基坑開挖對臨近既有公路路基影響研究

鄧 翔，杜斌斌

(1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410075；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

基坑開挖對臨近既有公路路基影響研究

鄧 翔1，杜斌斌2

(1.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410075；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

隨著城市化進程快速發展，臨近既有建筑物從事高層建筑基坑工程實踐活動時有發生。如何保證新建基坑工程施工安全及既有建筑物安全服役，已經成為工程界面臨的主要課題之一。基于此，依托某市臨近既有高速公路高層建筑基坑工程為例，采用數值模擬的方法，首先對路基影響基坑開挖施工安全進行分析；然后對基坑項目對路基動力特性影響進行分析。結果表明：采用地下連續墻支護結構不僅能保證基坑工程的施工安全，同時對臨近既有公路的擾動較小，能夠滿足基坑施工過程中公路交通安全運行要求。

高層建筑；既有公路；穩定性；數值模型；實測數據

1 基坑開挖過程安全穩定性分析

1.1 工程概況

某市鑫源小區13#樓為高層住宅，主體高度88.650 m。該建筑基坑開挖長×寬×深=8 m×60 m×9.1 m。該住宅樓臨近某高速公路，為雙線四車道，路基面寬為20 m，路堤填土高度為11.4 m。路基內側坡腳距離基坑壁最近距離約為49.78 m。

高層住宅地基土層從上至下依次為：(1)雜填土：層厚0.60～1.20 m。土質松散、力學性質不穩定。(2)粉質黏土：層厚17.40～20.80 m。以黏性土為主，地基承載力186 kPa。(3)黏土：層厚>20 m，黃褐色，硬塑，干強度高，韌性較好，切面光滑。承載力210 kPa。地下水位主要受季節、氣候的影響，穩定時地下水位埋深3.5～4.0 m左右，水位年變化幅度在1.0～3.0 m左右。結合現場原位和室內土工試驗，匯總研究區土層基本物理力學性質如表1所示。

表1 土層要基本物理力學參數

結合表1土層基本物理力學特性，同時考慮盡可能降低基坑施工對路基影響，靠近基路基一側基坑采用地下連續墻支護結構。因距離路基較近一側基坑寬8 m，地下連續墻寬度取12 m，深度取12.5 m，寬度為750 mm。

1.2 基坑自身開挖穩定性分析

借助有限元分析軟件ABAQUS，建立地基二維數值模型，對基坑開挖地下連續墻支護結構的穩定性進行分析，路基豎向荷載采用地面均布荷載模擬。考慮基坑開挖對策性，地基僅取一半進行模擬。因此，數值模型尺寸取150 m寬，深度取50 m。數值模型尺寸如圖1所示。

圖1 數值模型尺寸

模型采用STRUCTURE(結構化)劃分技術劃分；模型采用C4PER(4節點平面應變縮減積分單元)單元模擬；模型兩側限制法向約束，底邊采用固定約束；土體本構模型選為摩爾—庫倫，其它選等效線彈性模型。數值模型建立在以下基礎之上：(1)假設模型材料各向同性均值；(2)僅考慮重力場作用；(3)地下水模擬較為復雜，采用水土合算處理。

建立后的數值模型如圖2所示，計算所需參數如表1所示。

1.3 計算結果及分析

結合數值模型，對基坑開挖地下連續墻支護結構的穩定性進行分析。主要計算步驟如下：(1)初始地應力平衡。由于基坑開挖時路基、地基和地下連續墻已經客觀存在，計算前各部分已經達到應力平衡。因此，基坑開挖前首先對模型應力進行平衡。考慮計算工況的復雜性，采用應力導入法對初始應力進行平衡。(2)開挖土層。采用生死單元法進行土體開挖模擬。為接近模擬實際工況，同時便于研究分層開挖支護結構變形特性，每個模型開挖土層厚度取1 m。為便于對比分析路基荷載對基坑支護結構的影響，計算過程中首先計算不考慮路基荷載工況，然后計算考慮路基荷載作用工況。圖2為基坑開挖過程中，地下連續墻頂部側向位移和豎向沉降變化柱狀圖。

圖2 基坑開挖過程中支護結構變形柱狀圖

基坑開挖打破原有應力平衡，支護結構發生變形，內部應力發生變化。由圖2可知：隨著基坑開挖深度增加，無論是豎向沉降還是水平側向位移，均呈增長趨勢；基坑開挖結束時，地下連續墻頂部累積沉降值約為13.2 mm，側向位移約為7.1 mm；路基荷載對基坑支護結構有一定影響，考慮路基荷載作用時，地下連續墻頂部累積沉降和側向位移依次為14.5 mm和7.8 mm；相比不考慮路基荷載工況，沉降增加了1.3 mm，側向位移增加了0.7 mm，相應增加了9.85%和9.86%。

綜上可知：路基荷載對基坑支護結構穩定性影響較小，側面驗證了基坑采用地下連續墻支護結構的效果較好。然而，基坑開挖對路基的影響是否也小到可以忽略不計，還需要進一步分析。

2 基坑開挖對高速公路路基影響分析

路基運行過程中，主要考慮基坑開挖應力釋放與交通荷載的疊加后作用，如果疊加效應對路基變形影響較小，則證明基坑工程對路基影響不影響正常行車安全。基于此考慮，在上述模型基礎上，將開挖后基坑作為已知條件，對路基交通荷載作用下路基的動力特性進行分析。

采用反映周期特點和行車速度影響以及幾何不平順的類似激振形式的力來近似的表達汽車交通荷載：

F(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

P=M0αω2；ω=2πυ/L

(2)式中：P0為車輪靜載；M0為簧下質量；P為振動荷載幅值；ω為振動圓頻率；α為幾何不平順矢高；v為車速；L為幾何曲線波長。計算中將車輪荷載簡化為圓形均布荷載，汽車荷載按照最不利情況布置。

計算結果如圖3所示。

圖3 動應力沿深度變化曲線

由圖3可知：交通荷載附加動應力沿路基深度逐漸衰減，到3 m處已經衰減約80%左右；不考慮基坑和考慮基坑因素，路面最大動應力分別為30 kPa和32 kPa，基坑開挖影響下路基動應力增加約2 kPa，說明基坑應力釋放條件下路基的動力響應呈加劇趨勢，但加劇的程度相對較低，基本可忽略不計。由此可見，基坑工程不會影響到公路行車安全。

3 結 論

(1)隨著基坑開挖深度增加，無論是豎向沉降還是水平側向位移，均呈增長趨勢；基坑開挖結束時，地下連續墻頂部累積沉降值約為13.2 mm，側向位移約為7.1 mm；考慮路基荷載作用時，地下連續墻頂部累積沉降和側向位移依次為14.5 mm和7.8 mm，相應增加了9.85%和9.86%，說明路基荷載對基坑工程影響較小。

(2)動應力沿路基深度逐漸衰減，到3 m處已經衰減約80%左右；不考慮基坑和考慮基坑因素時，最大動應力為30 kPa和32 kPa，差值僅為2 kPa，說明基坑工程對公路行車安全影響較小。

臨近既有公路開展基坑工程實踐，如何同時滿足基坑支護結構安全及公路交通正常安全運行，一直是工程界的難題之一。文中隨結合數值模擬進行了探討，仍存在諸多不足之處，后續還需進一步深入研究。

[1] 宋廣，宋二祥．基坑開挖數值模擬中土體本構模型的選取[J].工程學報，2014，31(5)：86-94.

[2] 唐業清，李啟明，雀江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[3] 張強勇.巖土工程強度與穩定計算及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

2017-03-03

鄧翔(1982-)，男，湖南長沙人，碩士，工程師，主要從土木工程施工及管理方面的工作。

TU457

：C

：1008-3383(2017)07-0020-02