基坑圍護結(jié)構(gòu)變形及其對臨近道路沉降的影響分析

魚安卿

(廣西南玉鐵路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

基坑開挖會引起土體卸荷，進而發(fā)生變形。尤其在臨近道路旁進行基坑開挖會對臨近道路產(chǎn)生不良影響。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進行了一些研究：高偉、張尚根等[1-2]以某地區(qū)某條道路臨近基坑開挖和降水為研究對象，采用有限元模擬的方法，重點分析了基坑開挖深度、基坑與道路間距對道路結(jié)構(gòu)沉降的影響；曹孝華、柳林齊等[3-4]基于滲流理論和有效應(yīng)力原理，采用大型有限元軟件進行建模分析，重點分析了基坑開挖對地表沉降和坑底隆起的影響，研究結(jié)果可為類似工程提供參考和借鑒；曾誼輝、樊金山等[5-6]采用大型有限元軟件ANAYS，模擬分析了基坑開挖對道路的影響，并提出了相關(guān)的優(yōu)化建議；陸健、楊東發(fā)等[7-8]以某地區(qū)基坑開挖為研究對象，重點分析了基坑開挖對地表變形的影響，并根據(jù)工程實際提出了相應(yīng)的措施。本文主要以某地區(qū)基坑開挖為研究對象，分析了基坑開挖對坑底隆起的影響，并重點研究了基坑開挖中支護結(jié)構(gòu)的變形以及基坑開挖對臨近路面沉降的影響，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某房建項目地下有兩層，設(shè)計開挖基坑長和寬分別為65 m和50 m，基坑西側(cè)和南側(cè)分別有一條與之平行的混凝土路面和瀝青路面，分別寬8 m和11 m?；幼畲笤O(shè)計深度為10.8 m，場地范圍內(nèi)從上至下主要有填土、粉質(zhì)黏土a、粉質(zhì)黏土b、粉質(zhì)黏土c和砂礫層。本工程為明挖施工，基坑采用旋挖樁和內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)?；舆吘壘嗷炷谅访嫠骄嚯x為8.0 m，距瀝青路面水平距離為8.0 m。旋挖樁長22 m，直徑為1.2 m，樁頂設(shè)置冠梁，坑內(nèi)共兩道支撐來支撐混凝土，尺寸為450 mm×450 mm。圖1所示為基坑圍護結(jié)構(gòu)示意圖及監(jiān)測點布置圖。

(a)立面

(b)平面

2 數(shù)值建模

如圖2所示，采用大型有限元軟件ABAQUS進行建模分析?；娱L和寬分別為65 m和50 m，基坑西側(cè)和南側(cè)分別有一條與之平行的混凝土路面和瀝青路面，分別寬8 m和11 m。模型建立的長寬高分別為150 m、120 m和30 m?；幼畲笤O(shè)計深度為10.8 m，場地范圍內(nèi)從上至下主要有填土、粉質(zhì)黏土a、粉質(zhì)黏土b、粉質(zhì)黏土c和砂礫層，從上至下厚度依次為4.0 m、5.6 m、6.4 m、4.8 m和9.7 m。除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。本文采用摩爾-庫倫作為本構(gòu)模型。表1為土體的物理力學(xué)參數(shù)，表2為道路面層和基層及地下連續(xù)墻的力學(xué)參數(shù)，表3為支撐、連續(xù)墻和立柱的物理力學(xué)參數(shù)。

(a)整體模型

(b)基坑支護

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)表

表2 道路面層和基層的物理力學(xué)參數(shù)表

表3 支撐、連續(xù)墻和立柱的物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 基坑底部隆起影響分析

圖3所示為基坑底部現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比圖。由圖3可知，監(jiān)測點6、7、8、9、10對應(yīng)的數(shù)值模擬值分別為12.2mm、25.4mm、29.2mm、24.9mm、12.0mm，相應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測值分別為10.5mm、22.6mm、26.8mm、21.1mm、10.9mm。相比現(xiàn)場監(jiān)測值，監(jiān)測點6～10的數(shù)值模擬值要大8%～15%。由于工程建設(shè)過程的復(fù)雜性，這種誤差被認為是合理的。

圖3 基坑底部現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬值對比柱狀圖

3.2 基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形影響分析

圖4所示為初次開挖圍護樁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值水平位移對比圖。由圖4可知，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的水平位移曲線規(guī)律相同，均是樁頂水平位移最大，往下逐漸減小。其中現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到最大水平位移分別為3.21mm和3.62mm，二者相差11.3%。圖5所示為第二次開挖圍護樁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬值水平位移對比圖。由圖5可知，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的水平位移曲線規(guī)律相同，均是先增大后逐漸減小，在-3m深度處水平位移最大。其中，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到最大水平位移分別為5.58mm和6.87mm，二者相差18.8%。圖6所示為第三次開挖圍護樁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬值水平位移對比圖。由圖6可知，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的水平位移曲線規(guī)律相同，均是先增大后逐漸減小，在-6m深度處水平位移最大。其中，現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到最大水平位移分別為11.92mm和13.88mm，二者相差14.1%。

綜上可知，數(shù)值模擬值比現(xiàn)場監(jiān)測值略大，但相差不超過20%，認為是合理的。同時，數(shù)值模擬也可以較好地反映整個圍護結(jié)構(gòu)在施工中的水平位移變化規(guī)律。

圖4 初次開挖圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比曲線圖

圖5 第二次開挖圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實測值和

圖6 第三次開挖圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比曲線圖

3.3 基坑開挖對臨近路面沉降影響分析

圖7所示為混凝土路面沉降現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比圖。由圖7可知，監(jiān)測點1、2、3、4、5、6對應(yīng)的數(shù)值模擬值分別為1.26mm、0.72mm、1.33mm、0.78mm、0.51mm、0.83mm，而相應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測值分別為2.43mm、1.35mm、2.30mm、1.71mm、1.11mm、1.92mm。監(jiān)測點1～6的現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值差別在42%～56%范圍內(nèi)。

圖7 混凝土路面沉降現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比曲線圖

圖8所示為瀝青路面沉降現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比圖。由圖8可知，監(jiān)測點7、8、9、10、11、12、13、14、15對應(yīng)的數(shù)值模擬值分別為3.39mm、4.87mm、3.26mm、1.08mm、3.34mm、1.02mm、0.91mm、2.10mm、0.99mm，而相應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測值分別為6.35mm、8.81mm、6.13mm、4.36mm、7.74mm、4.14mm、2.85mm、4.19mm、2.39mm。監(jiān)測點7～15的現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值差別在46%～75%范圍內(nèi)。

由上述可知，基坑開挖對瀝青路面的影響較大，且現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的混凝土路面和瀝青路面沉降值結(jié)果偏差較大，這與模擬過程中未考慮路基、路面和地層之間接觸面摩擦有關(guān)。同時基坑開挖也是一個極為復(fù)雜的非線性變化過程，模擬過程中很難精確考慮。但是，從這些變化規(guī)律可知，本文模擬得到的規(guī)律與實際是相吻合的，這在一定程度上可以為工程提供參考。

圖8 瀝青路面沉降現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值對比曲線圖

4 結(jié)語

本文主要以某地區(qū)基坑開挖為研究對象，分析了基坑開挖對坑底隆起的影響，并重點研究了基坑開挖中支護結(jié)構(gòu)的變形以及基坑開挖對臨近路面沉降的影響，得到以下結(jié)論：

(1)基坑底部隆起的現(xiàn)場實測值和數(shù)值模擬值誤差在8%～15%范圍內(nèi)，由于工程建設(shè)過程的復(fù)雜性，這種誤差被認為是合理的。

(2)初次、第二次和第三次開挖圍護樁的最大水平位移分別發(fā)生在0、-3m和-6m左右深度處，數(shù)值模擬得到的最大水平位移值比現(xiàn)場監(jiān)測值略大，但相差不超過20%，認為是合理的。同時數(shù)值模擬也可以較好地反映整個圍護結(jié)構(gòu)在施工中的水平位移變化規(guī)律。

(3)相比于混凝土路面，基坑開挖對瀝青路面的影響更大?，F(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬得到的混凝土路面和瀝青路面沉降值結(jié)果偏差較大，這與模擬過程中未考慮路基、路面和地層之間接觸面摩擦等簡化模型有關(guān)。但本文模擬得到規(guī)律與實際是相吻合的，這在一定程度上可以為工程提供參考。