基于有限元模型的深基坑開挖對鄰近橋梁的影響分析

金宏剛 蔡連波 胡敏云

（1、浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江 杭州310014 2、浙江航冠工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州310000）

1 概述

基坑開挖時，通過地層應(yīng)力釋放與土層變形對周邊土層產(chǎn)生影響，因此基坑開挖的關(guān)鍵是分析其對周邊建筑物的環(huán)境影響。在基坑開挖的過程中要加強(qiáng)對周邊建筑物的沉降變形觀測，充分考慮基坑開挖對建筑物的影響，防止因基坑開挖導(dǎo)致周邊建筑物發(fā)生過大變形或不均勻沉降，從而導(dǎo)致建筑物開裂甚至倒塌，對于橋梁而言，如果沉降過大，相鄰兩橋臺沉降差過大，則可能影響行車舒適度、耐久性，更嚴(yán)重者可能發(fā)生安全事故。

不少學(xué)者采用有限元法對基坑開挖及周邊建筑物進(jìn)行整體分析，較為代表性的成果如鄭剛和李志偉[1-3]通過建立三維有限元模型，分別考慮建筑物剛度、建筑物樓層、建筑物初始不均勻沉降、坑角效應(yīng)等不同條件，分析了基坑開挖對鄰近建筑物的影響。康志軍[4]等研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移對鄰近樁基礎(chǔ)建筑物的影響。王翠[5]等采用有限差分法，進(jìn)行基坑開挖的數(shù)值模型，研究深基坑開挖對鄰近橋樁的影響機(jī)制，通過樁身負(fù)摩阻力，不平衡力以及樁基的沉降來反映樁基的響應(yīng)。

本文以杭州實(shí)際深基坑工程為例，對基坑開挖影響下鄰近高架橋結(jié)構(gòu)沉降變形進(jìn)行分析，評價(jià)基坑鄰近其安全性。

2 工程概況

本工程為杭州“四縱五橫”快速路系統(tǒng)中“天目- 環(huán)北- 艮山”快速路的綜合管廊設(shè)計(jì)。綜合管廊起點(diǎn)聚首路順接在建艮山路綜合管廊，沿下沙路、海達(dá)南路、12 號路布置，終于23 號路東側(cè)，與擬建過江段綜合管廊相銜接，全長約7km。

2.1 繞城高架概況

繞城高架上跨12 號路采用跨徑30m 后張預(yù)應(yīng)力砼T 梁，橋下空間約7 米，采用雙柱式橋墩，橋墩方形立柱邊長130cm。橋墩基礎(chǔ)采用雙排四根鉆孔灌注樁，樁徑120cm，樁長約50m，按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁底位于粉質(zhì)粘土層。承臺為矩形承臺，尺寸為520*240*175cm。如圖1 所示。

圖1 綜合管廊下穿繞城高速剖面圖

2.2 綜合管廊基坑概況

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

基于上述基坑條件可知，本基坑屬于一級基坑，通過計(jì)算可得：（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移：11.3mm，滿足要求。（2）坑底抗隆起（圓弧滑動）安全系數(shù)：K＝1.69>1.6，滿足要求。（3）墻底抗隆起安全系數(shù)：K＝2.17>1.8，滿足要求。（4）整體穩(wěn)定性安全系數(shù)：K＝1.43>1.3，滿足要求。結(jié)果計(jì)算表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布合理，變形滿足要求。

3 基坑開挖影響分析

管廊基坑施工對繞城高速安全的影響主要表現(xiàn)在以下方面：

3.1 基坑施工對繞城高速的運(yùn)營功能的影響

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時機(jī)械振動及噪音，會影響繞城高速的運(yùn)營服務(wù)水平。

3.2 基坑施工對繞城高速橋梁安全的影響

基坑開挖時圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致橋墩周邊土體產(chǎn)生側(cè)向位移，從而引起高速橋墩承臺及樁基產(chǎn)生水平位移，同時基坑降水會導(dǎo)致橋梁樁基及承臺產(chǎn)生豎向沉降，若不采取相應(yīng)的保護(hù)措施則會影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全。

4 有限元模型建立及數(shù)值模擬計(jì)算分析

本工程采用有限元軟件MIDAS GTS 進(jìn)行模擬計(jì)算。MIDAS GTS 的可靠性已經(jīng)得到了大量工程的實(shí)際驗(yàn)證，能夠確保施工所要求的精度和準(zhǔn)確性。

4.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

本工程根據(jù)繞城高速、基坑設(shè)計(jì)、施工條件等相關(guān)資料簡化計(jì)算模型。模型中，巖土體、橋墩、承臺采用實(shí)體單元模擬，橋樁、冠梁、支撐采用梁單元，基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)根據(jù)剛度等效原理采用板單元。巖土體本構(gòu)模型采用修正摩爾- 庫倫（Modified Mohr-Coulomb）模型進(jìn)行模擬，其余采用彈性模型。土體和樁體采用界面單元進(jìn)行連接，其接觸面法向采用“硬接觸”，切向采用庫倫摩擦接觸，以模擬土體對樁的摩擦作用。摩擦系數(shù)根據(jù)土體的平均內(nèi)摩擦角進(jìn)行確定。模型使用參數(shù)詳見表1，土層厚度按工程地質(zhì)勘探點(diǎn)確定。

為消除模型邊界效應(yīng)影響，并考慮計(jì)算效率問題，取模型大小為70m×60m×70m（長×寬×高）。考慮到基坑開挖的影響范圍，基坑及橋梁周邊范圍內(nèi)網(wǎng)格劃分較密，外邊土體劃分較粗，網(wǎng)格剖分時考慮了不同巖土的特性、圍護(hù)樁等介質(zhì)的不同處理。整個三維有限元計(jì)算模型共77600 個單元，43431 個結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，如下圖2-3 所示。

圖2 綜合管廊基坑與繞城高速橋梁三維模型圖

模型采用標(biāo)準(zhǔn)約束形式，模型左右、前后邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移，約束其豎向及水平向位移，上部邊界為地表自由面；自重荷載取g。

4.2 有限元模型仿真分析

4.2.1 基本假定

a.地表和各層土均呈均質(zhì)水平層狀分布。

圖3 綜合管廊基坑與繞城高速橋梁位置關(guān)系圖

b.土體為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，本構(gòu)模型采用修正的摩爾- 庫倫（Modified Mohr-Coulomb）彈塑性模型。

c.圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體采用變形協(xié)調(diào)計(jì)算的方法。

d.假定橋梁施工過程中，土體和樁體采用界面單元進(jìn)行連接，其接觸面法向采用“硬接觸”，切向采用庫倫摩擦接觸，以模擬土體對樁的摩擦作用。

4.2.2 施工過程模擬

不同的開挖順序引起的地表下沉量和圍巖的破壞是不同的。本文通過殺死單元來模擬基坑土體開挖，進(jìn)行基坑開挖過程模擬及其土體位移計(jì)算。工況模擬主要分為八個工序，具體模擬工序如下所示。

a.建立模型，進(jìn)行開挖前土體初始應(yīng)力場計(jì)算，將重力引起的位移歸零，只保留初始應(yīng)力。

b.模擬繞城高速橋梁施工，位移歸零。

c.模擬圍護(hù)樁施工，激活基坑周邊的地面超載，基坑放坡開挖至冠梁頂，激活砼支撐，位移歸零。

d.繼續(xù)基坑開挖，激活第一層鋼支撐，進(jìn)行平衡計(jì)算。

e.開挖到基坑底部，激活第二層鋼支撐，進(jìn)行平衡計(jì)算。

f.拆除第二層鋼支撐并施作結(jié)構(gòu)底板。

g.拆除第一層鋼支撐并施作主體結(jié)構(gòu)。

h.拆除砼支撐并回填，得到最終的應(yīng)力場和位移場。

4.3 分析結(jié)果

a.各施工工序位移變形分析

對工序三至工序八GTS 模型結(jié)果進(jìn)行分析，將地層及繞城高速橋梁水平、豎直位移數(shù)據(jù)匯總?cè)绫? 所示。

表2 不同工序下橋梁墩臺頂變形值統(tǒng)計(jì)表

由表2 可知，基坑開挖完成及主體回筑后橋梁墩臺頂?shù)木鶆虺两底畲笾禐?.5mm；橋墩頂?shù)乃轿灰谱畲笾禐?.3mm；橋墩頂間差異沉降最大值為1.21mm。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，本次橋樁位移值按以下要求控制：

a.橋樁水平位移控制值＜10mm；b.橋樁豎向位移控制值＜10mm。c.橋樁沉降差控制值＜4mm。

因此根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，本工程基坑開挖過程帶來的影響均滿足控制要求。

5 結(jié)論

5.1 基坑開挖對繞城高速橋梁的影響主要表現(xiàn)在：

5.1.1 隨著基坑開挖深度的增大，橋梁墩頂沉降及水平位移越來越大；

5.1.2 隨著基坑內(nèi)管廊結(jié)構(gòu)的施工及土體的回填，橋梁墩頂沉降及水平位移越來越小，最終接近基坑開挖前水平；

5.1.3 管廊結(jié)構(gòu)底板作為基坑換撐后，橋梁墩頂沉降及水平位移值小于原鋼支撐值，可得砼支撐效果優(yōu)于鋼支撐效果；

5.2 與實(shí)際相比，此有限元模擬橋梁沉降位移的條件及數(shù)據(jù)均為最不利情況，并且計(jì)算結(jié)果均滿足要求，可得數(shù)值模擬技術(shù)做為基坑開挖對鄰近橋梁樁基影響的評估方法是合理可行的。