深基坑開挖對(duì)臨近高架橋的影響數(shù)值分析

廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060

0 引言

基坑工程施工引起的施工荷載會(huì)對(duì)周邊一定范圍內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生影響［1］，可能會(huì)引起周圍的建（構(gòu)）筑物的位移及沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到建（構(gòu)）筑物的安全。本文結(jié)合某深基坑工程，考慮空間效應(yīng)，采用有限元軟件MIDAS GTS 建立三維數(shù)值模型，模擬基坑施工對(duì)臨近高架橋結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

本工程為某四層地下室深基坑工程，基坑平面形狀大致呈三角形，開挖深度約15.4m，采用灌注樁結(jié)合鋼筋混凝土內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)并采用三軸攪拌樁形成止水帷幕?；佑缮系较略O(shè)置兩道內(nèi)支撐并在四周撐位填充300mm 厚混凝土板。地下室外墻線距臨近高架橋終點(diǎn)段約20m，基坑和高架橋平面位置如圖1 所示。

圖1 擬建基坑與臨近高架橋平面位置

2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地分布自上而下有：人工填土層2.8m、淤泥層1.5m、粉質(zhì)黏土層1.2m、細(xì)中砂層2.4m、全風(fēng)化巖層1.2m、強(qiáng)風(fēng)化巖層13.2m、中風(fēng)化巖層38.7m。

3 有限元模擬

3.1 模型尺寸選取

現(xiàn)有研究表明，基坑施工荷載對(duì)于3 倍基坑開挖深度范圍以外的環(huán)境影響很小，故結(jié)合接坑開挖深度及鄰近高架橋位置，取基坑邊線以外3 倍基坑深度范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行分析［2］，以達(dá)到消除邊界效應(yīng)影響的要求，同時(shí)考慮高架橋樁基礎(chǔ)持力層厚度要求不小于三倍樁徑，故取模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=190m×180m×60m。

3.2 模型的建立

采用有限元分析軟件MIDAS GTS 進(jìn)行建模分析，土層、橋墩、承臺(tái)采用實(shí)體單元構(gòu)建，橋樁和基坑支護(hù)相關(guān)的立柱、冠梁、腰梁，支撐等采用梁?jiǎn)卧⒅ёo(hù)樁通過等效剛度計(jì)算采用板單元?jiǎng)?chuàng)建。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

基坑土體采用修正摩爾-庫倫模型，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及高架橋結(jié)構(gòu)采用彈性模型［3］土層參數(shù)詳見表1。高架橋上部結(jié)構(gòu)及行車荷載采用等效面荷載形式施加于橋墩和橋臺(tái)上表面?；油鈧?cè)采用三軸水泥攪拌樁套打一孔形成止水帷幕，且基坑周邊地下水位監(jiān)測(cè)報(bào)警值為1m，基坑邊距離高架橋約20m，基坑施工引起的地下水位變化對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)影響很小，在本次模擬中不予考慮。高架橋橋臺(tái)樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)取31.25m，其余橋樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)取37m。模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與高架橋結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系見圖3。

圖3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與高架橋結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系

表1 各土層計(jì)算參數(shù)

3.3 分析工況

本文重點(diǎn)關(guān)注基坑開挖對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)的影響，由于高架橋在基坑開挖前已經(jīng)建成并通車，故在成橋工況后對(duì)高架橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移清零，僅考慮基坑開挖對(duì)其的影響，具體分析工況如下：

工況一：初始應(yīng)力分析，考慮未開挖時(shí)的巖土層應(yīng)力狀態(tài)。

工況二：高架橋結(jié)構(gòu)施工。

工況三：位移清零。

工況四：支護(hù)樁與基坑立柱施工。

工況五：施工冠粱、第一道支撐以及板撐，基坑第一階段開挖。

工況六：施工腰粱、第二道支撐以及板撐，基坑第二階段開挖。

工況七：基坑第三階段開挖。

4 計(jì)算結(jié)果分析

提取基坑開挖影響范圍內(nèi)的高架橋樁基礎(chǔ)進(jìn)行分析，包括8 根橋臺(tái)樁和4 根橋樁。圖4～圖5 分別為基坑施工各階段高架橋樁頂水平及豎向位移曲線。

圖4 高架橋樁頂水平位移曲線

圖5 高架橋樁頂豎向位移曲線

分析高架橋樁頂位移曲線可知，基坑施工造成鄰近高架橋結(jié)構(gòu)靠近基坑側(cè)的土壓力發(fā)生側(cè)向卸載，高架橋結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的側(cè)向位移。隨著著基坑各階段施工，高架橋樁基礎(chǔ)樁頂位移逐漸增大，當(dāng)基坑開挖到底時(shí)，高架橋樁基礎(chǔ)樁頂位移達(dá)到最大值。高架橋樁基礎(chǔ)樁頂最大水平位移為1.81mm，最大沉降值為1.31mm，均小于各方向樁頂位移均小于2mm，由以上計(jì)算結(jié)果可認(rèn)為基坑施工誘發(fā)的高架橋結(jié)構(gòu)變形較小。

由圖4 可知，橋樁的樁頂水平位移遠(yuǎn)小于橋臺(tái)樁，這是由于橋臺(tái)樁相比于橋樁距離基坑更近，基坑施工對(duì)橋臺(tái)樁的水平位移影響較對(duì)橋樁的水平位移的影響更加強(qiáng)烈，樁基礎(chǔ)與基坑的距離大小對(duì)樁頂水平位移起控制作用；此外，觀察圖5，樁頂豎向位移卻并未呈現(xiàn)類似趨勢(shì)，可以認(rèn)為在一定范圍內(nèi)土壓力的側(cè)向卸載對(duì)高架橋樁基礎(chǔ)豎向位移的影響，受距離和樁基礎(chǔ)長(zhǎng)度的共同作用。

5 結(jié)論

本文以某深基坑工程為研究對(duì)象，用MIDAS/GTS 軟件模擬了基坑開挖對(duì)臨近高架橋結(jié)構(gòu)的影響，得到以下結(jié)論。

（1）本基坑施工荷載導(dǎo)致鄰近高架橋結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向卸載，使得結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生一定程度的水平位移和沉降，但總體位移變化較小，高架橋結(jié)構(gòu)處于安全水平。

（2）同一施工工況下，高架橋樁頂水平位移隨樁基礎(chǔ)與基坑的距離的減小而增大，但樁頂沉降量大小與樁基礎(chǔ)與基坑的距離之間的關(guān)系并不明顯。

（3）高架橋結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)嵌入中微風(fēng)化巖，基坑支護(hù)采用樁撐體系，支護(hù)樁基本上均進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖10m 以上，采用兩道內(nèi)支撐加板撐，剛度較大?；邮┕み^程中，鄰近高架橋結(jié)構(gòu)周邊地層基本能有效控制基坑施工荷載引起的高架橋結(jié)構(gòu)的變形。