新建承臺(tái)施工對(duì)既有道路的擾動(dòng)沉降影響研究

王春燕， 洪寶寧， 劉 鑫， 吳 昭

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098； 3.河海大學(xué)隧道與地下工程研究所，南京 210098）

近年來，隨著市內(nèi)交通情況越來越復(fù)雜，更多的城市選擇在地上或地下空間拓展交通線路. 在既有道路上修建高架橋是常用的拓展交通線路的手段之一，然而在既有道路上進(jìn)行承臺(tái)區(qū)域的施工會(huì)擾亂既有道路原先的沉降狀態(tài)，既有道路與后期承臺(tái)區(qū)域的沉降不同步，進(jìn)而產(chǎn)生差異沉降. 因此，許多學(xué)者對(duì)造成差異沉降的原因進(jìn)行了大量研究［1-9］. Peck［10］考慮與土層性質(zhì)和基坑開挖深度相關(guān)的土體沉降計(jì)算方法，提出了基于基坑開挖深度、土層性質(zhì)、基坑支護(hù)系統(tǒng)等因素的地表沉降計(jì)算公式；Liu等［11］通過理論分析和有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)典型復(fù)雜基坑群開挖過程中的疊加影響效應(yīng)進(jìn)行分析研究；Jia等［12］通過對(duì)基坑開挖引起的隧道和車站位移的理論分析，總結(jié)了隧道和車站位移的規(guī)律，預(yù)測(cè)了車站對(duì)隧道非均勻變形的影響. 吳昌將［13］經(jīng)過大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到基坑的開挖深度與離基坑的距離是影響基坑周圍建筑沉降的重要因素；賈德祥［14］利用Midas/GTS軟件對(duì)基坑開挖施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了基坑開挖對(duì)基坑外土體沉降、地下連續(xù)墻水平位移和建筑物沉降的影響；高偉等［15］通過數(shù)值計(jì)算模型，分析了基坑開挖各階段的不同施工方法的影響，定量評(píng)價(jià)基坑施工過程對(duì)周圍土體的影響. 孫建波［16］通過有限元軟件MIDAS/GTS分析了不同段長度對(duì)變形的影響，確定了最佳段長；吳劭旸［17］通過地鐵段兩側(cè)基坑開挖順序和加固措施的數(shù)值模擬，研究了地鐵段的位移和襯砌內(nèi)力的變化，得到了合理的開挖順序和加固措施.

目前，大部分在既有道路旁進(jìn)行承臺(tái)施工，造成的差異沉降無法避免，若不采取相應(yīng)的工程措施解決差異沉降問題，隨著道路的通車使用，差異沉降值也會(huì)逐漸增加. 因此，新建承臺(tái)區(qū)域與既有道路差異沉降研究顯得尤為重要. 由于不同開挖面積和工期條件下承臺(tái)施工的差異沉降的研究較少，本文借助有限元數(shù)值計(jì)算，研究不同開挖面積和不同施工工期條件下的既有道路的沉降規(guī)律，并對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo).

1 工程概況

古神公路經(jīng)過地區(qū)為新構(gòu)造動(dòng)力的珠江三角洲斷陷區(qū). 珠江三角洲為彎頭復(fù)合三角洲，三角洲本身底積層、前積層不明顯，基底受斷陷臺(tái)地影響，基底不平而形成多個(gè)沉積中心，第四系沉積厚度最大可達(dá)60～70 m，一般為20～40 m. 古神路的工程地質(zhì)情況具有以下的區(qū)域性特點(diǎn)：含水率高、滲透系數(shù)低、土體孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度差、承載力低等.

在既有道路的平順和新建承臺(tái)區(qū)域的施工中，軟土層受到擾動(dòng)，會(huì)加大既有道路沉降. 在承臺(tái)基坑開挖施工過程中，因土體抗剪強(qiáng)度差，承載力低，易出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，需增加支護(hù)結(jié)構(gòu). 因此，承臺(tái)基坑開挖過程中對(duì)土體擾動(dòng)的影響較大.

2 有限元模型建立

2.1 模型參數(shù)選取

本文采用PLAXIS 2D進(jìn)行基坑施工的數(shù)值模擬計(jì)算，數(shù)值模型采用摩爾-庫倫土體本構(gòu)模型. 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的板為鋼板支護(hù)樁，內(nèi)支撐錨桿為鋼材. 各計(jì)算參數(shù)具體見表1和表2.

表1 計(jì)算土層的物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of the calculated soil layers

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Support structure parameters

1）土層計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘資料選取典型路段，計(jì)算土層分為四層，分別為：粉質(zhì)黏土層、淤泥層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、砂質(zhì)黏性土層. 各土層參數(shù)見表1.

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

在開挖施工的過程中，沿開挖基坑四周設(shè)置鋼板樁支護(hù). 完成第一步開挖后，在基坑內(nèi)部布置一排用于支撐鋼板樁的錨桿，并設(shè)置腰梁. 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.

2.2 計(jì)算模型

為了研究不同開挖面積下的承臺(tái)施工對(duì)既有道路的沉降影響，數(shù)值模擬計(jì)算中選取四種工況，不同工況下基坑尺寸見表3. 不同施工工期條件為20、40、60、80、100 d.

表3 不同開挖面積下的基坑Tab.3 Foundation pits under different excavation areas 單位：m

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖所影響的土體范圍為基坑開挖尺寸的3～5倍，為了便于不同工況基坑的施工影響對(duì)比，將計(jì)算土體統(tǒng)一取長40 m、深25 m的計(jì)算范圍. 同時(shí)，為了模擬正常道路上的行車荷載，在道路的頂部施加25 kN/m2的初始的均布荷載作用. 土體頂部自由，左右兩側(cè)受到法向約束，底部受到固定約束. 基坑的計(jì)算模型見圖1.

圖1 PLAXIS 2D計(jì)算模擬示意圖Fig.1 Schematic diagram of PLAXIS 2D calculation simulation

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

其他工況條件下既有道路的最大水平位移值和沉降值匯總見表4～7，圖2～5.

1）工況1的基坑計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 工況1的基坑數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the foundation pit in working condition 1

圖2 工況1的基坑計(jì)算結(jié)果圖Fig.2 Calculation results of the foundation pit of working condition 1

2）工況2的基坑計(jì)算結(jié)果如表5所示.

表5 工況2的基坑數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of the foundation pit in working condition 2

圖3 工況2的基坑計(jì)算結(jié)果圖Fig.3 Calculation results of the foundation pit of working condition 2

3）工況3的基坑計(jì)算結(jié)果如表6所示.

表6 工況3的基坑數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of the foundation pit in working condition 3

圖4 工況3的基坑計(jì)算結(jié)果圖Fig.4 Calculation results of the foundation pit of working condition 3

4）工況4的基坑計(jì)算結(jié)果如表7所示.

表7 工況4的基坑數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of the foundation pit in working condition 4

圖5 工況4的基坑計(jì)算結(jié)果圖Fig.5 Calculation results of the foundation pit of working condition 4

3.2 開挖面積對(duì)道路擾動(dòng)沉降的影響分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)開挖時(shí)間為20 d時(shí)，開挖深度分別為4.5 m（1.0 m+承臺(tái)高度）和5 m（1.5 m+承臺(tái)高度）時(shí)，不同開挖面積對(duì)既有道路路基水平位移影響情況，結(jié)果見圖6. 對(duì)既有道路基坑施工后沉降影響的部分計(jì)算，結(jié)果見表8.

從圖6和表8可以看出，水平位移和對(duì)工后沉降影響隨基坑開挖面積增大而增加. 最大的水平位移發(fā)生在基坑頂下部的1/5處，不同開挖面積下最大水平位移在4.0～7.5 cm之間. 開挖深度為1 m+承臺(tái)高度（4.5 m）時(shí)，最大的沉降發(fā)生在距基坑邊緣0.5 m左右處，開挖深度為1.5 m+承臺(tái)高度（5.0 m）時(shí)，最大的沉降發(fā)生在距基坑邊緣0.6 m左右處，不同開挖面積下沉降量在0.8～1.5 cm之間.

綜合分析可知，開挖面積每增加1 m2，既有道路路基的工后沉降量將增加0.1～0.2 cm.

圖6 不同開挖面積對(duì)既有道路水平位移的影響Fig.6 Effect of different excavation areas on horizontal displacement of existing roads

表8 不同開挖面積對(duì)工后沉降影響Tab.8 Effect of different excavation areas on post-construction settlement

3.3 施工工期對(duì)道路擾動(dòng)沉降的影響分析

當(dāng)開挖基坑長寬均為8.6 m、深度為1.0 m+承臺(tái)高度和1.5 m+承臺(tái)高度時(shí)，施工工期對(duì)水平位移及沉降值的影響，結(jié)果見圖7；對(duì)既有道路基坑施工后沉降影響，結(jié)果見表9.

圖7 不同開挖施工工期對(duì)既有道路水平位移的影響Fig.7 Influence of different excavation construction period on horizontal displacement of existing roads

表9 不同開挖施工工期對(duì)工后差異沉降影響Tab.9 Effect of different excavation construction periods on post-working differential settlement

可以看出，水平位移和對(duì)工后沉降的影響隨基坑開挖施工工期延長而增加. 最大的水平位移發(fā)生在基坑頂下部的1/5處，不同開挖時(shí)間下最大水平位移在4.0～8.5 cm之間；開挖深度為1 m+承臺(tái)高度（4.5 m）時(shí)，最大的沉降發(fā)生在距基坑邊緣0.5 m左右處，開挖深度為1.5 m+承臺(tái)高度（5.0 m）時(shí)，最大的沉降發(fā)生在距基坑邊緣0.6 m左右處，不同開挖時(shí)間下沉降值在1.4～3.0 cm之間.

綜上所述，每延長1個(gè)月，既有道路路基的工后沉降量增加1.0～2.0 cm. 所以在既有道路上進(jìn)行新建承臺(tái)區(qū)域的施工時(shí)，應(yīng)該盡量減少施工開挖的時(shí)間，做到快挖快填.

4 現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

新建承臺(tái)施工時(shí)會(huì)對(duì)既有路產(chǎn)生擾動(dòng)沉降，承臺(tái)區(qū)域（承臺(tái)沉降很小，可忽略不計(jì)）勢(shì)必會(huì)與既有道路產(chǎn)生差異沉降. 所以，在承臺(tái)頂部設(shè)置調(diào)節(jié)層，能夠有效緩解老路基與承臺(tái)區(qū)域之間的不均勻沉降. 根據(jù)古神公路老路基的沉降發(fā)展情況，選擇調(diào)節(jié)層厚度為0.7 m，調(diào)節(jié)層為土料. 其中，假定路面結(jié)構(gòu)層在施工過程和工后均不變形（沉降）.

將同一段路基的未進(jìn)行承臺(tái)施工既有道路沉降（相當(dāng)于不考慮擾動(dòng)影響的沉降）與考慮承臺(tái)施工既有道路沉降進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比見表10.

表10 不考慮與考慮擾動(dòng)影響的沉降量對(duì)比Tab.10 Differential settlement without considering the influence of construction disturbance 單位：cm

從表10可以看出，考慮承臺(tái)基坑開挖對(duì)既有道路沉降影響，比不考慮施工擾動(dòng)影響的情況沉降大2～3 cm，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近，由于實(shí)際情況中，既有道路的沉降不僅受到開挖時(shí)間及開挖面積的影響，還受到開挖深度等影響，所以實(shí)際值較計(jì)算值大.

5 結(jié)論

基于PLAXIS 2D數(shù)值模擬軟件，建立基坑開挖施工的數(shù)值計(jì)算模型，研究不同開挖面積和不同施工工期條件下基坑施工過程對(duì)既有道路造成的擾動(dòng)沉降影響情況. 經(jīng)過計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論：

1）通過比較不同開挖面積對(duì)既有道路路基水平位移影響和工后沉降值影響的計(jì)算結(jié)果，可以得知，既有道路的水平位移和工后沉降隨基坑開挖面積增大而增加.

2）通過比較不同施工工期對(duì)既有道路路基水平位移影響和承臺(tái)施工后沉降值影響的計(jì)算結(jié)果. 可以得知，既有道路的水平位移和工后沉降隨基坑開挖施工工期延長而增加.

3）施工工期每延長1個(gè)月，將增加既有道路路基承臺(tái)施工后沉降量1.0～2.0 cm. 所以在既有道路上進(jìn)行新建承臺(tái)區(qū)域的施工時(shí)，應(yīng)該盡量減少施工開挖的時(shí)間，做到快挖快填.