基坑降水開挖對鄰近橋梁樁基的影響研究

中圖分類號：U445. 55⁺3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.025

文章編號：1673-4874（2025）03-0086-04

0 引言

近年來，隨著基建之路的不斷發(fā)展，地面空間逐漸被壓縮，深基坑工程的設(shè)計(jì)和建造越來越多，但同時(shí)也帶來了諸多的安全問題，可能會(huì)對鄰近既有建筑物造成不良影響，已有學(xué)者開展了相關(guān)研究。金艷平等1結(jié)合正態(tài)分布密度函數(shù)和隨機(jī)介質(zhì)理論，分析了廣東某商業(yè)辦公樓深基坑開挖對周邊建筑物沉降的影響，實(shí)測與理論計(jì)算結(jié)果符合性較高，建議在開挖過程中重視降水因素對沉降的影響。朱大鵬等以廣州某深基坑降水開挖為例，從理論角度分析了深基坑開挖及降水對鄰近建筑變形的影響機(jī)理，認(rèn)為分次降水可有效減小建筑物沉降，且成本較低，具有現(xiàn)實(shí)意義。吳昊等以某福州下穿高架橋涵洞深基坑工程為背景，用有限元軟件模擬降水條件下的開挖過程，結(jié)果顯示地表沉降呈“勺形”分布，樁水平位移規(guī)律明顯，分次降水可減少沉降和樁位移。張治國等4利用分層假定Green-Ampt模型模擬了降雨對基坑開挖與鄰近基樁相互作用的影響，采用Mindlin基本解和Pasternak雙參數(shù)地基模型，研究了基坑開挖施工導(dǎo)致的土體附加應(yīng)力和基樁的水平變形響應(yīng)。黃燕等5基于實(shí)際工程，綜合考慮基坑降水開挖對土體沉降的影響機(jī)理，通過迭代法計(jì)算樁基沉降，揭示了降水誘發(fā)樁基沉降的機(jī)理。某實(shí)際工程設(shè)計(jì)以箱涵的形式斜穿既有高架橋，為研究基坑降水施工的安全性和對鄰近橋梁樁基的影響，本文利用Midas-GTSNX有限元軟件進(jìn)行建模分析。

1有限元模型的建立與驗(yàn)證

1.1三維模型的建立

本文依托工程屬于一級設(shè)計(jì)安全等級，為連通高架橋兩側(cè)道路，設(shè)計(jì)以箱涵的形式斜穿既有高架橋，同時(shí)兩側(cè)采用重力式水泥土擋墻進(jìn)行支護(hù)。箱涵斜穿高架橋工程段對總計(jì)12處高架橋橋墩產(chǎn)生影響（下側(cè)樁號為1至6號，上側(cè)樁號為7至12號）。橋墩直徑為 1.5m ，下部樁基長為30m?；娱_挖起點(diǎn)與終點(diǎn)如圖1所示，由于基坑開挖過程中對土層的擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致土層產(chǎn)生水平位移，極易引發(fā)橋墩樁基變形。而基坑開挖結(jié)束后，坑底土體的隆起也會(huì)對樁基造成一定的影響?；诖耍疚倪x用Midas-GTSNX有限元軟件進(jìn)行研究。

考慮到基坑降水開挖的影響范圍，設(shè)置模型總長度為200m，寬度為57.1m，高度取45m，為1.5倍樁基長度。土體從上至下分別為厚6.92m的粉質(zhì)黏土、厚1.70m的粉土夾粉砂、厚36.38m的卵石土，選用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型（HS模型）。土體材料參數(shù)如表1所示。

橋墩、橋面、樁基和連系梁選用彈性模型。樁基采用 1D梁單元、樁界面單元和樁端單元模擬，連系梁采用1D 梁單元模擬。其他均采用3D實(shí)體單元模擬。為簡化模 型，重力式水泥墻設(shè)置為有效厚度為3.75m，深度為 9.5m的等效墻體。地下水采用穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算。

1.2模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建立的三維數(shù)值模型的合理性，分別采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、北京理正軟件分析法和Midas-GTSNX數(shù)值模擬法對重力式水泥土擋墻在基坑降水開挖條件下的水平位移進(jìn)行計(jì)算和分析。經(jīng)驗(yàn)公式法采用簡化計(jì)算理論，忽略墻一土相互作用，適用于初步估算，具體過程參考文獻(xiàn)；北京理正軟件是基于“m\"法理論，考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體的彈性相互作用，能在一定程度上反映墻體的變形特征，但其假設(shè)條件仍較為簡化，未全面考慮實(shí)際三維效應(yīng)；Midas-GTSNX數(shù)值模擬建立了完整三維模型，考慮了墻一土相互作用、結(jié)構(gòu)布置、地下水及降水等復(fù)雜工況，采用HS模型模擬土體力學(xué)行為，具有更高的精度和實(shí)用性。將這三種方法計(jì)算所得擋墻水平位移沿深度變化結(jié)果繪于圖2中。由圖2可知，三者的變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為自上而下水平位移逐漸減小。其中，墻頂位移分別為15.25mm（經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法）、16.94mm（北京理正軟件分析法）、17.35mm（Mi-das-GTSNX數(shù)值模擬法）。墻底位移方面，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法預(yù)測為0，北京理正軟件分析法略有變形，而Midas-GTSNX數(shù)值模擬法計(jì)算結(jié)果為3.70mm，考慮更全面。由此表明，Midas-GTSNX數(shù)值模擬法的模擬結(jié)果更接近工程實(shí)際情況，能準(zhǔn)確反映墻體變形趨勢和邊界響應(yīng)，驗(yàn)證了本模型參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方法的有效性。因此，后續(xù)分析將基于Midas-GTSNX模擬結(jié)果展開。

根據(jù)實(shí)際施工情況，設(shè)置數(shù)值模擬具體計(jì)算流程如圖3所示。

2基坑降水開挖的變形

2.1水泥土擋墻的變形

重力式水泥土擋墻的變形可以反映基坑本身的變形特性。分析各施工步情況下?lián)鯄Φ乃轿灰瓶芍渌轿灰谱畲笾挡辉谥胁浚?1～6 號樁側(cè)擋墻最大水平位移值出現(xiàn)在距離放坡開挖終點(diǎn)1/4處， .7～12 號樁側(cè)擋墻最大水平位移值出現(xiàn)在距離放坡開挖起點(diǎn)1/4處，造成該現(xiàn)象主要是因?yàn)榛佣尾捎梅牌碌男问竭M(jìn)行開挖，兩側(cè)端部約束力相對較弱，土壓力更大。此外，基坑斜穿高架橋，而樁基的存在也一定程度上限值了其中部土體的移動(dòng)。

繪制 1～6 號樁側(cè)距離放坡開挖終點(diǎn)1/4位置處在不同施工步下，其水平位移值隨擋墻埋置深度的變化曲線（如圖4所示）。由于擋墻剛度相對較大，其水平位移隨深度表現(xiàn)為線性變化。第一次降水變形時(shí)，擋墻頂部水平位移值略大于第一次開挖結(jié)果。這主要是因?yàn)榻邓^程中，基坑土體水分被抽走，導(dǎo)致土體沉降和周圍土體向基坑移動(dòng)，增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。而放坡開挖的形式則減少了第一次開挖后，土體對擋墻的壓力隨著基坑降水開挖的深度不斷增加，擋墻的水平位移也逐漸增大，而頂部增長較為迅速，底部增長較為緩慢，擋墻呈現(xiàn)向基坑傾斜的趨勢。

2.2 基坑坑底的變形

基坑開挖產(chǎn)生的卸荷作用和土體應(yīng)力重分布會(huì)導(dǎo)致基坑底部出現(xiàn)隆起變形，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致管涌、流砂等現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)一步引發(fā)基坑坍塌，從而威脅施工安全，故而需要對坑底變形進(jìn)行監(jiān)測。

各施工步下，基坑底部土體隆起變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在基坑開挖前，由于降水施工的影響，基坑區(qū)域土體出現(xiàn)了較大的沉降，直至第一次開挖后，基坑底部依舊表現(xiàn)為沉降。第二次開挖和第三次開挖后，基坑底部表現(xiàn)為隆起，且其增長速率逐漸增大?；拥撞柯∑痣S寬度表現(xiàn)為兩側(cè)小，中間大，這主要是因?yàn)榛觾蓚?cè)的擋墻剛度較大，使得該區(qū)域土體受到了一定程度的約束，故其隆起值相對較小。

3基坑降水開挖對樁基位移的影響

根據(jù)第2節(jié)可知，基坑降水開挖對擋墻和底部土體的影響較大，而已建高架橋與擋墻的最小距離為 2.5m 故而有必要對其樁基變形特性進(jìn)行分析，以保障高架橋整體安全性。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到基坑開挖對于左右兩側(cè)樁基的影響具有對稱性，故本文僅以1～6號樁為例進(jìn)行分析。

基坑降水開挖結(jié)束后，樁基最終位移變形如圖6所示。由圖6可知，各樁基變形趨勢基本一致，頂部位移最大，先表現(xiàn)為隨埋置深度增加而逐漸減小，后保持穩(wěn)定。當(dāng)樁基埋置深度在 0～2 倍基坑深度時(shí)，其總位移變化較為迅速；當(dāng)樁基埋置深度在 2～3 倍基坑深度時(shí)，其總位移變化速率減緩；當(dāng)樁基埋置深度在3倍基坑深度之外時(shí)，其總位移基本保持不變。

由圖7可知，不同施工步下，樁基水平位移的分布趨勢基本一致，當(dāng)其埋置深度 lt;20 m時(shí)，基本不發(fā)生水平變形，最大水平位移值在靠近樁頂處。由于第一次開挖深度較小，故而其樁基水平位移值與第一次降水變形結(jié)果較為相近，而隨著開挖深度的增加，開挖后樁基水平位移較降水變形后有明顯增大，第三次開挖對樁基水平位移的影響遠(yuǎn)高于前幾次開挖。

樁基的豎向位移在基坑降水施工時(shí)，表現(xiàn)為沉降增大，在基坑開挖施工時(shí)，由于卸荷作用，基坑周邊土層出現(xiàn)了一定的隆起現(xiàn)象，進(jìn)一步引發(fā)了樁基的沉降減小，整體呈現(xiàn)為沉降減小趨勢。分析頂部存在連系梁的樁基相互之間的差異沉降可知，其最大水平位移差為0. 90mm 在1號樁和2號樁之間，出現(xiàn)時(shí)間為第三次開挖結(jié)束后；最大豎向位移差為0.5mm，在11號樁和12號樁之間，出現(xiàn)時(shí)間為第三次開挖結(jié)束后；最大水平和豎向位移差值均較小，滿足差異沉降要求。

4基坑降水開挖對樁基彎矩的影響

基坑開挖對左右兩側(cè)樁基的影響具有對稱性，而分析 1～6 號樁最大彎矩可知，1號樁彎矩最大值為125.77kN·m，2號樁彎矩最大值為198.48kN·m，3號樁彎矩最大值為335.18kN·m，4號樁彎矩最大值為340.79kN?m，5 號樁彎矩最大值為426.11kN·m，6號樁彎矩最大值為517.41kN·m。

以6號樁為例分析不同施工步對樁基彎矩的影響，其結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，基坑降水開挖初期，樁基彎矩增長緩慢，但隨著開挖深度增加，各樁基上部彎矩顯著增加，下部彎矩逐漸減小，樁頂與樁端彎矩幾乎為零。最大彎矩位于距樁頂7m處，約在粉質(zhì)黏土和粉土夾砂土界面附近。究其原因是黏土的壓縮模量較小，抗變形能力差，而粉土加粉砂的抗變形能力較強(qiáng)所導(dǎo)致的。樁身同時(shí)受到正彎矩和負(fù)彎矩的作用，存在彎矩值為零的反彎點(diǎn)，即樁基在該點(diǎn)出的受力狀態(tài)發(fā)生改變，從受拉變?yōu)槭軌海驈氖軌鹤優(yōu)槭芾?/p>

上述各項(xiàng)結(jié)果均滿足要求，即該基坑降水開挖工程未對鄰近高架橋基樁的安全性造成影響。

5結(jié)語

為研究基坑降水開挖對鄰近橋梁樁基的影響，本文依托某一箱涵形式斜穿高架橋的實(shí)際工程，采用Midas-GTSNX有限元軟件建立三維模型進(jìn)行數(shù)值分析，主要工作及結(jié)論如下：

（1）數(shù)值仿真所得樁基變形趨勢合理，與已有理論和軟件計(jì)算結(jié)果吻合良好，模型可信度高，可用于鄰近橋梁樁基變形評估。

（2）基坑降水與開挖施工對橋梁樁基水平位移影響明顯，水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂處，隨深度增加逐漸減小；在樁深超過 2～3 倍基坑深度后，位移變化趨于穩(wěn)定。

（3）樁基彎矩隨開挖深度的增加而逐漸增大，最大彎矩集中在粉質(zhì)黏土與粉土夾粉砂層交界處，表明該層位是結(jié)構(gòu)響應(yīng)的敏感區(qū)；樁身存在正負(fù)彎矩交替的反彎點(diǎn)，需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注。

（4）樁基豎向變形在降水階段表現(xiàn)為沉降增加，開挖階段因土體卸荷反而減小，整體呈現(xiàn)微弱沉降趨勢。各樁間水平與豎向位移差值均較小，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與差異沉降控制要求。

綜上，基坑降水開挖過程對鄰近高架橋樁基雖產(chǎn)生一定變形與受力響應(yīng)，但控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，工程安全性可控。建議在后續(xù)類似工程中加強(qiáng)樁基變形監(jiān)測與分步施工的協(xié)同分析，以確保結(jié)構(gòu)長期安全運(yùn)行。 ⑦

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