基坑施工對鄰近既有道路路基變形規(guī)律分析

王文韜

(中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司,湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著城市化進程的推進,城市的邊界往外范圍越來越大,范圍內(nèi)的地塊開發(fā)中路網(wǎng)漸趨完善的同時,路網(wǎng)形成的網(wǎng)格中房屋建筑及地下空間建設(shè)也緊隨其路網(wǎng)的實施而建設(shè)。而房屋建筑及地下空間建設(shè)對鄰近既有道路影響的主要階段是在其基坑開挖過程,保證基坑開挖過程中既有鄰近道路的變形在可控范圍內(nèi),是保證既有道路在整個地塊建設(shè)實施過程中安全穩(wěn)定的重中之重。本文依托長沙某醫(yī)院住院樓實施中,其基坑開挖對鄰近既有道路變形影響的過程,通過有限元進行模擬分析并比對實際數(shù)據(jù)佐證模擬過程的可靠性。

1 基本假設(shè)與分析模型

1.1 基本前提

本次所選擇的項目實施周期中處于設(shè)計方案已經(jīng)確定,而基坑還未施工還沒開始,由于既有道路交通不能中斷,從對道路安全性和穩(wěn)定性的角度出發(fā),對于基坑實施中的施工控制以及錨索間距和預(yù)加應(yīng)力是否可以優(yōu)化存在不確定性,基于此,展開本次模擬分析。

前期設(shè)計方案已確定基坑開挖及支護方案為單排支護樁+預(yù)應(yīng)力錨索[1-2],基坑開挖深度為14 m;支護樁嵌固深度為5 m,直徑為1 m,間距1 m;錨索錨固段根據(jù)規(guī)范要求及公式試算結(jié)果,取在穿過人工填土后進入強風(fēng)化巖層6 m,自由端長度不小于5 m,錨索預(yù)應(yīng)力初步確定為350 kN,施加于錨索的自由端,錨索豎向間距為2.5 m,水平間距與支護樁一致。

本次模擬分析起終點為支護樁實施之后到基坑開挖完成的整個過程中不同工況下既有鄰近道路的變形過程。

1.2 模型假設(shè)

1)假設(shè)地質(zhì)情況與前期勘察情況一致,且在同深度范圍內(nèi)地質(zhì)均勻一致。

2)不考慮施工過程中的人為誤差、機械水平、材料優(yōu)劣、工藝好壞、環(huán)境變化等客觀因素對基坑的影響。

1.3 分析模型及有限元軟件選擇

在有限元分析中表達土體在受力形態(tài)變化過程中其受力和變形特征關(guān)系的模型均為本構(gòu)模型,而針對不同巖土,比如軟土、巖石、普通黏土等又提出了不同本構(gòu)模型,包括強化土模型、Mohr-Coulomb模型、軟化土模型、Modified Cam-clay模型等。

其中Modified Cam-clay模型和Mohr-Coulomb模型應(yīng)用較廣,其分析結(jié)果較符合實際工程情況,相較Mohr-Coulomb模型,Modified Cam-clay模型計算結(jié)果更為精確,但同時所需基本參數(shù)更多,在常規(guī)勘察中Modified Cam-clay模型所需的部分參數(shù)較難獲取且精度不高。因此本次模型選取保證模擬精度滿足分析的前提下,結(jié)合工程實際情況,降低勘察難度,選擇Mohr-Coulomb模型作為本次分析模型。

有限元分析軟件較多,包括ABAQUS,MIDAS,ANSYS,MSC,Plaxis等,其中Plaxis在巖土力學(xué)領(lǐng)域尤其在巖土地質(zhì)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件耦合復(fù)雜的問題求解上有著較強的適應(yīng)能力,并且計算過程中前處理與后處理易操作性好,該軟件有二維和三維兩個版本,本文選擇的是其二維版本。

1.4 模型的建立與參數(shù)的選取

在Plaxis中定義如下:采用材料屬性為彈塑性的板單元來模擬支護樁,采用材料屬性為彈性的點對點錨桿單元來模擬錨索,定義支護樁和土體之間為虛擬接觸面厚度為10 cm的剛性接觸,錨索與支護樁定義為鉸接。整個模型規(guī)模為150 m×60 m,模型邊界采用單向約束,即模型兩側(cè)僅限制水平位移,模型底部僅限制豎向位移。

支護樁和錨索參數(shù)定義如表1所示。

表1 錨桿與排樁參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔勘探以及室內(nèi)土工試驗[3-4],并參考基坑《詳勘報告》綜合得出地層數(shù)及各層巖土類別和力學(xué)參數(shù),為后文中數(shù)值分析提供基本參數(shù),其層位土質(zhì)及參數(shù)如表2所示。

表2 基坑地質(zhì)物理力學(xué)指標及計算參數(shù)

1.5 模型中既有道路與交通荷載設(shè)定

基坑開挖之前,其場坪地面標高與既有道路路面頂面標高基本持平[5-6],既有道路經(jīng)過多年使用并未出現(xiàn)明顯病害,可以由此確定道路路基受力影響區(qū)域范圍內(nèi),其路基土的巖土力學(xué)性能要優(yōu)于同深度的基坑范圍內(nèi)土體。因此在分析模型中需要將路基范圍劃分出來單獨定義,同時要考慮車行荷載的作用。

參考《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[7]中矩形基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)作用在基坑鄰近地面的荷載折算過程,同樣將道路頂面車道荷載進行折算。定義道路頂面荷載范圍連同兩側(cè)擴散角度形成的邊線以及底部荷載折算寬度線形成區(qū)域為分析模型中的路基范圍,如圖1,圖2所示。

圖1中,a為車道距離基坑邊緣距離;b為車道寬度;θ為應(yīng)力在土層中擴散角;P0為車道荷載;σ則為折算后的荷載;Zd為受力影響區(qū)域范圍;c為荷載折算后的底部水平寬度。本工程中,道路邊緣距離基坑邊緣凈距為3 m,車道寬度為7 m,車道荷載參照規(guī)范中車輛標準軸載取值100 kN/m。按照圖中的折斷過程可以得出a為3 m,b為7 m,c為13 m,Zd為3 m,軸載參考換算成車道均布荷載為P0約為15 kN/m。

其中路基參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 路基參數(shù)設(shè)置表

2 基坑開挖過程對既有道路變形數(shù)值分析

基于本次分析的基本前提,本次研究起點之后,基坑施工過程中,能對鄰近既有道路產(chǎn)生影響的因素主要如下:

1)基坑最終的累計開挖深度;

2)基坑的單次開挖深度;

3)錨索的豎向間距及預(yù)加應(yīng)力;

4)施工過程中道路的既有車輛荷載大小。

設(shè)置基礎(chǔ)分析組模型,在基礎(chǔ)分析組模型的前提下采用控制單一變量法對上述影響因素在基坑開挖過程中路基變形敏感性進行分析,設(shè)置為基礎(chǔ)分析組的模型參數(shù)為:

基坑開挖深度為14 m;支護樁嵌固深度5 m,開挖層厚為2 m;道路邊緣距離基坑開挖處水平距離為3 m;錨索豎向間距2.5 m,第一根距離樁頂1.4 m,預(yù)應(yīng)力為350 kN;考慮交通荷載100 kN的影響。

基礎(chǔ)分析組模型數(shù)值分析過程如圖3—圖5所示。

1)定義模型邊界,設(shè)置模型參數(shù),開挖層厚等。

2)在定義好的模型的基礎(chǔ)上進行網(wǎng)格劃分。

3)每開挖一層記錄一次計算結(jié)果,查看分析之后的數(shù)據(jù),并進行后處理。

為分析路基變形,在模型中設(shè)置2道變形監(jiān)測線位,其一,沿靠基坑側(cè)的道路邊緣豎向35 m范圍設(shè)置一道深層水平位移監(jiān)測線位,其二沿支護樁往道路方向15 m設(shè)置一道沉降監(jiān)測線位。在每次計算完成的后處理中分別在以上2道線位處提取相應(yīng)數(shù)據(jù),分析結(jié)果如下。

2.1 基坑開挖深度對路基影響規(guī)律分析

基礎(chǔ)分析組模型的基礎(chǔ)上,討論基坑分別開挖至4 m,8 m,12 m,14 m的深度時,相鄰既有道路范圍的變形規(guī)律和基坑本身的變形規(guī)律(見圖6)。

從開挖過程中的位移云圖可以看出,隨著開挖深度的增加,最大的位移在不斷增加,當開挖至4 m時最大的位移為10 mm,當開挖至14 m時,最大位移為35 mm,整體變形以支護樁為界,兩側(cè)接近對稱發(fā)展,最大變形處于支護樁底部附近。

提取各個階段支護樁頂部往道路方向不同距離的水平位移和豎向位移,以及鄰近支護樁處土體深層水平位移如圖7,圖8所示。

從圖7,圖8可以看出,以支護樁為參照物,距離支護樁由近及遠的地表水平位移量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,隨著距離基坑開挖處的距離變大而呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢,同樣邊坡也是如此,相對開挖處往深度方向,其水平位移也是先增大而后減小。最大位移出現(xiàn)在距離支護樁20 m～30 m之間,當基坑開挖至完成面標高時,地表最大位移量在20 mm以內(nèi),位移量屬于安全范圍。

本文依托項目道路邊緣距離基坑支護樁3 m,道路寬度7 m,即距離基坑支護樁3 m～10 m的范圍內(nèi)均屬于道路路基范圍,從圖9可見,隨著基坑開挖深度的進展,沉降量最大位置相對基坑支護樁不斷向遠處移動,而路基始終處于影響范圍,其在基坑開挖至完成面標高之后,最大沉降量約16 mm,最大沉降差約4 mm,最大的不均勻沉降變形率為0.2%。

2.2 基坑開挖層厚對路基影響規(guī)律分析

在基礎(chǔ)分析組模型的基礎(chǔ)上,保持其他因素不變,調(diào)整開挖層厚,分別以1 m,2 m,4 m的層厚模擬開挖過程中鄰近道路范圍的變形規(guī)律(見圖10—圖12)。

從圖10—圖12可以看出,以不同單次開挖層厚開挖至同樣深度,路基頂面的沉降規(guī)律是一致的,沉降量峰值也基本在同一位置出現(xiàn),不同的是,不同開挖層厚沉降存在差異,其中層厚為1 m和2 m時,路基沉降量差異并不大,當層厚為4 m時,其沉降量較前兩者差異明顯。三者之間的差異隨著開挖深度的進展而稍縮小,層厚為1 m和2 m在開挖到相同深度時,層厚2 m的累計沉降量一直少大于層厚1 m的工況,但其沉降差異由2 mm降低至1 mm以內(nèi),而開挖層厚為4 m和2 m兩者工況相較,在開挖至相同深度時,其沉降差由最大4 mm降低到最大3 mm。

從圖13可以看出,在相同開挖深度的前提下,層厚1 m和2 m的工況對路基深層水平位移影響差異小,層厚4 m的工況相對層厚1 m和2 m工況對路基深層水平位移的影響要明顯大得多。隨著開挖深度的進行,不同層厚下的工況,相差越來越大。整體來說,路基深層水平位移在以上三種層厚工可下,對層厚4 m的工可最敏感,層厚2 m次之,層厚1 m的最小。

分析不同層厚工況下的路基沉降趨勢和路基深層水平位移規(guī)律,可以看出,隨著開挖層厚的增加,路基變形逐漸加劇,而且呈現(xiàn)非線性、增速遞增的趨勢,通過多次模擬發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生這種影響規(guī)律的原因是基坑內(nèi)的土體在挖除過程中,基坑內(nèi)外土壓力失去平衡,待支護樁和錨索支護效果形成之后,基坑內(nèi)外土壓力形成重新的平衡,在失衡和重新形成平面的中間,層厚越深,單次形成的土壓力越大,且層厚1 m或者2 m的前提下,單層厚度只能實施一道錨索,而層厚4 m時,要實施兩道錨索,因此層厚越大,重新形成的平衡的時間越長,土體的變形越明顯,因此路基的變形越明顯。

2.3 錨索豎向間隔及預(yù)應(yīng)力大小路基影響規(guī)律分析

在基礎(chǔ)分析組模型的基礎(chǔ)上,保持其他因素不變,分別調(diào)整錨索的豎向間距和錨索的預(yù)加應(yīng)力。調(diào)整方式如下:

1)從上到下,在第一道錨索實施后,往下的錨索均以等距布置,間距分三種情況:2.5 m,3 m,3.5 m。保持其他因素與基礎(chǔ)分析組模型一致。

2)所有錨索預(yù)加應(yīng)力一致,分四種情況進行討論,預(yù)加應(yīng)力分別為250 kN,300 kN,350 kN,400 kN。保持其他因素與基礎(chǔ)分析組模型一致。

在考慮以上的因素,反復(fù)模擬后,發(fā)現(xiàn)在同深度不同工況下,路基的深層水平位移和路基規(guī)律和前文討論的一致,其最大位移的位置均在同一深度或者同一水平距離附近,但是大小有所差別,取不同工況下的,開挖完成之后形成的最終位移最大值分析如圖14,圖15所示。

在同樣預(yù)應(yīng)力的前提下,錨索間距越小,路基變形越小,在同樣間距的前提下,錨索的預(yù)加應(yīng)力越大,路基變形越小,但當超過350 kN后,變形不再明顯。不難發(fā)現(xiàn),路基沉降對于錨索預(yù)應(yīng)力和間距的敏感性要強于路基深層水平位移對錨索預(yù)應(yīng)力和間距的敏感性,錨索間距相較于錨索的預(yù)加應(yīng)力對路基變形更為敏感。

2.4 車輛荷載路基影響規(guī)律分析

在基礎(chǔ)分析組模型的基礎(chǔ)上,保持其他因素不變,調(diào)整開挖道路的交通荷載,分別以100 kN,120 kN,140 kN,160 kN,180 kN,200 kN這幾個軸載模擬和討論開挖過程中鄰近道路范圍的變形規(guī)律。

采用以上參數(shù)調(diào)整計算模型,經(jīng)多次計算后,發(fā)現(xiàn)在交通軸載調(diào)整為200 kN之后,計算模型已經(jīng)不收斂,考慮在此200 kN的軸載下,支護樁已經(jīng)破壞,基坑側(cè)邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。因此在下文討論過程中不對200 kN的軸載下路基變形進行分析。其余100 kN,120 kN,140 kN,160 kN,180 kN五種軸載下,基坑開挖至最終完成面標高后,其鄰近既有道路路基變形規(guī)律如圖16,圖17所示。

從圖16,圖17可以看出,在基坑開挖至最終完成面標高之后,不同軸載下所引起的路基深層水平位移影響深度差異范圍均在15 m深度內(nèi),深于15 m其水平位移幾乎一致,隨軸載增大而增大,相鄰兩種軸載所引起的位移差值卻在逐漸減少,結(jié)合在200 kN的軸載下模型不收斂的情況,可以得出,隨著軸載的增加,支護樁或者錨索逐漸接近其屈服強度。

不同軸載對于路基承建的影響其主要體現(xiàn)在路基的范圍,即距離支護樁3 m～10 m的范圍,在遠離路基的位置相鄰軸載引起的路基沉降的差值在逐漸減小。

比較不同軸載下的路基橫向的差異變形,發(fā)現(xiàn)在180 kN的軸載下,路基范圍內(nèi)的橫向不均勻變形差值最大有15 mm,所引起的最大變形坡率達到3%,路基變形較為嚴重,其余軸載作用下所引起的路基最大變形均小于1.5%,因此,以計算前模型來看,整個基坑的穩(wěn)定性及路基的變形對于軸載均高度敏感,在施工期間對鄰近既有道路的交通需要進行交通管制和疏導(dǎo),避免軸載過大的車輛對道路和基坑安全形成隱患。

3 模型驗證

為了驗證計算模型的可靠性,選取模型對應(yīng)的基坑和路基斷面位置進行相應(yīng)監(jiān)測,監(jiān)測點位布置圖見圖18。

在監(jiān)測斷面的上監(jiān)測點位包括Z4支護樁的樁頂位移監(jiān)測點,S2為路基深層水平位移監(jiān)測點,LZ4和LY4的路基沉降監(jiān)測點。以開挖開始至基坑實施完成,收集整個過程數(shù)據(jù),并以前文所述的基礎(chǔ)分析組模型計算數(shù)據(jù)進行比對分析。

3.1 路基沉降

豎向位移-時間變化曲線如圖19所示。

實際監(jiān)測點位LZ4,LY4,其路基頂面豎向變形實測值與有限元計算結(jié)果比對如表4所示。

表4 路基頂部豎向變形比對表

從沉降比對數(shù)據(jù)可以看出,距離支護樁的一側(cè)的沉降值較另一側(cè)沉降值大,與有限元模擬的結(jié)果一致,但是實測數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)存在誤差,誤差范圍在8%～11%,由于實測本身存在各種人為誤差以及環(huán)境因素導(dǎo)致真實沉降變化,而有限模擬過程只考慮主要因素,對于人為因素和環(huán)境因素進行的理想化,因此兩者數(shù)據(jù)存在8%～11%誤差是可以接受的范圍。

3.2 路基深層水平位移

取S2深層位移監(jiān)測點位的實測數(shù)據(jù)分析如圖20所示,基坑完成一段時間后的位移數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)進行比對,結(jié)果如圖21所示。

可以看出實測的水平位移數(shù)據(jù)和有限元模擬的數(shù)據(jù)形成的位移趨勢是一致的,但是實測的數(shù)據(jù)相對離散,而有限元的數(shù)據(jù)相對平滑,兩者之間的差值在10 mm以內(nèi),存在差值的原因主要是有限元模擬中假象地層是相對均勻的,同時對人為和環(huán)境因素進行理想化。

綜合上述的有限元和實測的結(jié)果對比,該有限元模型能夠較好地還原真實的基坑開挖過程中,其鄰近既有道路變形的情況。

4 結(jié)論

本文基于已經(jīng)完成設(shè)計的方案,在該方案為背景定義基礎(chǔ)分析組模型,同時在基礎(chǔ)分析組模型的基礎(chǔ)上對基坑實施過程中各個影響因素進行單個模擬,分析出不同的因素對路基變形的影響規(guī)律[8]。

在對基坑實施過程中各個因素模擬過程和結(jié)果分析可以得到結(jié)論如下:

1)有限元對于基坑開挖過程的變形分析有較好的適用性,但是當變形過大時而模型不收斂使得不能真實還原過程是該方法的局限性。雖然基坑支護屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)范疇,但是選擇傳統(tǒng)的巖土力學(xué)模型即摩爾庫侖模型對路基在基坑實施過程中的變形同樣適用。

2)基坑開挖實施過程中諸多因素中,對鄰近既有道路路基變形影響主要開挖深度,其次是錨索的間距和預(yù)加應(yīng)力。在實施過程開挖層厚控制在兩道錨索間距范圍,同時鄰近道路的車行道軸載需要進行控制和引導(dǎo)。

3)通過模型數(shù)據(jù)和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比對,驗證模型的可靠性,從而進一步佐證在基坑開挖模擬過程中,各個因素對路基變形影響的真實性。