行車荷載與基坑開挖對新建及既有基坑坑底和地連墻的影響研究

王鈺軻 付宏松 馬 露

(1.鄭州大學 水利科學與工程學院,鄭州 450001;2.安徽科技學院 建筑學院,安徽 蚌埠 233100)

隨著我國地下空間開發(fā)的不斷深入,地下空間開發(fā)重點的城市軌道交通建設方興未艾[1-3],地下空間開發(fā)利用對鄰近已有構筑物的安全影響日益成為一個焦點問題[4].地鐵車站多建于交通繁忙的路段,導致已運營地鐵線路周邊不可避免地會出現基坑鄰近施工的問題[5],施工現場交通情況較復雜[6],一方面基坑施工鄰近既有構筑物時,基坑開挖必然會改變土體的原始應力場和位移場,繼而引起鄰近既有構筑物附加變形和內力[7],從而影響車輛通行；另一方面因為地鐵基坑的開挖往往是鄰近城市道路,鄰近道路側行車荷載對基坑的安全性會產生影響,因此基坑開挖對周邊道路以及鄰近構筑物影響的合理預判以及保護變得尤為重要[8].為了保障基坑安全,研究外界耦合因素作用對基坑穩(wěn)定性的影響就顯得尤為重要,而道路上的行車荷載和基坑開挖工序則是地鐵施工中常見的兩個影響因素,選擇研究兩者耦合作用對基坑穩(wěn)定性影響是有必要的.

針對外界因素對基坑穩(wěn)定性影響的問題,許多學者專家基于不同角度進行了研究.陳萍等[9]針對相鄰基坑開挖這一關鍵問題進行了研究；周勇[10-11]采用實際監(jiān)測和數值模擬相結合的方法,分析了蘭州地鐵車站深基坑開挖變形特性和圍護結構、周邊建筑物及地表沉降的位移變化規(guī)律；陳輝[12]結合施工全周期的各項監(jiān)測數據,研究順逆結合超大深基坑對稱開挖對既有運營地鐵區(qū)間隧道的影響；王燦等[13]研究軟土地基結構性改變對基坑開挖圍護墻變形、地表沉降及其鄰近地鐵隧道位移和彎矩的影響；劉念武等[14]研究了軟土深開挖引起地鐵車站深基坑工程圍護結構及鄰近建筑的變形特性；葉帥華等[15]對基坑施工過程中的樁頂水平和豎向位移、地表沉降、鋼支撐軸力進行了監(jiān)測與研究；Zhang等[16]調查了基坑施工過程中相鄰建筑物的損壞情況；Amir Reza Beyabanakid等[17]研究了開挖礦坑順序對既有隧道的影響；鄭明新等[18]運用ABAQUS建立二維數值模型,研究了基坑開挖過程中對鄰近基坑的橋墩墩臺沉降和樁基變形規(guī)律；徐俊[19]采用有限元軟件從圍護結構變形、鐵路路基沉降兩個方面對基坑開挖施工影響進行研究；李霄輝[20-21]分析了基坑施工對鄰近鐵路軌道的變形影響.上述成果主要集中于單一因素對地鐵基坑穩(wěn)定性及鄰近構筑物的影響,考慮如車輛荷載、基坑開挖等影響因素.鑒于目前地鐵基坑施工現場情況復雜,該類計算結果已不能滿足當前的工程需求.

為適應工程的發(fā)展需求,有必要通過有限元方法模擬耦合作用對基坑穩(wěn)定性的影響,為城市地鐵基坑施工的安全和實際道路運營提供理論支持.因此,本文選取復雜施工條件下的行車荷載和基坑開挖工序兩個常見影響因素,通過有限元分析方法建立道路-新建基坑-既有基坑模型,分析不同行車荷載和開挖工序對地鐵基坑的地表沉降、圍護結構位移等的影響,研究結果可為實際工程提供參考.

1 地鐵基坑數值模型建立

1.1 模型概況

為了研究城市中行車荷載和基坑開挖對新建及既有基坑坑底和地連墻的影響,本文借助有限元分析方法,建立道路-新建基坑-既有基坑模型進行計算.模型總長120 m,深40 m；既有基坑寬15 m,深10 m；新建基坑寬40 m,深10 m,分4 層開挖,每層開挖2.5 m,并設置支撐,其中新建基坑設有支撐,既有基坑未設支撐；為方便計算分析基坑穩(wěn)定情況,設模型分為上下兩層土厚度各20 m,上層土體為加固填土,下層土體為砂土,各層土體參數見表1.土體采用能較好反應土體力學性質的Mohr-Coulomb本構模型,相關參數見表1.兩基坑均設有地連墻,地連墻寬0.9 m,長1 m,高20 m,彈性模量為20 GPa；道路寬度為12 m,雙向四車道；具體模型如圖1所示,其中道路未設置瀝青或混凝土路面板.

表1 地基土層物理力學參數

圖1 道路-新建基坑-既有基坑模型

1.2 新建地鐵基坑開挖過程模擬

新建地鐵基坑從上往下分4步驟開挖：第1步開挖至地下2.5 m,施作鋼筋混凝土支撐；第2步開挖至5 m,施作鋼筋混凝土支撐；其中第3 步開挖至地下7.5 m,施作鋼筋混凝土支撐；第4步開挖至10 m,施作鋼筋混凝土支撐,既有基坑未設置支撐[22].

求解分析步驟：①設置模型的自重應力場,利用軟件計算自重應力場平衡；②移除第1層土體單元；③激活地下連續(xù)墻單元；④移除第2層土體單元；⑤激活第1道支撐單元；重復④⑤步驟,直至基坑底部.

1.3 路基工作區(qū)與邊界條件

土體與結構物僅考慮自重荷載,約束模型橫向位移并固定模型底部位移.車輛荷載動力部分對基坑變形影響不大[23],為了簡化計算,本文選擇對道路施加靜荷載,且不考慮道路瀝青或混凝土路面板的影響；選取道路橫斷面同時存在4輛重2 t的車輛作為道路最不利情況；經過計算其施加給道路的壓強約為1 000 k Pa.鑒于城市道路交通量在一天中,各類道路交通量存在明顯變化[24],為了分析不同程度交通量對基坑的影響,選擇一天中不同的車輛靜力荷載施加在模型道路表面,并通過計算其路基工作區(qū)深度來分析其對研究對象的影響,施加在道路表面的壓強約為0、250、500和750 k Pa.

路基工作區(qū)是指在路基某一深度,當車輪荷載引起的垂直應力與路基自重引起的垂直應力占比為1/10～1/5時,該深度范圍內的路基稱為路基工作區(qū)[25].本文選用車輪荷載引起的垂直應力與路基自重所占比例1/5的范圍為工作區(qū),通過有限元軟件的Boussingesq解得到如圖2所示的路基自重應力與附加應力隨深度變化的應力曲線圖,通過計算可得路基工作區(qū)深度為24、34、40 m.

圖2 土體自重應力與附加應力隨深度變化圖

2 計算結果分析

為了便于分析,將行車荷載0、250、500和750 kPa,根據路基工作區(qū)計算結果記為S0、S24、S34、S40.將新建基坑與既有基坑的地下連續(xù)墻的從左至右記為W1、W2、W3和W4,具體地連墻在模型中的相對位置如圖3所示,對模型計算土體應力分布進行大致分析.

圖3 地連墻相對位置圖

由圖4可知,模型土體自重應力主要集中在新建基坑與既有基坑附近,而隨著行車荷載的增加,模型土體的應力開始進行重分布,且隨著行車荷載的增加,土體的應力逐漸增長,當行車荷載達到750 k Pa時,土體的應力主要集中在新建基坑附近,為了進一步分析行車荷載和新建基坑開挖耦合對基坑穩(wěn)定性的影響,接下來將對新建及既有基坑坑底變形來進行分析.

圖4 有限元模型的應力分布情況

2.1 行車荷載對兩基坑坑底及其地連墻的影響

對既有基坑與新建基坑施工完畢坑底的豎向位移U2進行研究,在既有基坑與新建基坑坑底底部表面設立路徑,以基坑坑底左邊界為坐標原點,通過有限元分析方法計算得該路徑上的豎向位移情況.由圖5可知,隨著行車荷載的變大,在新建基坑坑底鄰近道路側的變形差別最大,與參照組S0相比,差別達到2 cm 以上,而隨著所設路徑的距離增加,這種差別迅速減小,在新建基坑中部,行車荷載對基坑變形的影響基本可以忽略.同理,既有基坑因為與道路之間的距離超過40 m,且新建基坑地連墻的加固作用,既有基坑坑底變形基本相同,因此該影響也可以忽略.

圖5 不同行車荷載影響下兩基坑基底豎向位移圖

由上可知新建基坑與既有基坑坑底變形情況,而后針對新建基坑與既有基坑支護結構進行更加深入的研究.在不同行車荷載影響下,隨著行車荷載的增加,新建基坑與既有基坑地連墻的橫向位移U1也隨著增加,如圖6所示,新建基坑的地連墻W1、W2和既有基坑的W3、W4的最大橫向位移改變量分別為18、4、4與1 mm.從圖中可以明顯地看出靠近道路側的新建基坑中的地連墻W1受行車荷載影響,結構變形更加明顯,而新建基坑的地連墻W2 與既有基坑W3因相隔較近且距離道路間隔超過40 m,不同行車荷載對其的影響衰減；距離道路最遠的既有基坑的地連墻W4最大位移改變量則為1 mm,可以認為其基本不受行車荷載的影響.這說明,道路上施加的行車荷載對鄰近周邊土體及防護結構變形的影響要相對劇烈,距離道路越遠,這種影響會迅速衰減.

圖6 不同行車荷載影響下兩基坑地連墻橫向位移圖

為了更好地指導實際工程建設,將對在不同行車荷載作用下的地連墻在剪應力方面進行更加深入的研究,如圖7所示.

圖7 不同行車荷載深度影響下兩基坑地連墻剪應力圖

從圖7可以看出,在不同行車荷載下,剪應力主要集中在地連墻5～15 m 范圍內,與地連墻橫向位移圖相似,剪應力變化主要體現在地連墻W1上,其余地連墻的剪應力受行車荷載影響較小.就新建基坑的地連墻W1 而言,不同行車荷載對新建基坑地連墻W1的影響主要集中在5～10 m,且行車荷載越大,剪應力變化越明顯.新建基坑的地連墻W1承受了主要道路上施加的行車荷載的影響,對于新建基坑地連墻W2和既有基坑地連墻W3、W4,因距離道路較遠,行車荷載帶來的影響隨之減弱,可以認為地連墻W2、W3和W4幾乎不受行車荷載影響.以上分析說明道路上施加行車荷載對基坑的影響是有范圍的,地連墻與距離是減少這種影響的有效途徑,因此實際基坑施工時,對于離行車荷載的道路較近的基坑安全性需要引起重視,而較遠處的基坑可以不用考慮行車荷載的影響.

2.2 不同開挖工序對地連墻及道路的影響

選取行車荷載影響較大的行車荷載750 k Pa即S40作為工況,在此條件下,研究不同開挖工序○、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ對基坑及道路穩(wěn)定性的影響.其中第○步表示土層未開挖,第Ⅰ步表示開挖至地表以下2.5 m；第Ⅱ步表示開挖至地表以下5 m；其中第Ⅲ步表示開挖至地表以下7.5 m；第Ⅳ步表示開挖至地表以下10 m.在不同開挖步下,新建基坑與既有基坑的地連墻的橫向位移如圖8所示.

圖8 不同工序下地連墻橫向位移變形圖

由圖8可知,在不同開挖步下,地連墻的橫向位移有明顯的差別,且均向基坑內側發(fā)生“弓形”變形,最大變形集中在地連墻頂部,地連墻W1 變形最明顯.隨著基坑向下開挖,新建基坑的地連墻W1、W2和既有基坑的W3、W4受鄰近道路上施加荷載的影響,最大位移改變量為4、7、5和2 mm,W1、W2、W3因鄰近開挖基坑,因此受影響較大.就開挖工序對地連墻結構主要變形部位而言,由圖7可知,隨著開挖深度的增加,墻體水平位移隨之增大；對于同一地連墻而言,最大位移改變部位不隨開挖深度的增加而改變,且頂部位移受開挖影響較??；對于不同地連墻,新建基坑的地連墻W1、W2和既有基坑的W3、W4最大位移改變量的部位隨著道路距離而變化,新建基坑地連墻W1、W2與既有基坑地連墻W3、W4最大位移改變部位分別為地連墻頂部向下10、15、17.5 和20 m 處,且地連墻頂部的位移基本保持不變.由此可見,就地連墻的橫向變形而言,行車荷載和路基開挖耦合作用主要對地連墻的下部結構變形產生影響.

為了更加深入地研究行車荷載和路基開挖共同作用下對地連墻的結構影響,選取行車荷載750 k Pa即S40工況新建基坑的W2地連墻進行力學分析.由圖9可知,相較于未開挖的○步,隨著開挖深度的增加,第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ開挖步的新建基坑地連墻W2所受的最大橫向受力F1不斷增加；最大受力位置在未開挖時集中在地連墻中下部15 m 左右,隨著開挖深度的增加,最大受力位置開始出現在地連墻上部,當達到極值時,地連墻的橫向受力開始迅速衰減,這說明一開始地連墻上部承受較大的橫向力,隨著開挖深度增加,由于上部土體的減少和設置的支撐作用,所以橫向力會突然迅速衰減；而且隨著開挖深度增加,開始地連墻所受的橫向力迅速衰減的位置會向下移動,這使得地連墻局部受力增加,嚴重危害其安全性.

圖9 新建基坑地連墻W2的橫向力與剪應力變化情況

繼續(xù)深入研究W2地連墻的彎矩M分布情況,由圖9可知,新建基坑地連墻W2在不同開挖步下中下部的彎矩分布規(guī)律相似,自地連墻底部彎矩開始增加,在15 m 左右達到最大值,而后彎矩開始遞減,且地連墻中下部的最大彎矩值隨著開挖深度的增加而增加,每一個開挖步對彎矩的影響并不是線性疊加而是逐步衰減的.對于地連墻W2中上部,可以發(fā)現,此時地連墻中上部往往承受較大的彎矩,不同開挖步中,在設置支撐處,彎矩會出現反彎點,遏制彎矩增加的趨勢,這說明在基坑開挖時設置支撐可以有效地減少地連墻的受力,充分發(fā)揮地連墻的性能,增強基坑的穩(wěn)定性與安全性.

研究不同開挖工序對于土體豎向沉降U2的影響.在道路的表面設立路徑記為ROAD,在既有基坑坑底設立路徑記為JK,在這些路徑上分析新建基坑開挖對行駛道路與既有基坑坑底的沉降影響.由圖10可知,對于行車道路表面,土體沉降集中在車輛荷載作用處,最大沉降為18cm,地表沉降值由中間向道路邊緣逐漸減?。辉诓煌陆ɑ娱_挖的影響下,行車道路表面的沉降基本無變化.而對于既有基坑坑底沉降而言,沉降集中在基坑中心處,最大沉降為3.5 cm；不同新建基坑開挖影響主要集中在新建基坑第一層土體開挖,而之后的開挖工序對基坑底部沉降幾乎無影響,這說明基坑開挖對于既有基坑與道路的影響較小,在實際工程中,開挖步對基坑沉降的影響可以只考慮第一步土體開挖.

圖10 不同新建基坑開挖工序下土體沉降圖

3 結論

本文基于實際工程進行分析,考慮不同行車荷載和新建基坑開挖的作用,利用有限元分析方法分析其對既有基坑坑底沉降、兩基坑支護結構位移、應力等的影響,得到了以下結論：

1)不同行車荷載產生的路基工作區(qū)深度將會引起土體的應力重分布,土體應力主要集中在新建基坑附近.

2)在行車荷載和基坑開挖的影響下,行車荷載與新建基坑開挖的增加使得新建基坑地連墻的結構中上部受到更大影響,這說明行車荷載和基坑開挖對地連墻存在影響但有范圍.

3)在最不利行車荷載的作用下,新建基坑開挖對既有基坑的坑底與道路表面變形的影響可以只考慮新建基坑第一層土體開挖,其余工序幾乎無影響.說明地連墻的設立可以有效減少基坑開挖對周邊土體變形的影響.

4)在實際工程中,在行車荷載與基坑開挖的作用下,新建基坑與既有基坑應當及時設置防護措施,重點關注新建基坑地連墻的中上部結構,必要時可加設支護結構,這有助于保證基坑具有足夠的穩(wěn)定性.