明挖法地下道路施工對鄰近橋梁樁基的影響研究

余世為，阮世強，郎志雄

(1.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518037；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

隨著城市建設(shè)發(fā)展及建筑密度不斷增加，在已有建筑樁基礎(chǔ)附近開挖新基坑愈發(fā)常見。既有樁基礎(chǔ)在基坑開挖所引起的土體位移作用下，會產(chǎn)生附加荷載[1]，導(dǎo)致樁基變形甚至破壞，影響上部建筑物的安全。目前已有不少學(xué)者針對基坑開挖對鄰近樁基的影響展開研究。陳福全等[2]通過對內(nèi)支撐排樁支護基坑的開挖過程進行數(shù)值模擬，探討了基坑開挖對鄰近樁基的影響因素。張陳蓉等[3]采用兩階段分析方法，建立了單樁水平位移控制方程及群樁控制微分方程，分析了基坑開挖時鄰近建筑物群樁中各個單樁的受力響應(yīng)。鄭剛等[4]以實例工程為依托，利用數(shù)值模擬分析了樁基與基坑的間距、樁基剛度等對樁基位移的影響。魏麗敏等[5]通過現(xiàn)場原型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比，表明鄰近基坑開挖會劣化樁基的工作性能。上述相關(guān)研究中樁基與基坑或鄰近工程通常有一定距離，對于超近距離穿越的基坑開挖影響分析研究仍鮮見報道。

本研究以某明挖法施工城市地下道路工程為依托，建立三維有限元分析模型，分析某新建快速道路基坑開挖過程對超近距離地鐵高架橋樁基礎(chǔ)的變形影響，并提出保護控制措施。

1 工程概況

某城市快速道路設(shè)計為雙線隧道，采用明挖法施工。隧道基坑寬度為19.5m，深度為12.9m，以直徑0.8m、間距0.5m、樁長21.9m的鉆孔咬合樁和0.8m×0.8m冠梁進行圍護，內(nèi)設(shè)3道水平對撐，第1道撐采用0.8m×0.8m混凝土支撐，間距為6m；第2，3道撐采用直徑0.609m、壁厚0.016m的鋼支撐，間距為3m。

雙線隧道左線與右線分別從高架橋樁間穿過，右線基坑圍護結(jié)構(gòu)距橋樁最近處僅1.53m。項目基坑與橋樁相對位置關(guān)系如圖1所示，右線基坑支護橫斷面如圖2所示。為控制基坑開挖對橋梁樁基的影響，采用直徑0.6m、間距0.4m的袖閥管對基坑兩側(cè)鄰近橋樁進行加固。

圖1 項目基坑與橋樁相對位置關(guān)系

圖2 右線基坑支護橫斷面

場區(qū)揭露的覆蓋層主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積層、殘積土層，基巖為加里東期混合花崗巖。地層分布自上而下為：素填土層(埋深0～-2.000m)， 軟～可塑狀粉質(zhì)黏土層(埋深-2.000～-9.000m)， 殘積(硬塑)層(埋深-9.000～-12.000m)， 全風(fēng)化混合花崗巖層(埋深-12.000～-20.000m)， 強風(fēng)化混合花崗巖(土狀)層(埋深-20.000～ -39.000m)，強風(fēng)化混合花崗巖(半巖半土狀)層(埋深-25.000～-52.000m)，中風(fēng)化混合花崗巖層(埋深-45.000～-56.000m)，微風(fēng)化混合花崗巖層(埋深-56.000～-70.000m)。

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型及網(wǎng)格劃分

以右線基坑開挖為例，建立圖3所示的長(x)、寬(y)、高(z)分別為200，120，70m的三維模型，研究基坑開挖引起基坑周圍土體位移場的變化和對鄰近橋梁樁基的影響。

圖3 三維模型網(wǎng)格劃分(單位：m)

模型網(wǎng)格劃分后共生成66 555個單元，100 270個結(jié)點。土體采用10結(jié)點的三角形單元，對每層土體進行較為精細的單元劃分(見圖3)，在基坑內(nèi)、承臺、嵌巖樁和注漿加固體處加密單元，保證計算分析結(jié)果的精確度。

模型4個側(cè)面施加側(cè)向約束，模擬實際情況中土體邊界只發(fā)生沉降變形不發(fā)生側(cè)向位移的情況；模型底面施加固定約束，模擬實際情況中基巖處既不發(fā)生側(cè)向位移也幾乎不產(chǎn)生豎向沉降變形的情況。

2.2 材料模型及參數(shù)

場地素填土層至微風(fēng)化混合花崗巖層及袖閥管加固區(qū)[6]土體均采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS模型)，各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示?；訃o結(jié)構(gòu)和橋梁樁基礎(chǔ)的承臺均采用理想彈性的板單元；基坑結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置界面單元，基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平支撐采用點對點錨桿單元，參數(shù)如表2所示；橋樁采用嵌巖樁單元。

表1 各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 圍護結(jié)構(gòu)水平支撐力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬步驟

以樁周有袖閥管注漿加固的施工方案為例，基本模擬過程如下：①產(chǎn)生巖土層初始地應(yīng)力；②激活橋梁樁基；③激活樁基礎(chǔ)承臺上面荷載，并重置位移為零；④加固樁基礎(chǔ)周圍部分土體；⑤激活圍護結(jié)構(gòu)，分4層開挖基坑，同時激活對應(yīng)水平對撐。

3 模擬結(jié)果分析

由于基坑開挖會造成土體應(yīng)力卸載，圍護結(jié)構(gòu)及樁基產(chǎn)生的主要變形方向均為沿基坑短邊方向，即三維模型中y方向，因此，水平方向上僅研究沿基坑短邊方向的變形。

3.1 土體位移

右線基坑開挖至坑底并施作水平支撐完畢后的土體水平位移云圖如圖4所示。由圖4可知，所有施工步完成后，土體水平方向最大位移為-13.01mm， 位于基坑坑底邊緣處。

圖4 土體水平位移云圖

3.2 圍護結(jié)構(gòu)變形

右線基坑開挖至坑底并施作水平支撐完畢后的圍護結(jié)構(gòu)水平變形云圖如圖5所示。由圖5可知，最后一個施工步完成后，圍護結(jié)構(gòu)水平最大變形為-13.54mm，位于圍護結(jié)構(gòu)中下部。

圖5 圍護結(jié)構(gòu)水平變形云圖

3.3 樁基樁身變形

1號橋樁位移分布曲線如圖6所示。由圖6可知，1號橋樁上部產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移，而樁端基本保持不動，樁身整體呈向基坑內(nèi)傾斜趨勢。由于嵌巖樁剛度較小，其最大水平位移位于樁頂以下5.0m處，最大水平位移為-4.00mm。同時，樁身傾斜使樁頂豎向位移向下，樁端基本保持不動，最大豎向位移為-1.19mm， 位于樁頂部。

圖6 1號橋樁位移分布曲線

2號橋樁位移分布曲線如圖7所示。由圖7可知，2號橋樁上部產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移，而樁端基本保持不動，樁身整體呈向基坑內(nèi)傾斜趨勢。由于嵌巖樁剛度較小，其最大水平位移不在樁頂，而位于樁頂以下5.6m處，最大水平位移為3.91mm。同時，樁身傾斜使得樁頂豎向位移向下，樁端基本保持不動，最大豎向位移為-0.81mm， 位于樁頂部。

圖7 2號橋樁位移分布曲線

4 模擬結(jié)果分析

4.1 樁周無袖閥管加固影響分析

為明確袖閥管加固區(qū)的存在對樁基變形的影響機制，去除橋梁樁基周圍的袖閥管加固區(qū)，重新計算1號橋樁水平位移及豎向位移，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，當(dāng)樁周無袖閥管加固時，樁基最大水平位移為-4.95mm，最大豎向位移為-1.56mm， 與樁周有袖閥管加固時相比，分別增加了0.95，0.37mm，增幅為23.8%，31.1%，表明在橋梁樁基礎(chǔ)周圍采用袖閥管注漿加固能有效保護橋樁。

圖8 1號橋樁位移分布曲線(考慮注漿加固的影響)

4.2 鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力影響分析

為明確鋼支撐預(yù)應(yīng)力的存在對樁基變形的影響機制，對所有水平鋼支撐預(yù)加600kN的軸向受壓預(yù)應(yīng)力，重新計算1號橋樁水平位移及豎向位移，結(jié)果如圖9所示。

圖9 1號橋樁位移分布曲線(考慮施加預(yù)應(yīng)力的影響)

計算結(jié)果表明，在所有水平鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力后，橋樁最大水平位移為-3.05mm，最大豎向位移為-0.90mm，與未施加預(yù)應(yīng)力時相比，分別減小了0.95 ，0.29mm，降幅為23.8%，24.4%，表明提前施加預(yù)應(yīng)力能有效保護橋樁。

4.3 嵌巖樁軸壓比影響分析

為明確橋梁樁基礎(chǔ)中嵌巖樁軸壓比n對樁壓-彎耦合效應(yīng)的影響，現(xiàn)以1號橋樁為例，按正常設(shè)計方案(即樁周有袖閥管加固、鋼支撐未施加預(yù)應(yīng)力)，1號橋樁軸壓比為0.17，另取軸壓比0.10，0.30，分別計算不同軸壓比下樁身內(nèi)力。

如圖10所示，在正常設(shè)計方案中，當(dāng)樁的軸壓比從0.10增加至0.17，0.30時，樁身最大彎矩也從707.9kN·m增加至869.9，1 104.8kN·m，但樁身最大M/N(彎矩/軸力)從0.332減小至0.223，0.209。這是由于在相同的水平荷載(即相同基坑開挖工況)作用下，隨著單樁軸壓比在一定范圍內(nèi)不斷增大，樁身軸力增長幅度高于彎矩增長幅度，樁承載力控制因素逐漸由彎矩主導(dǎo)轉(zhuǎn)向軸力主導(dǎo)，因此，表現(xiàn)出樁壓-彎耦合效應(yīng)不斷減弱。同時，由于樁抗壓性能遠高于抗彎性能，樁承載力不斷增加[7]。

圖10 1號橋樁不同軸壓比下內(nèi)力分布曲線

5 結(jié)語

1)以右線基坑開挖為例，當(dāng)基坑開挖至坑底并施作水平支撐完畢時，土體水平最大位移位于坑底邊緣處，達-13.01mm；圍護結(jié)構(gòu)水平最大變形為-13.54mm， 位于圍護結(jié)構(gòu)中下部；1號橋樁樁身最大水平位移為-4.00mm，最大豎向位移為-1.19mm； 2號橋樁樁身最大水平位移為3.91mm，最大豎向位移為-0.81mm。

2)去除橋梁樁基礎(chǔ)周圍一定范圍內(nèi)的袖閥管加固區(qū)后，1號橋樁淺層樁身水平位移明顯增加，達-4.95mm，增幅為23.8%；樁身豎向位移明顯增加，達-1.56mm，增幅為31.1%。同時深層樁身位移與有袖閥管加固區(qū)時的計算結(jié)果幾乎一致。結(jié)果表明，在已有橋梁樁基礎(chǔ)周圍采用袖閥管形式對土體注漿加固能有效保護橋樁，降低基坑開挖帶來的影響。

3)對基坑第2，3道水平鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力后，1號橋樁淺層樁身水平位移明顯減小，減小至-3.05mm， 降幅為23.8%；樁身豎向位移整體減小，減小至-0.90mm，降幅為24.4%。因此，對于類似的實際工程，可以通過對基坑內(nèi)水平鋼支撐提前施加預(yù)應(yīng)力，能明顯減小基坑開挖對鄰近樁基的影響，提高工程安全性。

4)在相同水平荷載(即相同基坑開挖工況)作用下，隨著單樁軸壓比在一定范圍內(nèi)不斷增大，樁壓-彎耦合效應(yīng)不斷減弱，樁承載力不斷增加。