深基坑開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁變形的影響

摘要：在深基坑工程采用明挖法施工的過程中，當(dāng)基坑開挖至鄰近橋梁結(jié)構(gòu)僅有約2 m的距離時(shí)，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)在施工期間沉降較大，需對(duì)其在基坑施工中的變形進(jìn)行分析。文章通過建立三維有限元模型，探究不同基坑開挖深度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果顯示，隨著開挖深度增加，橋墩的水平及垂直位移均呈遞增趨勢(shì)，并且垂直位移明顯超過水平位移。隨著基坑開挖深度從1 m增至5 m，鉆孔灌注樁樁頂彎矩持續(xù)減小，然而當(dāng)深度超過5 m后，樁頂彎矩轉(zhuǎn)而逐漸增大。同時(shí)，鉆孔灌注樁位移經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的變化過程，即先減小后增大、再減小再增大。因此，當(dāng)基坑開挖深度超過7 m時(shí)，建議采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：深基坑；支護(hù)結(jié)構(gòu)；橋梁變形；結(jié)構(gòu)沉降

中圖分類號(hào)：TU433" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）09-0064-04

0 引言

隨著城市建設(shè)步伐的加速，城市道路和地下管線建設(shè)項(xiàng)目日益增多，深基坑工程作為重要的地下工程形式而備受關(guān)注。然而，深基坑開挖對(duì)周邊土體的影響較復(fù)雜，并且不同基坑工程的影響機(jī)理不盡相同。目前，深基坑施工主要通過支護(hù)結(jié)構(gòu)（如錨桿、內(nèi)支撐、樁等）控制變形。支護(hù)結(jié)構(gòu)和樁的變形會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生較大影響，因此在基坑施工中必須合理設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)并嚴(yán)格管控基坑變形。當(dāng)前，如何有效控制深基坑開挖過程中的變形問題，已成為巖土工程領(lǐng)域中的重要課題。橋梁是一種常見的跨越障礙的建筑物，對(duì)交通運(yùn)輸起著十分重要的作用。目前，基坑工程理論研究已取得一定的成果。例如：汪小南等［1］研究軟土地層中深基坑開挖對(duì)鄰近橋梁樁基的影響，發(fā)現(xiàn)靠近基坑的橋樁水平位移增大，彎矩累計(jì)變化率雖然較小，但是仍需優(yōu)化設(shè)計(jì)。沈建文［2］探討了明挖基坑、暗挖或盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近橋樁的影響，以及在不同影響因素下，臨近橋樁的側(cè)向變形規(guī)律和彎矩變化規(guī)律，得出基坑開挖深度宜控制在3～16 m的結(jié)論，但缺乏對(duì)橋梁樁基變形的研究。楊濤等［3］采用兩階段分析法研究基坑開挖卸荷作用下公路橋梁的受力變形規(guī)律，研究結(jié)果表明，隨著橋梁樁基與基坑距離的增大，樁基水平位移及最大彎矩逐漸減小，但未探討開挖深度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。

上述研究對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近橋梁影響的分析仍不夠充分。隨著城市建設(shè)向地下空間拓展，基坑工程施工與鄰近橋梁之間的相互影響及潛在風(fēng)險(xiǎn)逐漸加劇，尤其是在城市高架線路交會(huì)區(qū)域，對(duì)高架線路與周邊建筑物的變形控制要求更為嚴(yán)格。隨著深基坑工程的增多，其對(duì)周邊環(huán)境尤其是臨近支護(hù)結(jié)構(gòu)和橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施的變形影響，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。因此，本文以某深基坑工程為例，探究基坑開挖深度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，旨在通過數(shù)值模擬研究，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)深基坑開挖引起的變形情況，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的依據(jù)，確保工程安全及周邊設(shè)施的正常運(yùn)行。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 基坑概況

某工程隧道全長(zhǎng)約1 552 m，內(nèi)徑為3.5 m，采用盾構(gòu)法施工，沿線共設(shè)置2座盾構(gòu)井。盾構(gòu)井施工采用明挖順作法，基坑支護(hù)采用“地連墻+環(huán)形鋼砼”圍檁，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。1號(hào)工作井處于道路紅線范圍內(nèi)，為盾構(gòu)始發(fā)井，井中心里程為K0+511.279，隧道中心標(biāo)高為-26.94 m（絕對(duì)標(biāo)高）。1號(hào)工作井為外包直徑為 16 m 的圓形結(jié)構(gòu)，底板埋深為35.07 m，共設(shè)地下5層。1號(hào)工作井出入口的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由?850@600三軸攪拌樁內(nèi)插型鋼、3道鋼支撐及1道換撐組成，攪拌樁長(zhǎng)度為21.5 m，基坑開挖深度為11.1 m。深基坑平面呈不規(guī)則多邊形，挖掘深度為5.3～11.2 m，總周長(zhǎng)約331.9 m。深基坑?xùn)|側(cè)緊鄰橋梁，橋墩樁基中心線與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中心線的距離為2～12 m。深基坑支護(hù)采用鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)35 m，樁徑為1.4 m，有效支護(hù)長(zhǎng)度為11.3～13.8 m，削坡高度為0～1 m，坡比為1∶1。鉆孔灌注樁頂端設(shè)有冠梁用于連接，冠梁尺寸為1.2 m × 0.8 m，采用C30混凝土。深基坑斜坡表面鋪設(shè)2 mm×100 mm×50 mm的鋼板網(wǎng)，并噴射混C20凝土，厚度為 80 mm。為監(jiān)測(cè)鉆孔灌注樁支撐結(jié)構(gòu)的水平變形情況，沿深度方向?qū)ζ渌轿灰七M(jìn)行實(shí)地測(cè)量［4］。同時(shí)，采用?800 mm樁間噴射灌注樁對(duì)樁周圍的松散土層進(jìn)行加固處理，防止樁間水土流失。施工后，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性［5-7］。

1.2 基坑土層地質(zhì)

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)調(diào)查資料和鉆探分析結(jié)果，場(chǎng)地地表覆蓋層主要由第四系人工填土層和沖積層構(gòu)成，其下部基巖為二疊系棲霞組泥灰?guī)r和石灰?guī)r。在基坑影響范圍內(nèi)，土層由上至下依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、黏土、完全風(fēng)化泥灰?guī)r及中度風(fēng)化泥灰?guī)r，各土層的厚度可根據(jù)土剖面所顯示的高程精確計(jì)算得出。通過現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試確定的土壤參數(shù)見表 1。

2 模型構(gòu)建

本研究采用有限差分軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，構(gòu)建了一個(gè)尺寸為200 m × 200 m × 60 m的深基坑模型，其外邊界距離挖掘坑90 m（約為挖掘深度的8.2 倍）。坑底以下區(qū)域深度設(shè)為49 m（約為挖掘深度的4.5倍），確保邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響降至最低。模型周邊施加法向位移邊界約束，底部采用固定約束［8］。為獲得精確的計(jì)算結(jié)果，模型包含約340 000個(gè)尺寸為1 m左右的六面體單元。數(shù)值模型設(shè)置的邊界約束僅考慮自重應(yīng)力效應(yīng)，并對(duì)鉆孔灌注樁和橋樁基礎(chǔ)施加扭轉(zhuǎn)約束。橋樁基采用界面和樁端單元模擬與土體的相互作用，土體等采用六面體實(shí)體單元，共計(jì)143 053個(gè)單元和101 182個(gè)節(jié)點(diǎn)，未考慮地下水、土壤固結(jié)和蠕變的影響［9］。采用軟件進(jìn)行模擬前，對(duì)模型進(jìn)行了初始地應(yīng)力平衡處理，使其處于平衡狀態(tài)，并適當(dāng)簡(jiǎn)化模型，去除對(duì)模擬結(jié)果影響較小的細(xì)節(jié)部分，以提高計(jì)算效率。

為滿足工程需求并快速求解深基坑開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁變形的影響，數(shù)值模擬中選用修正的Mohr-Coulomb 模型描述土體應(yīng)力應(yīng)變行為［10］。該模型為非線性彈性塑性復(fù)合模型，它充分考慮了剪切和壓縮變形，適用于黏土模擬，可忽略土層的不均勻性和個(gè)別透鏡體，將土體簡(jiǎn)化為層狀土。數(shù)值模型假定支撐結(jié)構(gòu)和其他部件為各向同性材料，未考慮水位、開挖時(shí)間和空間對(duì)模擬結(jié)果的影響，并合理界定了數(shù)值模擬的研究區(qū)域范圍，充分考慮了深基坑開挖對(duì)周邊土體和橋梁的潛在影響因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同開挖深度對(duì)橋墩沉降位移的影響

基坑開挖深度對(duì)橋梁橋墩的影響主要體現(xiàn)在橋墩的豎向和水平位移上。在開挖過程中，鉆孔灌注樁雖然能起到一定的土體變形阻擋作用，從而在一定程度上限制了橋墩的變形，但是橋梁與深基坑的距離太近，所以仍會(huì)加劇橋墩的位移。為進(jìn)一步探究不同開挖深度對(duì)橋墩位移的影響，本文進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，橋墩的沉降位移見圖1。圖1清晰地展示了隨著開挖深度的增加，橋墩的水平及垂直位移均呈上升趨勢(shì)，并且垂直位移顯著大于水平位移。當(dāng)開挖深度至1 m時(shí)，橋墩水平位移為0.1 mm，開挖1～5 m深時(shí)，橋墩水平位移變化較小，為0.1～0.42 mm。當(dāng)開挖深度超過7 m時(shí)，橋墩水平位移迅速增大，最大達(dá)到1.72 mm，較開挖深度為1 m時(shí)增長(zhǎng)了1 620%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是基坑開挖時(shí)，整體變形以豎直方向?yàn)橹?，水平方向變化相?duì)較小。同時(shí)，受鉆孔灌注樁的影響，橋墩結(jié)構(gòu)的水平變形小于豎向變形。此外，深基坑開挖會(huì)改變周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)。隨著開挖深度的增加，土體側(cè)向壓力減小，豎向壓力相對(duì)增大，導(dǎo)致土體向坑內(nèi)位移，進(jìn)而傳遞至鄰近的橋墩基礎(chǔ)，引起橋墩沉降和位移。在開挖過程中，橋墩的豎向位移變化較大。開挖深度為1 m時(shí)，橋墩垂直位移為0.2 mm；隨著開挖深度的增加，垂直位移持續(xù)增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是基坑開挖深度越深，基坑土體的有效應(yīng)力釋放速率越大，對(duì)土體擾動(dòng)效果越明顯，導(dǎo)致橋墩的垂直位移進(jìn)一步增大。當(dāng)開挖深度達(dá)到11 m時(shí)，橋墩出現(xiàn)最大垂直位移，達(dá)到2.79 mm；開挖深度超過9 m時(shí)，橋墩垂直位移均大于2 mm。因此，基坑開挖深度對(duì)橋墩的豎向位移的影響較大，對(duì)水平位移的影響相對(duì)較小，后續(xù)應(yīng)對(duì)橋墩周圍土體進(jìn)行加固處理，以防橋墩出現(xiàn)過大的垂直位移，確保其穩(wěn)定性。

3.2 不同開挖深度對(duì)鉆孔灌注樁彎矩的影響

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受多種因素影響，這些因素主要包括基坑深度、開挖深度、土體性質(zhì)、支撐剛度、施工工藝及周邊環(huán)境等。其中，開挖深度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有顯著影響。在深基坑開挖過程中，周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致鉆孔灌注樁所受的側(cè)向土壓力隨之改變。隨著開挖深度增加，樁體承受的側(cè)向土壓力逐漸減小，而樁后土體的主動(dòng)土壓力與樁前土體的被動(dòng)土壓力差值增大，進(jìn)而產(chǎn)生樁身彎矩。同時(shí)，樁頂所受的上部結(jié)構(gòu)荷載及樁底約束條件也會(huì)影響樁身彎矩分布。

為探究不同開挖深度對(duì)鉆孔灌注樁樁頂彎矩的影響，本文進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，鉆孔灌注樁樁頂彎矩變化見圖2。隨著基坑開挖深度從1 mm增加至5 m，鉆孔灌注樁樁頂彎矩不斷減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是鉆孔灌注樁連接成樁群，整體剛度顯著提升，從而減小了樁彎矩，提升了基坑支護(hù)的穩(wěn)定性。當(dāng)基坑開挖深度小于5 m時(shí)，對(duì)下部土體的擾動(dòng)較小，鉆孔灌注樁能有效分散和抵抗外力，進(jìn)一步增強(qiáng)了基坑的穩(wěn)定性。在此階段，樁頂彎矩與開挖深度呈負(fù)相關(guān)，開挖至5 m時(shí)，樁頂彎矩達(dá)到最小值（735 kN·m），較開挖深度為1 m和3 m時(shí)的彎矩分別下降了14.13%和7.54%。然而，當(dāng)基坑開挖深度超過5 m時(shí)，樁頂彎矩逐漸增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是樁身承受的土壓力和側(cè)向力增大，特別是在樁頂部位，彎矩變化尤為顯著。隨著開挖深度繼續(xù)增加，坑內(nèi)外土壓力差增大，鉆孔灌注樁彎矩也隨之增加。當(dāng)基坑接近底部11 m時(shí)，受底土強(qiáng)烈約束的影響，鉆孔灌注樁樁頂彎矩再次呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，達(dá)到最大彎矩（915 kN·m）。

3.3 不同開挖深度對(duì)鉆孔灌注樁垂直位移的影響

在深基坑開挖過程中，為確保樁基礎(chǔ)的安全性，需對(duì)鉆孔灌注樁的垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這是因?yàn)闃俄敶怪蔽灰颇軌蚍从硺渡淼氖芰顟B(tài)。基于此，本文開展了不同開挖深度對(duì)鉆孔灌注樁垂直位移的影響試驗(yàn)，鉆孔灌注樁垂直位移變化見圖3。圖3清晰地展現(xiàn)了在開挖過程中鉆孔灌注樁存在明顯的下沉現(xiàn)象，最大下沉距離為2.79 mm左右。隨著開挖深度的增加，鉆孔灌注樁的位移呈現(xiàn)先減小后增大、再減小又增大的趨勢(shì)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是基坑開挖深度的增加導(dǎo)致土體內(nèi)摩擦角減小，進(jìn)而增大了土體對(duì)樁的向下推力。同時(shí)，在基坑開挖過程中，周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土體對(duì)鉆孔灌注樁的側(cè)向土壓力減小，樁周圍土體向坑內(nèi)移動(dòng)，進(jìn)而引起鉆孔灌注樁的垂直位移。此外，開挖引起的土體沉降通過樁與土體的相互作用傳遞給鉆孔灌注樁，進(jìn)一步加劇了其垂直位移。

在開挖初期，鉆孔灌注樁經(jīng)歷了一個(gè)向下沉降的過程，直至達(dá)到最大值后，沉降量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這種沉降過程通常發(fā)生在基坑開挖深度較大的情況下。當(dāng)深基坑開挖深度為1～3 m時(shí)，鉆孔灌注樁的垂直位移由2.56 mm下降至2.14 mm，樁身最大位移隨開挖深度增加而減小，并且樁頂所受荷載大于樁身荷載。然而，當(dāng)開挖深度達(dá)到7～11 m時(shí)，鉆孔灌注樁的位移從2.77 mm增加至2.79 mm，出現(xiàn)較大的垂直位移。這表明不同開挖深度對(duì)鉆孔灌注樁的位移影響較大。因此，當(dāng)基坑開挖深度超過7 m時(shí)，建議采用地下連續(xù)墻支護(hù)措施，以提高基坑的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

為進(jìn)一步提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，本文通過構(gòu)建三維有限元模型，深入分析了不同基坑開挖深度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體影響，主要結(jié)論概括如下。

（1）基坑開挖深度對(duì)橋墩豎向位移的影響較大，而對(duì)水平位移的影響相對(duì)較小。因此，建議對(duì)橋墩周邊土體實(shí)施加固措施，防止橋墩產(chǎn)生過大的垂直位移，確保其穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)基坑深度接近11 m時(shí)，鉆孔灌注樁受到底土的強(qiáng)烈約束，導(dǎo)致樁頂彎矩呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。針對(duì)此情況，建議增加鉆孔灌注樁的長(zhǎng)度，以有效降低樁身彎矩。

（3）在深基坑開挖深度為7～11 m時(shí)，鉆孔灌注樁的位移從2.77 mm增加至2.79 mm。為提升基坑的穩(wěn)定性，建議采取地下連續(xù)墻支護(hù)措施。

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*中國(guó)智慧工程研究會(huì)職業(yè)素養(yǎng)專業(yè)委員會(huì)重點(diǎn)課題“公路路基路面的試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)研究”（ZHGC85032）。

【作者簡(jiǎn)介】左云，男，廣西武宣人，本科，工程師，研究方向：道路橋梁工程。

【引用本文】左云.深基坑開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁變形的影響［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：64-67.