基坑開挖引起鄰近樁板路基的變形及分區(qū)

梁浩毅，項瑞聰，狄宏規(guī)，杜 偉，李厚榮，盛燦軍

（1. 同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201814；2. 同濟大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，上海201814；3 中鐵二十四局集團有限公司，上海200433）

樁板結(jié)構(gòu)路基作為新型復(fù)合地基結(jié)構(gòu)形式，在高鐵路基領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。 隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，近鄰高鐵路基進行基坑開挖的工程案例日益頻繁[2－5]，這必然對樁板結(jié)構(gòu)的樁基安全造成影響，這一問題在我國沿海軟土地區(qū)更為突出。

基坑開挖改變周圍土體應(yīng)力環(huán)境，使周圍的既有結(jié)構(gòu)物樁基產(chǎn)生新的附加應(yīng)力，這對樁基的變形控制提出了新的要求。 丁勇春[6]通過數(shù)值模擬研究了基坑開挖近鄰高架橋樁變形特征，制定了各類型橋樁的變形控制方法。姜博[7]結(jié)合現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬，研究了基坑開挖導(dǎo)致的橋樁應(yīng)力與變形分布特征。陸志杰[8]利用數(shù)值模擬分析了基坑開挖對鄰近建筑物樁基變形的變化規(guī)律，得到了樁基參數(shù)與基坑的距離會對建筑物樁基產(chǎn)生的變形影響。 目前國內(nèi)外關(guān)于基坑開挖對鄰近樁基影響的研究主要針對于橋梁樁基和建筑物樁基，對樁板結(jié)構(gòu)的研究也僅集中在樁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方面，而基坑開挖近鄰樁板結(jié)構(gòu)中樁基變形規(guī)律的相關(guān)研究幾乎空白。

依托近接滬杭高鐵既有路基的上海機場線1 號風(fēng)井深基坑工程，對近接樁板結(jié)構(gòu)路基的樁基變形規(guī)律展開研究，制定該類型工程下基坑變形限值取值方法，為今后類似工程設(shè)計提供一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海機場線過七寶站后從南線路開始進入明挖和隧道段，該段線路與滬杭高鐵并行，最近處不到10 m。其中，機場線1 號風(fēng)井基坑外側(cè)與滬杭高鐵路基坡腳的最近距離為10.7 m，基坑與路基的位置關(guān)系見圖1。 1 號風(fēng)井結(jié)構(gòu)平面尺寸為30 m×25 m，開挖深度25.5 m。高鐵路基段地基加固采用鉆孔灌注樁+C30 混凝土板的樁板形式，樁徑0.5 m，樁間距2.4 m， 樁長33.0 m， 單樁承載力設(shè)計值為1 050 kN，按正方形布置，樁底位于⑦1 粉土層， 基本承載力150 kPa。管樁樁頂剛接于承載板， 承載板采用C30鋼筋混凝土澆筑，板厚0.5 m，板寬17.4 m，板縱向節(jié)長15 m， 板之間設(shè)0.02 m 寬的伸縮縫，縫內(nèi)填塞瀝青麻筋。 樁板結(jié)構(gòu)路基剖面圖見圖2。

根據(jù)地勘報告，本工程場地土層分布及物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)匯總見表1。

圖1 滬杭高鐵路基和1 號風(fēng)井深基坑位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the location relationship between the subgrade of Shanghai-Hangzhou high-speed railway and the No. 1 air shaft deep foundation pit

表1 施工現(xiàn)場巖土參數(shù)Tab.1 Geotechnical parameters at construction site

1.2 基坑支護方案

基坑圍護結(jié)構(gòu)采用1.5 m 厚地連墻，由水平支撐和豎向支承組成支撐體系。 水平方向設(shè)置6 道支撐，其中第1，3，4，5 道為混凝土支撐， 其余為鋼支撐（φ=800 mm， 壁厚t=16 mm）。 第1 道混凝土支撐截面尺寸800 mm×800 mm，第3，4，5 道混凝土支撐截面尺寸為1 200 mm×1 200 mm，第3，4，5 道支撐與混凝土腰梁連接。 在地連墻外側(cè)3 m 處采用鉆孔灌注樁隔離。 基坑支護方案及工程剖面圖見圖2。

圖2 滬杭高鐵路基和1 號風(fēng)井深基坑剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the subgrade of Shanghai-Hangzhou high-speed railway and the No. 1 air shaft deep foundation pit

2 基坑開挖并行樁板結(jié)構(gòu)路基的有限元模型

2.1 模型建立

利用Plaxis 3D 建立了基坑開挖并行樁板結(jié)構(gòu)路基的三維有限元數(shù)值模型。 基坑平面開挖尺寸為30 m×25 m，開挖深度25.5 m。 為消除模型邊界效應(yīng)影響， 設(shè)置模型平面尺寸為260 m×200 m，深度為127.5 m。 有限元模型見圖3。

2.2 參數(shù)選取

本工程中基坑與高鐵路基的距離小于1 倍的基坑開挖深度，周圍土體變形應(yīng)屬于小應(yīng)變范圍； 因此土體本構(gòu)采用小應(yīng)變土體硬化模型（HSS）。工程區(qū)域?qū)儆诘湫蛙浲恋貐^(qū)，針對HSS 模型主要參數(shù)的取值，根據(jù)王衛(wèi)東等[9-10]，王浩然[11]土工試驗結(jié)果和取值經(jīng)驗，研究得到上海黏性土層參數(shù)Eref50，Erefur，Erefoed與壓縮模量Es1-2間的比例關(guān)系建議取：Erefoed=0.9～1Es1-2，Eref50=1～1.2Erefoed，Erefur=4～9.3Erefoed，對第⑦層粉細(xì)砂，Erefoed=Es1-2，Eref50=Erefoed，Erefur=4Erefoed；加卸載泊松比vur建議取0.2；小應(yīng)變參數(shù)Gref0，對于黏性土，建議取Gref0=3.5～5Erefur；對于粉土和砂土，建議取Gref0=5Erefur；小應(yīng)變參數(shù)γ0.7建議取2×10-4左右。結(jié)合地勘報告，制定HSS 本構(gòu)模型參數(shù)如表2 所示。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

表2 HSS 本構(gòu)模型參數(shù)Tab.2 HSS constitutive model parameters

地連墻采用板單元模擬，地連墻與周圍土之間采用界面單元模擬墻土間的相互作用。 樁板結(jié)構(gòu)中鉆孔灌注樁采用Embedded 樁單元進行模擬，通過界面單元模擬樁土間的相互作用；承載板采用線彈性的實體單元模擬，承載板節(jié)間的伸縮縫用界面單元模擬。

為了準(zhǔn)確模擬出樁基在鄰近開挖影響下的變形特征，結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，計算確定樁在各層土體內(nèi)的極限側(cè)摩阻力和極限樁端阻力，結(jié)果如表3。

表3 樁基豎向極限承載力表Tab.3 Vertical ultimate bearing capacity of pile foundation

2.3 計算工況

在Plaxis 3D 里建立不同的施工工況來模擬動態(tài)基坑開挖過程，根據(jù)實際施工過程，設(shè)置主要工況如表4。

表4 施工工況表Tab.4 Construction condition

3 樁板結(jié)構(gòu)的樁基變形規(guī)律

基坑開挖完成后，選取距基坑中軸線最近的一排樁基（1#～6#）和距基坑最近的一列樁基 （1# 樁、7#～35#樁）為分析對象，圖4 為基坑開挖完成后各樁基的最大水平位移值。 其中水平位移最大的樁基為距離基坑和基坑中軸線最近的1# 樁， 水平位移為5.66 mm。

圖5（a）為各樁基與基坑的相對位置，對與基坑中軸線距離最近的一排樁基（1#～6#）進行分析，距離基坑凈距越大， 樁基水平位移最大值越小。 圖5（b）為該排樁基沿深度變化的水平位移值， 水平位移曲線形狀均呈弓形，最大值發(fā)生在18 m 深度處。樁頂水平位移均為2.85 mm， 這是因為樁頂與承載板剛接，水平位移協(xié)調(diào)一致。樁身水平位移在③1，④1 淤泥層處明顯大于②3 砂質(zhì)粉土層處，這是由于土層變形模量差異較大，樁基在淤泥層處變形較大。

圖4 樁基的水平位移最大值（單位：mm）Fig.4 Maximum horizontal displacement of pile foundation (Unit: mm)

圖5 開挖完成時樁基水平位移Fig.5 Horizontal displacement of pile foundation when the excavation is completed

對距基坑凈距最小的一列樁基（1# 樁、7#～35# 樁）進行分析，距離基坑中軸線越遠(yuǎn)，樁基水平位移最大值越小。圖5（c）為該列樁基中部分樁基的水平位移值。離基坑中軸線距離較近的1#樁、9#樁、21#樁及24#樁水平位移呈弓形特征，最大值發(fā)生在18 m 深度處；離基坑中軸線距離較遠(yuǎn)的14#樁、20#樁、29# 樁及35#樁的水平位移呈懸臂形特征，最大值發(fā)生在樁頂處，較深處樁身水平位移很小。

4 基坑開挖對樁板結(jié)構(gòu)樁基的影響分區(qū)

對于基坑開挖近鄰既有樁基，樁基變形受基坑開挖深度、基坑與路基凈距、支撐剛度、工程地質(zhì)等因素影響。 對于既定工程，無法改變工程地質(zhì)因素，為制定合理的樁基變形影響分區(qū)，需要探究其他人為可控因素對樁基變形的影響。

4.1 計算方案

由于樁基中心線距離路基坡腳距離為5.1 m，為便于后續(xù)過程的數(shù)據(jù)處理，同時考慮實際施工情況，在上節(jié)的有限元模型基礎(chǔ)上， 設(shè)置不同路基坡腳與基坑邊緣距離L 和地連墻厚度h 組成多種計算方案，L 設(shè)置8 種方案：6，9，12，18，24，33，42，54 m；h 設(shè)置4 種方案：0.4，0.6，1.0，1.5 m。 參數(shù)兩兩組合可形成32 組不同的組合方案以形成不同開挖條件，計算相應(yīng)的樁基變形。

4.2 不同開挖條件下樁基變形

當(dāng)開挖深度H 為9.5，17.4，25.5 m 時，不同開挖條件下樁基水平位移值如表5～表7。

表5 開挖深度為9.5 m 時不同開挖條件下的樁基水平位移最大值Tab.5 The maximum horizontal displacement of pile foundation under different excavation conditions when the excavation depth is 9.5 m mm

表6 開挖深度為17.4 m 時各開挖條件下的樁基水平位移最大值Tab.6 The maximum horizontal displacement of pile foundation under different excavation conditions when the excavation depth is 17.4 m mm

表7 開挖深度為25.5 m 時各開挖條件下的樁基水平位移最大值Tab.7 The maximum horizontal displacement of pile foundation under different excavation conditions when the excavation depth is 25.5 m mm

由表5～表7 的計算結(jié)果表明，隨著開挖深度減小，路基與基坑距離增大，地連墻厚度增大時，樁基變形均顯著減小。

4.3 影響區(qū)劃分

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[12]，可認(rèn)為高鐵樁板結(jié)構(gòu)路基屬于水平變形敏感的結(jié)構(gòu)物，選取6 mm 作為樁基水平變形允許值。 行業(yè)規(guī)范中，衡量軌道交通結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)為監(jiān)測項目實測值與結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值之比G，以0.6 為警戒值分界線，當(dāng)G＜0.6 時，可以正常進行施工；當(dāng)G≥0.6 應(yīng)采取施工安全保障措施[13]。 樁基變形監(jiān)測警戒值設(shè)置為允許值的60%，即3.6 mm。 據(jù)此，制定影響樁基水平變形分區(qū)的控制標(biāo)準(zhǔn)：允許值6 mm；警戒值3.6 mm。

對表5～表7 計算結(jié)果數(shù)據(jù)進行插值處理， 分別繪制3 種開挖深度下樁基變形允許值和警戒值等值線，如圖6。 規(guī)范規(guī)定，既有高鐵路基坡腳外3 m 范圍為施工禁區(qū)，圖6（a）等值線起點的橫坐標(biāo)為0.32，圖6（b）等值線起點的橫坐標(biāo)為0.17，圖6（c）等值線起點的橫坐標(biāo)為0.12。

圖6 3 種開挖深度下樁基變形允許值和警戒值等值線Fig.6 Contours of allowable and warning values of pile foundation deformation under three types of excavation depths

為方便工程應(yīng)用，根據(jù)參考文獻[14]，繪制兩段折線式的包絡(luò)線，得到各開挖深度下基坑開挖對鄰近樁板結(jié)構(gòu)樁基變形影響分區(qū)圖，如圖7，基坑開挖引起鄰近樁板結(jié)構(gòu)樁基變形區(qū)域分為A～C 三區(qū)。當(dāng)樁基水平變形最大值小于警戒值時為C 區(qū)（安全區(qū)），無需采取特殊保護措施；當(dāng)樁基水平變形最大值介于警戒值與允許值之間時為B 區(qū)（警戒區(qū)），須加強對樁基變形的監(jiān)測；當(dāng)樁基水平變形最大值大于允許值時為A 區(qū)（危險區(qū)），必須采取加固保護措施。

圖7 3 種開挖深度下的樁基變形影響分區(qū)Fig.7 Deformation effect of pile foundation under three types of excavation depths

5 基坑變形允許限值取值方法

圖8 3 種開挖深度下的樁基水平位移允許值控制線Fig.8 Control line for allowable value of horizontal displacement of pile foundation under three excavation depths

《基坑工程技術(shù)規(guī)范》[15]規(guī)定：根據(jù)不同環(huán)境保護對象距基坑的距離s 與基坑開挖深度H，確定基坑環(huán)境保護等級與基坑圍護側(cè)移最大限值。當(dāng)s

為得到基于樁基變形控制要求下的基坑開挖近鄰樁板結(jié)構(gòu)的圍護結(jié)構(gòu)變形允許限值，將3 種開挖深度下樁基水平位移控制線繪制在同一張圖中，見圖8 所示。 圖8 顯示，當(dāng)橫坐標(biāo)大于0.75 時，3 條水平位移控制線基本重合，可認(rèn)為此時的控制線與基坑開挖深度間相互獨立；當(dāng)橫坐標(biāo)小于0.75 時，隨著開挖深度的增大，水平位移控制線斜率隨距離變化的斜率增大，此時相應(yīng)的A 區(qū)（危險區(qū)）的范圍也隨之增大。

圖9 圍護結(jié)構(gòu)變形允許限值取值方法Fig.9 Method for determining allowable limit value of deformation of envelope

對圖8 進行插值處理，得到不同開挖深度下樁基水平位移控制線如圖9 所示。 根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，考慮不同環(huán)境保護等級的基坑，由圖9 所示， 當(dāng)開挖深度小于11 m， 此時規(guī)范中一、二級基坑的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移允許限值均小于基于樁基變形控制得到的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移允許限值，應(yīng)采用規(guī)范的限值要求。 當(dāng)開挖深度大于11 m，此時水平位移控制線與規(guī)范中一級基坑的變形控制線相交，當(dāng)基坑與路基坡腳距離小于交點對應(yīng)的距離時，應(yīng)采用基于樁基變形控制得到的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移允許限值，當(dāng)基坑與路基坡腳距離大于交點對應(yīng)的距離時，應(yīng)采用規(guī)范的限值要求。

6 結(jié)論

1） 近鄰樁板結(jié)構(gòu)路基進行基坑開挖時，距離基坑較近處樁基的水平位移曲線呈弓形，整個樁身包括樁底的水平位移均較大，樁基最大變形為5.66 mm；距離基坑較遠(yuǎn)處樁基的水平位移曲線呈懸臂形，水平位移最大值發(fā)生在樁頂處，較深處樁身水平位移很小。

2） 在鄰近既有高鐵樁板結(jié)構(gòu)路基開挖基坑時， 將基坑開挖深度為9.5，17.4，25.5 m 時樁板結(jié)構(gòu)樁基的變形影響區(qū)劃分為A 區(qū)（危險區(qū)）、B 區(qū)（警戒區(qū)）、C 區(qū)（安全區(qū)），并對各分區(qū)提出了工程保護措施。

3） 得到了各開挖深度下鄰近樁板結(jié)構(gòu)樁基水平位移控制線， 并基于此提出了基坑圍護結(jié)構(gòu)變形允許限值取值方法：當(dāng)開挖深度小于11 m，依據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，一、二級基坑的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移允許限值均小于基于樁基變形控制得到的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移允許限值，應(yīng)采用規(guī)范的限值要求。 當(dāng)開挖深度大于11 m，樁基水平位移控制線與規(guī)范關(guān)于一級基坑的變形控制線相交， 當(dāng)基坑與路基坡腳距離小于交點對應(yīng)的距離時，應(yīng)采用基于樁基變形控制得到的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移允許限值，當(dāng)基坑與路基坡腳距離大于交點對應(yīng)的距離時，應(yīng)采用規(guī)范的限值要求。