基于應(yīng)力釋放法的基坑開挖對(duì)臨近橋梁的影響分析

葉 蓉

（深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 深圳518029）

0 前言

隨著城市的快速發(fā)展，土地資源變得越來越緊缺，許多城市出現(xiàn)了建筑用地不足的問題，從而直接導(dǎo)致接近施工的工程大量涌現(xiàn)，例如許多城市出現(xiàn)了大量臨近既有橋梁、地鐵和建筑物的建筑基坑工程。這類工程不僅工程規(guī)模大，且與周邊既有建構(gòu)筑物的距離?。?］。為了確?；娱_挖過程中臨近建構(gòu)筑的安全，評(píng)估基坑開挖對(duì)既有建構(gòu)筑物的影響就顯得非常重要。

關(guān)于如何預(yù)估基坑開挖對(duì)臨近橋梁的影響，國內(nèi)外很多學(xué)者均對(duì)此開展了研究［1-5］。李龍劍等人［2］采用彈塑性有限元法計(jì)算了無支撐基坑開挖對(duì)鄰近高架基礎(chǔ)的影響，并分析了不同加固方案對(duì)控制橋梁樁基變形的作用。張治國等人［3］提出了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。

本文介紹了一種基于應(yīng)力釋放法［6-9］的基坑開挖模擬方法，用于預(yù)測(cè)基坑開挖施工對(duì)臨近建構(gòu)筑物的影響。

1 應(yīng)力釋放法簡(jiǎn)介

1.1 基本原理

考慮到基坑的開挖深度一般不大，巖土體相對(duì)較疏松，構(gòu)造應(yīng)力往往可以忽略不計(jì)，初始應(yīng)力場(chǎng)即為重力場(chǎng)。如圖1所示，可以把計(jì)算模型分為兩部分，第一部分為要挖除的部分，其體積為V1，自重為W1；第二部分為開挖后的巖土體（含圍護(hù)結(jié)構(gòu)），其體積為V2，自重為W2。分析時(shí)可把挖去部分V1作為保留部分V2的外部影響因素來考慮。V1對(duì)V2存在著約束和加載2個(gè)效應(yīng)。約束效應(yīng)是指V1的土體剛度制約著V2的土體（含圍護(hù)結(jié)構(gòu)）向坑內(nèi)移動(dòng)，加載效應(yīng)是指V1的重力對(duì)基坑底部的節(jié)點(diǎn)施加了豎向的力。

圖1 基坑開挖示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Foundation Pit Excavation

V1部分土體一旦挖除，V1對(duì)V2的約束效應(yīng)和加載效應(yīng)均不存在，開挖面上的應(yīng)力解除，成為自由面。

應(yīng)力釋放法模擬基坑開挖時(shí)通過將V1對(duì)V2的約束、加載的荷載施加于開挖邊界上的辦法來模擬V1的約束和加載效應(yīng)，不需要將V1的網(wǎng)格模型建出。當(dāng)V1被挖除時(shí)，將施加于開挖邊界的相應(yīng)荷載解除即可。

1.2 實(shí)現(xiàn)方法

應(yīng)力釋放法模擬基坑開挖首先需要根據(jù)巖土體的重度、側(cè)壓力系數(shù)，求得開挖邊界上各節(jié)點(diǎn)的荷載作為釋放荷載，然后反向施加于基坑開挖邊界的節(jié)點(diǎn)上，建模時(shí)需根據(jù)開挖工況將節(jié)點(diǎn)荷載分組。計(jì)算時(shí)根據(jù)施工工序分步解除相應(yīng)荷載組的節(jié)點(diǎn)荷載，來模擬整個(gè)分步開挖過程。

基于應(yīng)力釋放法的基坑開挖模擬的主要難點(diǎn)，在于節(jié)點(diǎn)荷載、自重應(yīng)力場(chǎng)和初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡。通過理論計(jì)算得出的節(jié)點(diǎn)荷載往往與自重應(yīng)力、初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡效果不好，在初始應(yīng)力平衡步中模型整體變形往往會(huì)比較大，經(jīng)常會(huì)達(dá)到10-2m級(jí)。

為了解決這個(gè)問題，可以先用理論方法計(jì)算開挖邊界的節(jié)點(diǎn)荷載，然后與理論初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行第一次平衡，導(dǎo)出計(jì)算得到的應(yīng)力場(chǎng)。然后將計(jì)算得到的應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)再導(dǎo)入模型進(jìn)行迭代計(jì)算，經(jīng)過幾次迭代后即可得到滿意的初始應(yīng)力平衡結(jié)果。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 工程概況

擬建工程為3 棟高層建筑，基坑開挖深度約為22.0 m，開挖周長(zhǎng)約為575.0 m?；游髂蟼?cè)存在一座高架橋，與基坑的距離約為22.0 m（見圖2）。高架橋的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)（4 樁承臺(tái)），樁基以中等風(fēng)化或微風(fēng)化巖作為持力層，樁長(zhǎng)根據(jù)場(chǎng)地的基巖面埋深不同為18.0～21.5 m不等。

圖2 基坑與橋梁的相對(duì)關(guān)系Fig.2 Location Relationship between Foundation Pit and Bridge

基坑支護(hù)形式采用鉆（沖）孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，樁間及坡面采用掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行護(hù)面。支護(hù)樁φ1 000 mm，間距1.5 m，樁長(zhǎng)進(jìn)入中風(fēng)化面以下1.0 m，樁體采用C30混凝土水下灌注。共設(shè)置4道預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)22～28 m，自由段6～8 m，孔徑150 mm，傾角15°～20°。

為了確?；娱_挖過程中臨近橋梁的安全，現(xiàn)需要通過三維有限元數(shù)值分析預(yù)測(cè)基坑開挖過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和臨近橋梁變形情況。

2.2 地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地原始地貌為剝蝕殘丘及沖溝，場(chǎng)地上的建筑物現(xiàn)已拆除，地勢(shì)整體起伏不大。場(chǎng)地內(nèi)分布的地層主要有第四系人工填土層、第四系殘積層，下伏基巖為燕山期地層粗粒花崗巖。人工填土層以黏性土為主，主要呈可塑狀態(tài)，層厚約1.0～5.7 m不等；殘積層為砂質(zhì)黏性土，呈可塑～硬塑狀態(tài)，層厚約0.5～5.7 m；場(chǎng)地內(nèi)花崗巖根據(jù)風(fēng)化程度分為全風(fēng)化～微風(fēng)化4 個(gè)帶，中微風(fēng)基巖面的起伏較大。根據(jù)巖土工程勘察成果，選取計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameter

2.3 計(jì)算模型

該模型部件較多涉及到多種單元類型，所以本文先在AUTOCAD 中建立三維幾何模型，再導(dǎo)入專門的網(wǎng)格劃分軟件劃分網(wǎng)格。巖土體采用四面體實(shí)體單元模擬。分網(wǎng)完成后模型一共含單元約14萬個(gè)，網(wǎng)格模型全貌如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid Model

根據(jù)設(shè)計(jì)文件和實(shí)際施工工況的具體情況，分步逐漸激活支護(hù)結(jié)構(gòu)單元和釋放節(jié)點(diǎn)荷載，本模型共劃分了10個(gè)荷載步，各個(gè)荷載步的荷載變化情況如下。

⑴初始荷載步：計(jì)算地基初始應(yīng)力場(chǎng)；

⑵第2個(gè)荷載步（第1步開挖）：模擬開挖至第1道錨索以下0.5 m高程的工況，釋放第1道錨索以下0.5 m節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力；

⑶第3 個(gè)荷載步（施工第1 道錨索）：模擬第1 道錨索施工完并施加預(yù)應(yīng)力的工況，激活相應(yīng)錨索單元，并施加預(yù)應(yīng)力；

⑷第4～第9 個(gè)荷載步依次完成第2～第4 步開挖，并施加第2～第4道錨索。

⑸第10 個(gè)荷載步（第5 步開挖）：模擬開挖至坑底的工況，即釋放基坑底以上所有節(jié)點(diǎn)的約束荷載。

2.4 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算將理論方法計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)荷載導(dǎo)入模型，經(jīng)過多次初始應(yīng)力場(chǎng)迭代步后，得到符合要求的初始應(yīng)力場(chǎng)和節(jié)點(diǎn)荷載，在最后的初始應(yīng)力場(chǎng)平衡步中，模型的最大變形為10-5m級(jí)，完全滿足計(jì)算要求。

基坑開挖至坑底時(shí)，三維有限元模型整體水平云圖如圖4所示。

圖4 開挖完成后的位移云圖Fig.4 Displacement Nephogram after Excavation

通過對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行后處理，得出主要結(jié)論如下：

⑴橋梁結(jié)構(gòu)最大水平位移5.9 mm，近似于整體向基坑側(cè)移動(dòng)；

⑵由于橋梁的基礎(chǔ)采用的是嵌巖樁，橋梁結(jié)構(gòu)最大豎向位移不足0.2 mm；

⑶鄰近橋梁側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為17.4 mm（與彈性抗力法計(jì)算結(jié)果接近）。

3 結(jié)論

目前本基坑已經(jīng)施工完成，施工監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示橋梁和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形情況與數(shù)值分析結(jié)果十分接近。通過該實(shí)際工程實(shí)例驗(yàn)證了應(yīng)力釋放法在基坑開挖模擬計(jì)算中的可靠性。