基坑圍護結構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，進而發生變形。尤其在臨近道路旁進行基坑開挖會對臨近道路產生不良影響。近年來，國內學者對此進行了一些研究：高偉、張尚根等[1-2]以某地區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構沉降的影響；曹孝華、柳林齊等[3-4]基于滲流理論和有效應力原理，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，并提出了相關的優化建議；陸健、楊東發等[7-8]以某地區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，并根據工程實際提出了相應的措施。本文主要以某地區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構的變形以及基坑開挖對臨近路面沉降的影響，研究結果可為類似工程設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，設計開挖基坑長和寬分別為65 m和50 m，基坑西側和南側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。基坑最大設計深度為10.8 m，場地范圍內從上至下主要有填土、粉質黏土a、粉質黏土b、粉質黏土c和砂礫層。本工程為明挖施工，基坑采用旋挖樁和內支撐的支護結構。基坑邊緣距混凝土路面水平距離為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，樁頂設置冠梁，坑內共兩道支撐來支撐混凝土，尺寸為450 mm×450 mm。圖1所示為基坑圍護結構示意圖及監測點布置圖。

(a)立面

(b)平面

2 數值建模

如圖2所示，采用大型有限元軟件ABAQUS進行建模分析。基坑長和寬分別為65 m和50 m，基坑西側和南側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。基坑最大設計深度為10.8 m，場地范圍內從上至下主要有填土、粉質黏土a、粉質黏土b、粉質黏土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-庫倫作為本構模型。表1為土體的物理力學參數，表2為道路面層和基層及地下連續墻的力學參數，表3為支撐、連續墻和立柱的物理力學參數。

(a)整體模型

(b)基坑支護

表1 土體的物理力學參數表

表2 道路面層和基層的物理力學參數表

表3 支撐、連續墻和立柱的物理力學參數表

3 數值結果分析

3.1 基坑底部隆起影響分析

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

圖3 基坑底部現場實測和數值模擬值對比柱狀圖

3.2 基坑開挖過程中圍護結構變形影響分析

圖4所示為初次開挖圍護樁結構現場實測值和數值模擬值水平位移對比圖。由圖4可知，現場監測和數值模擬得到的水平位移曲線規律相同，均是樁頂水平位移最大，往下逐漸減小。其中現場監測和數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構現場實測和數值模擬值水平位移對比圖。由圖5可知，現場監測和數值模擬得到的水平位移曲線規律相同，均是先增大后逐漸減小，在-3m深度處水平位移最大。其中，現場監測和數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構現場實測和數值模擬值水平位移對比圖。由圖6可知，現場監測和數值模擬得到的水平位移曲線規律相同，均是先增大后逐漸減小，在-6m深度處水平位移最大。其中，現場監測和數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，數值模擬值比現場監測值略大，但相差不超過20%，認為是合理的。同時，數值模擬也可以較好地反映整個圍護結構在施工中的水平位移變化規律。

圖4 初次開挖圍護結構現場實測值和數值模擬值對比曲線圖

圖5 第二次開挖圍護結構現場實測值和

圖6 第三次開挖圍護結構現場實測值和數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場實測值和數值模擬值對比圖。由圖7可知，監測點1、2、3、4、5、6對應的數值模擬值分別為1.26mm、0.72mm、1.33mm、0.78mm、0.51mm、0.83mm，而相應的現場監測值分別為2.43mm、1.35mm、2.30mm、1.71mm、1.11mm、1.92mm。監測點1～6的現場實測值和數值模擬值差別在42%～56%范圍內。

圖7 混凝土路面沉降現場實測值和數值模擬值對比曲線圖

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

由上述可知，基坑開挖對瀝青路面的影響較大，且現場監測和數值模擬得到的混凝土路面和瀝青路面沉降值結果偏差較大，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。同時基坑開挖也是一個極為復雜的非線性變化過程，模擬過程中很難精確考慮。但是，從這些變化規律可知，本文模擬得到的規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 瀝青路面沉降現場實測值和數值模擬值對比曲線圖

4 結語

本文主要以某地區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構的變形以及基坑開挖對臨近路面沉降的影響，得到以下結論：

(1)基坑底部隆起的現場實測值和數值模擬值誤差在8%～15%范圍內，由于工程建設過程的復雜性，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生在0、-3m和-6m左右深度處，數值模擬得到的最大水平位移值比現場監測值略大，但相差不超過20%，認為是合理的。同時數值模擬也可以較好地反映整個圍護結構在施工中的水平位移變化規律。

(3)相比于混凝土路面，基坑開挖對瀝青路面的影響更大。現場監測和數值模擬得到的混凝土路面和瀝青路面沉降值結果偏差較大，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。但本文模擬得到規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。