基坑開挖對(duì)鄰近路基應(yīng)力變形的影響研究

華良山

(江西省撫州市城市防洪工程服務(wù)中心，江西 撫州 344000)

基坑開挖對(duì)道路穩(wěn)定性的影響日益成為一個(gè)研究重點(diǎn)和難點(diǎn)[1- 4]?；娱_挖卸荷時(shí)，坑底及鄰近土體應(yīng)力狀態(tài)隨之改變，進(jìn)而引起周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響道路的運(yùn)營安全[5- 7]。近年來，研究人員對(duì)基坑開挖設(shè)計(jì)理論以及鄰近路基的變形響應(yīng)進(jìn)行了研究。高偉等[8]通過對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基坑與道路的水平距離對(duì)構(gòu)筑物變形影響的敏感性弱于基坑開挖深度和基坑止水帷幕深度兩種因素。樊金山等[9]對(duì)某軟土基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為基坑每次開挖深度不宜過大。樓春暉等[10]整理了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)在鄰近基坑兩倍開挖深度范圍內(nèi)，建筑具有明顯的沉降且差異顯著。馬新文[11]研究發(fā)現(xiàn)基坑周邊地表堆載及行車荷載會(huì)影響道路沉降，其變形發(fā)展具有顯著的時(shí)間效應(yīng)。龍志偉等[12]研究了砂卵石超深基坑開挖對(duì)鄰近道路的影響，認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁徑、樁間距和錨索數(shù)量對(duì)道路沉降影響較大。

為適應(yīng)道路鄰近土體的利用及發(fā)展需求，有必要采用相關(guān)手段分析基坑開挖在不同卸荷工況時(shí)的路基穩(wěn)定性控制指標(biāo)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。鑒于此，本次擬采用三維有限元分析方法，探討基坑開挖對(duì)鄰近既有路基應(yīng)力變形分布規(guī)律的影響，以期為基坑開挖的安全實(shí)施和道路正常運(yùn)營提供可靠理論依據(jù)。

1 有限元數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

該基坑工程采用放坡開挖方式，分4級(jí)開挖?；又苓叺匦屋^為平坦，距離基坑邊緣12.2m處有一填方路基，路基底寬27m，高度7.5m，坡度為1∶1.5。土層類型包括3種，從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土和粉砂，地下水位較低，忽略其影響。基坑地基材料分區(qū)如圖1所示。

圖1 路基材料分區(qū)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2 有限元數(shù)值模型及計(jì)算方案

采用有限元分析軟件MIDAS/GTS-NX實(shí)現(xiàn)三維有限元模型的建立及其計(jì)算，路基及土體均采用實(shí)體單元，模型尺寸為111m(長)×50m(寬)×29m(最高點(diǎn))，單元總數(shù)為6227，網(wǎng)格劃分如圖2所示。坐標(biāo)系選各方向代表意義為：x方向與道路垂直，y與道路方向一致，z方向?yàn)樨Q直向上。土體采用理想彈塑性模型，具體材料參數(shù)見表1。為研究基坑放坡開挖時(shí)既有路基的應(yīng)力變形情況，設(shè)定以下5個(gè)施工工況：①對(duì)土體進(jìn)行初始應(yīng)力分析，位移清零；②開挖第一層雜填土，厚度4m；③開挖第二層雜填土，厚度4m；④開挖第三層粉質(zhì)黏土，厚度3m；⑤開挖第四層粉質(zhì)黏土，厚度3m。

表1 地層及材料參數(shù)

圖2 有限元數(shù)值計(jì)算模型

2 結(jié)果及分析

2.1 基坑變形分析

不同開挖階段時(shí)基坑的水平位移云圖和豎向位移云圖如圖3、圖4所示。在基坑開挖過程中，土體向基坑側(cè)產(chǎn)生一定程度的位移，放坡面下部區(qū)域的側(cè)向位移相對(duì)較大。開挖至8m時(shí)(工況3)，最大水平位移為1.74mm；開挖至14m時(shí)(工況5)，最大水平位移為2.65mm。對(duì)基坑豎向變形而言，由于基坑開挖的影響，基坑底部土體產(chǎn)生一定程度的隆起，且深度越大隆起值越小，但路基及其下部地基則表現(xiàn)為沉降。開完至8m時(shí)(工況3)，土體豎向位移值介于-0.46～3.03mm；開挖至14m時(shí)(工況5)，土體豎向位移值介于-0.68～3.83mm，沉降值最大區(qū)域由路基頂部轉(zhuǎn)移至路基坡腳位置。

圖3 不同工況下邊坡水平位移云圖(左為工況3，右為工況5)

圖4 不同工況下邊坡豎向位移云圖(左為工況3，右為工況5)

2.2 路基應(yīng)力與變形分析

2.2.1應(yīng)力分析

不同工況下路基的最大主應(yīng)力云圖和最小主應(yīng)力云圖如圖5—6所示。不同施工階段路基的最大主應(yīng)力呈對(duì)稱分布，且應(yīng)力值隨深度增大而增大。與初始狀態(tài)相比，最大主應(yīng)力始終為負(fù)值，表明路基尚未出現(xiàn)受拉區(qū)；對(duì)于工況3和工況5，路基最大主應(yīng)力值變化不大，即基坑開挖對(duì)其影響較小。此外，不同工況下路基最小主應(yīng)力始終為負(fù)值，表明其受到壓應(yīng)力作用，且壓應(yīng)力隨路基深度增大逐漸增大，呈兩側(cè)對(duì)稱分布。與初始應(yīng)力狀態(tài)(工況1)相比，工況3和工況5時(shí)路基壓應(yīng)力極值略有增大，增幅分別為0.32、0.37kPa，其主要原因?yàn)椋河捎谠谧冃螀f(xié)調(diào)作用下，路基底部土體與地基土的共同向基坑開挖側(cè)偏移，路基底部土體受到一定擠壓作用所導(dǎo)致的。

圖5 不同工況下路基最大主應(yīng)力云圖(從左到右依次為工況1、工況3和工況5)

圖6 不同工況下路基最小主應(yīng)力云圖(從左到右依次為工況1、工況3和工況5)

2.2.2變形分析

通過分析不同工況下路基的水平位移分布云圖發(fā)現(xiàn)，路基整體向基坑方向偏移，且距離基坑越近位移值越大。對(duì)比工況3和工況5位移云圖可知，不同基坑開挖深度下路基的變形趨勢(shì)基本一致，開挖深度越大，路基側(cè)向變形量越大。此外，路基中部不同深度土體的側(cè)向位移量隨基坑開挖深度增大逐漸增大，且速率逐漸減小，如圖7所示。基坑開挖結(jié)束時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D的水平位移值分別達(dá)到1.02、0.99、0.98和0.98mm。

圖7 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移變化曲線

對(duì)不同工況下路基的豎向位移分布而言，基坑開挖時(shí)鄰近基坑側(cè)路基豎向位移值最大?；娱_挖深度越大，路基整體的沉降量越大。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨基坑開挖深度的增大，路基中部不同深度土體的豎向位移量逐漸增大，但增量逐漸減小，如圖8所示。基坑開挖結(jié)束時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D的沉降量分別達(dá)到0.61、0.59、0.55和0.49mm。

圖8 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移變化曲線

3 結(jié)語

本文通過建立基坑開挖對(duì)臨近路基變形影響的計(jì)算模型，獲得了不同開挖深度對(duì)基坑及路基應(yīng)力及變形的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下。

(1)基坑開挖使土體向基坑側(cè)產(chǎn)生位移，且放坡面下部區(qū)域側(cè)向位移相對(duì)較大；基坑底部土體會(huì)產(chǎn)生隆起，且深度越大地基隆起值越小，但路基及其下部地基則發(fā)生沉降，沉降值在-0.68～3.83mm。

(2)路基最小主應(yīng)力隨路基深度增大而增大，呈兩側(cè)對(duì)稱分；路基中部不同深度土體的側(cè)向位移量和沉降量隨基坑開挖深度增大逐漸增大，但速率逐漸減小。

本文研究成果對(duì)類似工程基坑開挖中臨近路基變形沉降評(píng)價(jià)及其處治方法等具有指導(dǎo)意義，但不同工程地基開挖影響分析中應(yīng)進(jìn)一步考慮工程巖土層結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的差異。