié) 論

(1)隨著基坑開挖深度增加，無論是豎向沉降還是水平側(cè)向位移，均呈增長趨勢；基坑開挖結(jié)束時(shí)，地下連續(xù)墻頂部累積沉降值約為13.2 mm，側(cè)向位移約為7.1 mm；考慮路基荷載作用時(shí)，地下連續(xù)墻頂部累積沉降和側(cè)向位移依次為14.5 mm和7.8 mm，相應(yīng)增加了9.85%和9.86%，說明路基荷載對基坑工程影響較小。

(2)動應(yīng)力沿路基深度逐漸衰減，到3 m處已經(jīng)衰減約80%左右；不考慮基坑和考慮基坑因素時(shí)，最大動應(yīng)力為30 kPa和32 kPa，差值僅為2 kPa，說明基坑工程對公路行車安全影響較小。

臨近既有公路開展基坑工程實(shí)踐，如何同時(shí)滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全及公路交通正常安全運(yùn)行，一直是工程界的難題之一。文中隨結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行了探討，仍存在諸多不足之處，后續(xù)還需進(jìn)一步深入研究。

[1] 宋廣，宋二祥．基坑開挖數(shù)值模擬中土體本構(gòu)模型的選取[J].工程學(xué)報(bào)，2014，31(5)：86-94.

[2] 唐業(yè)清，李啟明，雀江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 張強(qiáng)勇.巖土工程強(qiáng)度與穩(wěn)定計(jì)算及工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

2017-03-03

鄧翔(1982-)，男，湖南長沙人，碩士，工程師，主要從土木工程施工及管理方面的工作。

TU457

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