基于滲流—應(yīng)力耦合的深基坑開挖對臨近橋基的影響

李紅亮 周小涵

(1.上海城鐵建筑科技有限公司，上海 200233； 2.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

基于滲流—應(yīng)力耦合的深基坑開挖對臨近橋基的影響

李紅亮1周小涵2

(1.上海城鐵建筑科技有限公司，上海 200233； 2.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

利用有限元軟件，建立了某地鐵基坑模型，考慮基坑降水過程中滲流—應(yīng)力的耦合作用，研究了強透水性地層地鐵車站深基坑開挖過程對臨近橋樁的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：考慮基坑降水滲流—應(yīng)力耦合作用后，基坑開挖變形比不考慮滲流—應(yīng)力耦合作用時加大；臨近橋樁受到基坑開挖和基坑降水的影響，在施工中應(yīng)注意保護(hù)。

地鐵，深基坑，滲流—應(yīng)力耦合，橋墩

如今，城市地鐵建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，當(dāng)明挖地鐵車站周邊既有建筑眾多、既有建筑基礎(chǔ)多樣且距離很近時，對車站深基坑開挖的要求頗高。而當(dāng)深基坑遇到破碎地層等透水性很強的地層時，由于水的作用產(chǎn)生的風(fēng)險也是基坑順利施工的控制性要素之一。先進(jìn)的深基坑開挖往往配備了降水措施，施工過程中的降水會對基坑滲流場和應(yīng)力場產(chǎn)生影響。

近年來，學(xué)界開展了較多的基坑滲流—應(yīng)力耦合作用研究。平揚等[1](2001)將比奧固結(jié)理論擴(kuò)展應(yīng)用于彈塑性分析領(lǐng)域，將滲流場水力作用與應(yīng)力場耦合，通過有限單元法模型分析了深基坑開挖及降水過程中的地面沉降規(guī)律；裴桂紅等[2](2004)建立了地下水非穩(wěn)定滲流的三維數(shù)學(xué)模型，基于小變形假設(shè)、彈塑性本構(gòu)關(guān)系及Terzaghi有效應(yīng)力原理得到了土體變形方程，通過基坑滲流—應(yīng)力耦合數(shù)值模擬，研究了群井降水條件下基坑地下水滲流場變化規(guī)律，考慮基坑支護(hù)措施，給出了滲流過程中基坑應(yīng)力場變化特征；顏勇[3](2011)針對武漢長江一級階地地鐵深基坑，研究了其降水與開挖施工過程中引起的地面沉降以及基坑穩(wěn)定等影響與變化規(guī)律。

本文利用有限元軟件計算分析了滲流—應(yīng)力耦合作用下深基坑開挖對臨近橋樁的影響，為類似工程提供參考。

1 滲流—應(yīng)力耦合原理

土體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)σij決定了土層的滲透張量kij，即kij=f(σij) 。反過來，滲透張量kij又通過滲流體積力fi影響土層的應(yīng)力狀態(tài)，即σij=g(kij)。因此，土層應(yīng)力場與滲流場是相互影響的，或二者是耦合的，需要反復(fù)迭代才能使耦合應(yīng)力場達(dá)到穩(wěn)定[4]。滲流場與應(yīng)力場的耦合關(guān)系聯(lián)立方程可以參考式(1)：

(1)

其中，kx′0，ky′0，kz′0分別為0應(yīng)力狀態(tài)下3個滲透主軸方向的初始滲透系數(shù)；λ為影響系數(shù)，一般由試驗確定。

2 深基坑與臨近橋樁計算模型

2.1 基坑模型

某地鐵深基坑長206 m、寬50 m、深17 m，基坑局部57 m范圍位于市政高架橋下。該處橋下凈空6.3 m，基坑內(nèi)有一承臺、基坑南北側(cè)分別有一承臺距離基坑2.73 m，2.23 m。橋梁為4跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，位于基坑內(nèi)兩跨跨度為32 m，40 m。橋梁全寬27.5 m。墩柱尺寸為1.8 m×1.3 m，墩柱下承臺尺寸為2.3 m×2.3 m×1.5 m，承臺基礎(chǔ)采用φ1.8 m鉆孔灌注樁，每墩一樁。承臺間采用系梁連接，系梁尺寸為4.2 m×1.5 m×1.5 m。

如圖1所示，按照基坑開挖的施工順序，應(yīng)用MIDAS-GTS軟件建立了二維有限元計算模型。基坑開挖寬度為50 m，開挖深度為17 m。基坑開挖的平面影響區(qū)為距基坑邊緣2倍～3倍的開挖深度，計算模型寬160 m，高60 m。

2.2 計算工況

基坑分4次開挖，每次開挖深度分別為3.0 m，5.0 m，5.0 m和4.0 m。計算中考慮基坑內(nèi)井點降水，每次降水深度都為開挖面以下0.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8 m厚的地下連續(xù)墻，地墻長23 m。支撐采用3道混凝土支撐，支撐斷面尺寸分別為1 m×1.1 m，1.1 m×1.3 m，1.2 m×1.4 m，支撐點在開挖面以上0.5 m處。各土層的具體參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)表

另外，為了分析基坑降水滲流對基坑變形的影響，同時進(jìn)行了不考慮降水滲流的情況下的基坑開挖計算，以作對比之用。

3 計算結(jié)果及分析

將考慮及不考慮滲流—應(yīng)力耦合作用時基坑第4次開挖的豎向及水平位移云圖分別列出，如圖2～圖5所示。

選取需要重點關(guān)注的中間橋墩水平位移和基底隆起為研究對象，將4次開挖過程中兩者的位移列出，如表2所示。

表2 基坑開挖引起的變形對比 mm

由表2可知，隨著基坑開挖深度的加大，橋墩水平位移和基底隆起，總體來講，考慮滲流—應(yīng)力耦合作用時，對比不考慮滲流及降水作用時，橋墩水平位移和基底隆起都將加大。本基坑開挖過程中，考慮滲流時，中間橋墩水平位移和基底隆起都隨開挖步驟逐漸加大。而不考慮滲流時，中間橋墩水平位移隨開挖步驟逐漸加大，基底隆起都隨開挖步驟有突變效應(yīng)出現(xiàn)，分析其原因是因為基底隆起由基坑內(nèi)外側(cè)壓差所致，同時與開挖后土層壓縮模量等地層參數(shù)相關(guān)，所以不同開挖地層時其基底隆起不同。考慮降水作用時，基坑內(nèi)外水壓差會加大基底隆起現(xiàn)象。

4 結(jié)語

考慮基坑降水滲流—應(yīng)力耦合作用后，基坑開挖變形比不考慮滲流—應(yīng)力耦合作用時加大；臨近橋樁受到基坑開挖和基坑降水的影響，在施工中應(yīng)注意保護(hù)。

[1] 平 揚,白世偉,徐燕萍.深基坑工程滲流—應(yīng)力耦合分析數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué),2001,22(1):37-41.

[2] 裴桂紅,吳 軍,劉建軍,等.深基坑開挖過程中滲流—應(yīng)力耦合數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(S2):4975-4978.

[3] 顏 勇.地鐵深基坑滲流應(yīng)力耦合研究[J].鐵道工程學(xué)報,2011(6):92-97.

[4] 魏 綱,郭志威,魏新江,等.軟土隧道盾構(gòu)出洞災(zāi)害的滲流應(yīng)力耦合分析[J].巖土力學(xué),2010,31(S1):383-387.

Impact of deep foundation excavation upon neighborhood bridge foundation on the basis of seepage-stress coupling

Li Hongliang1Zhou Xiaohan2

(1.ShanghaiChengtieBuildingScienceandTechnologyCo.,Ltd，Shanghai200233，China; 2.ChinaRailwayBridgeSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Wuhan430050,China)

The thesis studies the impact of deep foundation excavation of subway station with strong permeability stratum upon neighborhood bridge pile, uses finite element software, establishes the subway foundation model, and takes seepage-stress coupling action into consideration of deep foundation dewatering process. Results show that: the foundation excavation deformation will increase with considering foundation dewatering seepage-stress coupling rather than without considering seepage-stress coupling; the neighborhood bridge pile is easily influenced by foundation excavation and foundation dewatering, therefore, it is necessary to protect the neighborhood bridge pile in construction.

subway, deep foundation, seepage-stress coupling, bridge pier

1009-6825(2017)02-0091-03

2016-11-04

李紅亮(1987- )，男，助理工程師

TU463

A