基于HS模型的橋梁軟土基坑開(kāi)挖變形分析

余秀平， 江勝華， 李勇海

(中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇蘇州 215131)

隨國(guó)內(nèi)交通不斷地迅速發(fā)展，出現(xiàn)較多大型交通橋梁跨越鐵路既有線工程，橋梁基坑的開(kāi)挖變形對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)線影響分析研究必然是一個(gè)重點(diǎn)方向。基坑工程除了需要滿足自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度穩(wěn)定性等要求，還需要滿足周邊環(huán)境安全等要求，重點(diǎn)保護(hù)基坑周邊重要構(gòu)筑物安全穩(wěn)定，從目前相應(yīng)的基坑規(guī)范[1-2]提供的計(jì)算方法并不能良好解決基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

隨著計(jì)算機(jī)軟件不斷成熟與完善，有限元計(jì)算方法在基坑變形預(yù)估中逐步成為基坑計(jì)算主流方法之一，選擇合適的土體材料模型和相應(yīng)參數(shù)是基坑變形有限元分析計(jì)算中最為核心的問(wèn)題，它決定了計(jì)算預(yù)估結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。目前，在硬化土本構(gòu)模型基坑開(kāi)挖卸荷作用下計(jì)算基坑隆起和地面沉降中具有適用性。楊蘭強(qiáng)等[4]通過(guò)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)、三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和三軸固結(jié)排水加卸載試驗(yàn)，獲得寧波地區(qū)典型軟土的HS模型參數(shù)數(shù)值，采用 Midas GTS有限元軟件對(duì)基坑變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證參數(shù)的適用性。白成生[5]采用HS本構(gòu)模型及Zsoil軟件分析了基坑工程地面沉降等變形特征。黃鑫等[6]對(duì)比摩爾-庫(kù)倫和硬化土2種本構(gòu)模型在基坑降水開(kāi)挖工程中的適用性，HS模型考慮加卸荷特征，基坑開(kāi)挖變形計(jì)算HS模型更具有適用性。

基坑工程造成地面沉降效應(yīng)主要原因?yàn)榭觾?nèi)土體開(kāi)挖卸荷后坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形產(chǎn)生，本文以杭州某臨近鐵路既有線橋梁基坑為例，采用三維有限元軟件計(jì)算，采用硬化土本構(gòu)模型，分析基坑開(kāi)挖對(duì)鐵路線的變形影響，為基坑在臨近鐵路既有線的施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于浙江省寧波市，橋梁整體小角度(30°)斜交上跨蕭甬鐵路、杭甬客專，形成上跨鐵路節(jié)點(diǎn)?？玷F路節(jié)點(diǎn)橋全長(zhǎng)301 m，橋跨布置為跨徑布置為(68+138+95) m。采用預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋，剛構(gòu)橋主跨138 m一孔跨越蕭甬鐵路和杭甬客專。橋梁施工采用轉(zhuǎn)體方式。

主墩27號(hào)墩承臺(tái)基坑設(shè)計(jì)平面尺寸為22.4 m×16.8 m，基坑深度為4.2 m，基坑邊線距離鐵路最近距離為8.11 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ100@120 cm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)26 m，排樁外側(cè)設(shè)置φ60@45 cm雙排旋噴樁，樁長(zhǎng)9 m。樁頂設(shè)置一道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用φ609×16 mm鋼支撐，頂圈梁為120 cm×100 cm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(圖1、圖2)。

圖1 基坑平面布置(單位：cm)

圖2 基坑剖面布置(單位：cm)

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 HS模型

有限元計(jì)算中最為核心的問(wèn)題在于材料本構(gòu)模型的選取和相應(yīng)適合的材料參數(shù)的取值，合理的本構(gòu)模型和合理的材料參數(shù)既反映了土體的主要特性又體現(xiàn)基坑主要變形特征。選擇合理本構(gòu)模型的前提下，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和土工試驗(yàn)確定合理的材料模型參數(shù)，才可能較為準(zhǔn)確地模擬計(jì)算基坑變形值。經(jīng)過(guò)數(shù)十年土力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，土體本構(gòu)模型也伴隨著發(fā)展了很多種，但是已經(jīng)在巖土類有限元軟件廣泛使用的模型還不是很多，在一些地方性的規(guī)范中指出，硬化類的彈塑性本構(gòu)模型可以較好地模擬出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體變形和墻背土體彈塑性變形，在基坑開(kāi)挖變形有限元計(jì)算中具有適用性。

由T.Schanz等基于Duncan-Chang模型基礎(chǔ)建立硬化土本構(gòu)模型，HS本構(gòu)模型采用雙曲線擬合應(yīng)力應(yīng)變相關(guān)特征，較真實(shí)反映土體非線性特征，并且能夠反映土體復(fù)雜的應(yīng)力路徑，可模擬不同類型的土體行為，區(qū)別基坑開(kāi)挖土體卸載、加載，數(shù)值分析可以較為準(zhǔn)確地得到坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后地面沉降。

2.2 土層參數(shù)選擇

本數(shù)值計(jì)算所采用的HS模型參數(shù)是根據(jù)橋位處地勘參數(shù)和工程案例經(jīng)驗(yàn)值經(jīng)過(guò)綜合比較確定。為了更為準(zhǔn)確地模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，還需要確定土體排水行為，在應(yīng)力分析的孔隙水壓力可分為正常狀態(tài)的孔隙水壓力和非正常狀態(tài)的孔隙水壓力，即不排水條件下，由于外部載荷土體顆粒之間產(chǎn)生的超孔隙水壓力。超孔隙水壓力接近0的狀態(tài)稱為排水條件，通常用于沙土等的滲透性大的巖土材料。但是，模擬如黏土等滲透性非常小，且瞬間載荷作用下，水并不能及時(shí)排出情況，應(yīng)當(dāng)執(zhí)行不排水分析。在初始狀態(tài)，超孔隙水壓力還未消散，被看作是最不穩(wěn)定的狀態(tài)，孔隙水壓力是由根據(jù)壓縮性和滲透性系數(shù)確定的體積變化來(lái)決定。本文主要重點(diǎn)分析研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及基坑對(duì)周邊環(huán)境的影響，主要考慮的是短期內(nèi)的影響特性，而且場(chǎng)地內(nèi)土體都為不容易透水的淤泥質(zhì)黏土，土體設(shè)置為不排水行為，土體HS模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HS模型的土層主要參數(shù)

2.3 模型建立

Midas有限元計(jì)算模型幾何尺寸為120 m×100 m×30 m，基坑尺寸為22.4 m×16.8 m×4.2 m。其中土體采用3D實(shí)體單元，材料模型采用HS模型；鉆孔樁通過(guò)剛度等效為2D板單元，材料模型采用彈性模型；內(nèi)支撐和冠梁分別采用桁架和梁?jiǎn)卧牧夏Ｐ屯瑯硬捎脧椥阅Ｐ?。混凝土采用C30彈性模量取值30 GPa，鋼材采用Q235彈性模量取值206 GPa。建立整體模型在四周及下部添加地基約束并施加自重荷載。

排樁等效為板單元計(jì)算為式(1)：

EAIA=ED(d+a)h3/12

(1)

式中：EA為樁的彈性模量；IA為樁截面慣性矩；ED為等效板單元的彈性模量；d為樁直徑；a為樁凈間距；h為等效板單元厚度。計(jì)算后，板單元厚度為0.79 m。

實(shí)際工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土層并不是完全變形協(xié)同，實(shí)際變形中圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土層具有一定差異，在模型中土層與圍護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為共節(jié)點(diǎn)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元上施加界面單元，用以確認(rèn)板單元和土體之間摩擦行為及相對(duì)位移。

模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為24 464個(gè)，單元數(shù)為130 719個(gè)，基坑整體模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元整體模型

2.4 施工工況

數(shù)值模擬按照橋梁基坑實(shí)際開(kāi)挖工況進(jìn)行分析，在施工階段因?yàn)榻鼱I(yíng)業(yè)線施工所以基坑附近嚴(yán)禁堆載?；娱_(kāi)挖平面尺寸為22.4 m×16.8 m，開(kāi)挖深度為4.2 m?；娱_(kāi)挖步驟見(jiàn)表2。

表2 基坑開(kāi)挖順序

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工階段基坑開(kāi)挖前水平位移數(shù)值較小，水平最大變形值為1.4 mm，基坑開(kāi)挖后水平位移最大值為3.6 mm，最大變形值位于基坑長(zhǎng)邊方向的中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部處。圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中土體挖除轉(zhuǎn)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自重增加的狀態(tài)下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向下沉降，沉降最大值為35 mm，基坑開(kāi)挖基坑卸荷后，基坑內(nèi)土體卸荷回彈，圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨土體發(fā)生一定的上浮，基坑開(kāi)挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)累積沉降值18 mm。

3.2 基底隆起

基坑底部土體隆起的原因較多，主要原因有：

(1)由基坑開(kāi)挖后卸荷引起的回彈量。

(2)基坑周?chē)馏w自重作用下使得坑底土體向上變形。

(3)基坑底部土體含水量增大而膨脹。

(4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)根部產(chǎn)生塑流變形或不可逆?zhèn)纫啤?/p>

(5)坑底不透水土層自重不足抵抗水頭壓力而造成上浮。最為主要的隆起原因還是認(rèn)為卸荷原因造成的土體回彈?；娱_(kāi)挖后最大的隆起值為72 mm，位置處于基坑底中心處。

3.3 地面沉降

基坑開(kāi)挖發(fā)生地面沉降的影響范圍廣泛并且如因?yàn)榈孛娉两刀斐蔀?zāi)害的則會(huì)產(chǎn)生較為惡劣的后果。產(chǎn)生地面沉降的因素主要有：

(1)土體自身固結(jié)引起沉降。

(2)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲水土體孔隙水滲流引起沉降。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)位移引起沉降。

(4)基坑坑底隆起引起坑外地面沉降。

(5)內(nèi)支撐拆除引起地面土體向基坑內(nèi)變形沉降。最為主要的引起地面沉降的原因還是認(rèn)為由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和坑底隆起引起。基坑開(kāi)挖后鐵路路基位置處地面最大沉降值為8.5 mm。

4 基坑監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)布局

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在基坑的周?chē)膫€(gè)邊緣(每邊至少設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)孔)且位于每邊中部，根據(jù)基坑開(kāi)挖情況，及時(shí)監(jiān)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移。

(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平、豎直位移，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用全站儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行水平、豎直位移監(jiān)測(cè)。

(3)目前的坑底隆起監(jiān)測(cè)應(yīng)是隨著開(kāi)挖施工進(jìn)程的隨時(shí)測(cè)量，每一層開(kāi)挖地面埋回彈標(biāo)成本高，成本高，不切實(shí)際，而埋回彈標(biāo)主要用于計(jì)算回彈模量，最終用于建筑物的沉降驗(yàn)算。

(4)在鐵路路基處布置地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大監(jiān)測(cè)值為5.1 mm位于基坑長(zhǎng)邊樁頂處，豎直位移最大監(jiān)測(cè)值為28 mm；坑底隆起難以監(jiān)測(cè)，所以未作實(shí)際監(jiān)測(cè)；鐵路路基沉降最大監(jiān)測(cè)值為2.5 mm，監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值偏差較大，主要原因在于鐵路路基壓縮模量遠(yuǎn)大于地層土體計(jì)算時(shí)壓縮模量，沉降計(jì)算值偏大。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)有限元計(jì)算結(jié)果表明，采用HS模型和合適的參數(shù)可以有效進(jìn)行基坑變形預(yù)估計(jì)算，能夠有效的指導(dǎo)施工。

(2)基坑計(jì)算最大變形位于基坑長(zhǎng)邊的中部，空間效應(yīng)呈現(xiàn)明顯，在施工過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)長(zhǎng)邊方向的支撐設(shè)置。

(3)在模型建模中未能加入鐵路路基的相關(guān)模型，下一步應(yīng)該增加路基相應(yīng)材料參數(shù)，得出更為精確的路基沉降豎直。

(4)所有材料模型參數(shù)基于經(jīng)驗(yàn)值，下一步還需進(jìn)行參數(shù)的校正和相關(guān)參數(shù)敏感性的分析。