流固耦合作用下基坑開挖對鄰近橋樁的影響分析*

郭 濤，王海濤，祁可錄，劉利剛

(1.大連交通大學土木工程學院，遼寧 大連 116028；2.中鐵七局集團第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

在地下城市軌道交通、高層建筑及相關基礎設施建設中，深基坑工程的周圍環境一般較復雜。深基坑開挖必將引起周圍土層中應力場和滲流場的改變，尤其處于富水地區的滲流場變化更為顯著，坑外周圍土體在流固耦合作用下逐漸變形，對深基坑周圍的建(構)筑物產生一定的不利影響，嚴重的更會導致建(構)筑物發生破壞，最終可能處于無法使用的狀態[1-2]。當鄰近橋樁的深基坑開挖遇到地下水滲入的情況時，坑內降水與坑外截水有效降低了地下水給深基坑及鄰近橋樁帶來的風險，但土體顆粒打破了原有力學平衡狀態。根據有效應力原理可知，有效孔隙水壓力減小等于有效應力的等量增加，此外深基坑降水及其開挖引起的水平地層位移對鄰近橋樁的影響更為顯著，橋樁產生較大的撓曲與彎矩，進而影響橋樁上部結構功能[3-4]。因此，探討基坑降水及其開挖對鄰近高架橋樁的影響規律，尋求可行的變形控制方案及對策具有一定的實際意義。

目前，考慮流固耦合作用下，基坑降水及其開挖對鄰近高架橋樁的影響問題研究相對較少。文獻[5-6]研究了基坑開挖中滲流場和應力場及其導致的地面沉降和坑底隆起的規律；文獻[7-10]對考慮滲流情況的基坑三維有限元數值模型進行了相應施工工況模擬分析；文獻[11-12]總結近年來國內外有關基坑工程的滲流耦合理論研究現狀并分析了具有代表性的流固耦合模型；文獻[13-16]基于Biot固結理論對基坑降水及其開挖引起坑外地表沉降進行了數值模擬分析；文獻[17-21]分析了基坑開挖過程中對鄰近橋梁樁基的響應形狀及影響規律。

本文結合大連某地鐵車站深基坑工程，建立流固耦合三維有限元數值模型，研究了深基坑降水及開挖下排樁、坑外地表及高架橋樁的變形規律，研究結果可為基坑降水及開挖時鄰近橋樁的安全性提供參考。

1 工程概況

大連某地鐵車站深基坑工程采用明挖法施工，開挖深度為18.9m，共分4次開挖，分別開挖2.6，5.9，5.0，5.4m。支護結構采用鉆孔灌注樁結合3道內支撐系統，鉆孔樁嵌固深度為2.5m。基坑首道內支撐采用0.8m×0.8m鋼筋混凝土支撐，其余支撐采用φ609×16鋼管，基坑頂部施作混凝土擋墻來增加支護結構穩定性。車站基坑距離大連某快軌線橋樁最外皮最小凈距7.5m，且基坑開挖深度大于橋樁基深度。基坑與高架橋樁相對位置及基坑支護結構如圖1所示。

圖1 基坑與高架橋樁相對位置關系及基坑支護結構(單位：m)

根據工程地質勘察報告，該基坑場地所屬地層共4層，分別為：①素填土，厚2.2m；②粉質黏土，厚2.7m；③強風化石灰巖，厚1.7m；④中風化石灰巖，厚43.4m?；余徑梁退患?，根據群井抽水試驗測定，該場地地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙潛水，地下水位深度約為地表以下1m，含水層埋深是在基坑開挖深度以上，故地下水處理采用坑外截水和坑內降水相結合，其中坑外截水采用樁間止水加帷幕注漿方式，止水帷幕深度為23m。

2 數值分析

2.1 流固耦合理論及其模擬

基坑降水過程中地下水水量減少及土層的微小顆粒流失導致土體顆粒數量的減少，原有應力平衡由于地下水位降低而被打破，亦會導致周圍土層中地下水運動而產生滲流的附加應力，引起周圍土層中應力重分布?；贐iot固結理論的完全耦合模型將土體變形方程與滲流方程結合，并考慮地下水滲流與土體變形的動態變化及相互影響，其中三維Biot固結方程及三維滲流連續方程分別如式(1)，(2)所示。

(1)

(2)

式中：G為剪切模量；2為拉普拉斯算子；wx，wy，wz分別為x，y，z方向的位移分量；μ為泊松比；u為孔隙水壓力；εv為體積應變；pw為超孔隙水壓力；Kx，Ky，Kz分別為x，y，z方向的土體滲透系數。

將Biot固結方程以增量形式表示為：

(3)

連續性流固分析方法是通過計算分析求出相應滲流場的孔隙水壓力，并將所求數值代入應力場分析中得出耦合結果，分析中主要考慮了地下水滲流對系統應力及變形的影響，這種方式交替迭代能夠得到最終的分析結果。

2.2 三維數值計算模型

采用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進行基坑施工工況數值模擬，建立三維流固耦合計算模型。根據基坑工程影響分區，確定模型長139.9m、寬134.8m、高50m。結點共25 567個，單元共56 057個，三維有限元數值模型如圖2所示。荷載有結構相關荷載和自重，其中結構相關荷載由動力荷載簡化為靜荷載，故將快軌線及橋面荷載簡化為橋墩頂部受到的均布靜荷載，模型整體設置自動約束邊界條件。

圖2 三維有限元數值模型(單位：m)

2.3 本構模型及計算參數

在數值模擬分析中，采用1D梁單元模擬冠梁、腰梁、內支撐、高架橋樁；采用2D板單元模擬排樁和混凝土擋墻，結構為線彈性本構；采用3D單元模擬橋墩，參數如表1所示。采用3D實體單元模擬相應土層，本構為修正莫爾-庫侖模型，土層參數由工程勘察報告確定，如表2所示。

表1 基坑及高架橋材料參數

表2 土層物理力學參數

2.4 基坑開挖方案模擬

根據基坑開挖的實際施工步驟，模擬計算共劃分為17個計算工況，如表3所示。對考慮流固耦合影響的三維有限元數值模型做出相應的簡化。

表3 模擬計算工況

1)由圖3可知，基坑降水采用設置節點水頭的邊界條件，運用瞬態的階段類型，降水相應工況是通過節點水頭位置的變化達到仿真目的，降水后產生的滲流場與應力場耦合。

圖3 降水前后水位

2)對土體中的高架橋樁施加樁界面及樁端單元，模擬橋樁與土體之間的相互影響。由于樁基扭轉情況產生彎曲應力，需在高架橋樁位置設置扭轉約束。高架的部分橋墩存在于土體，使用改變屬性設置橋墩處的邊界條件。

3)排樁采用等效剛度轉換理論，將排樁等效轉換為地下連續墻，選用板單元。止水帷幕通過板單元設置強度折減系數為0.65及滲透系數為0的界面單元模擬截水防滲作用，以此達到基坑止水體系效果。建立止水帷幕時，需設置對應的剛性連接單元，用以模擬支護體系與土體的協同作用。

3 數值模擬結果分析

基坑降水及開挖后，坑內卸載的土體會引起坑外周圍土層的變化，進而對高架橋樁產生一定的變形影響，有限元數值模型最終變形云圖如圖4所示。分析不同工況下高架橋樁和土體之間的作用，深入了解基坑降水及開挖的影響規律。

圖4 模型最終變形云圖(單位：mm)

3.1 基坑排樁變形

基坑排樁側向位移如圖5所示。排樁側向位移中間大、兩邊小，呈紡錘體形。每步降水引起的變形與開挖步驟貼近，第n(2≤n≤4)步降水引起的排樁側向位移變化趨勢與第(n-1)步開挖基本一致，故排樁側向位移與開挖深度密切相關。因降水引起的應力變化會作用于排樁，導致相同的開挖深度時，降水變形產生的位移量均大于開挖階段。排樁側向位移隨著開挖深度的增加而增大，最大位移點也隨之下移，但基本形態并未改變。當基坑開挖深度達到坑底位置附近時，排樁最大側向位移為5.8mm，因場地所處地層大部分為巖質地層，故側向位移不會產生較大數值。此外，隨著基坑開挖深度增加，排樁側向位移變化速率有所減緩，主要是因為支護結構組成的剛度體系逐漸發揮作用。

圖5 不同工況下排樁側向位移

不同開挖深度下排樁豎向位移如圖6所示。在相同開挖深度時，開挖工況的排樁豎向位移始終大于降水變形工況，主要是由于降水引起地層中滲流場的變化，產生應力重分布。基坑開挖的卸載特性引起排樁豎向位移整體不斷增大，開挖至13.5m時達到了最大值，為1.9mm，故基坑開挖對排樁豎向位移影響較小。

圖6 不同開挖深度下排樁豎向位移

3.2 坑外地表沉降

基坑降水及開挖結束后，坑外地表最終沉降云圖如圖7所示，坑外地表沉降最大值約為10.22mm。通過設置線段AB(坑外地表沉降最大位置與支護樁垂直延伸到模型邊界的線段)，可得不同施工工況下坑外地表沉降變化趨勢(見圖8)，通過研究坑外地表沉降在各工況下的沉降變化情況，得出如下結論。

圖7 開挖結束后地表沉降云圖(單位：mm)

圖8 不同施工工況的坑外地表沉降

1)由圖7可知，高架橋墩對坑外土體的位移場有明顯的影響作用，距離橋墩較遠的土體沉降值相對于橋墩附近的土體沉降值較小。雖然高架橋墩樁基具有一定剛度及樁土間包括黏結、摩擦等相互作用，能夠減少附近土體沉降，但橋墩受到一定的均布荷載(700kN/m2)，嚴重影響了橋墩附近土體沉降值。

2)由圖8可知，絕大部分距排樁較近的坑外土體產生了各工況下的最大沉降值，隨著距排樁距離的逐漸增大，坑外土體沉降變化不再明顯。坑外地表沉降的變化趨勢在不同施工工況下大體一致，坑外地表沉降分布基本呈中間大、兩頭小的V形。

3)每步降水變形工況與相應開挖工況的坑外沉降數值幾乎一致，說明分步降水能有效解決土體產生較大沉降的問題。降水過程中，隨著孔隙水壓力的不斷減小，坑外土體有效應力相應增加，同時降水后的水頭差產生的滲流應力均會導致土體加密，使地表沉降增大，故分步降水對于鄰近橋樁的基坑開挖更具有可靠性。

3.3 鄰近橋樁豎向位移

基坑開挖結束后，高架橋下部結構沉降云圖如圖9所示。通過提取各橋墩墩頂中心點沉降變形結果，間接反映高架橋樁沉降情況，得出從第1次降水變形直至第4次開挖的8個工況下的沉降曲線如圖10所示。

圖9 開挖結束后高架橋下部結構的沉降云圖(單位：mm)

圖10 不同施工工況下各橋墩墩頂中心點沉降曲線

由圖9可知，開挖結束后，距離基坑最近的為4號橋墩，豎向沉降達到最大值，約7.14mm；距離基坑較近的3，5號橋墩及距離基坑較遠的2，6號橋墩豎向沉降值變化規律大致相同；1號橋墩距離基坑最遠，達到最小沉降值，約4.18mm。橋樁沉降與基坑距離呈現負相關關系。

由圖10可知，隨著施工步驟的不斷進行，各橋墩沉降變化趨勢大體一致，4號橋墩在各施工工況下的沉降值均大于其他橋墩。每步降水與前一步開挖引起的沉降變化量呈減小趨勢，第4步開挖與第4步降水所產生的沉降值幾乎一致，這是由于支護及止水結構體系逐漸發揮作用，有效減小了坑周土體變形量。

3.4 鄰近橋樁水平位移

基坑降水及開挖使土體內部的力學平衡狀態發生了改變，根據有效應力原理可知，有效孔隙水壓力減小等于有效應力的等量增加，故高架樁基受到一定影響的應力場發生水平方向位移?；娱_挖完成后，高架橋樁水平位移云圖如圖11所示，這是x，y方向疊加后的水平位移。由模擬結果可得如下結論。

圖11 開挖結束后高架橋樁水平位移云圖(單位：mm)

1)開挖結束后，3號橋墩樁基產生了最大位移，約2.66mm，因場地大部分為巖石地層，故水平位移并不會有較大數值的改變?；咏邓_挖完成后，隨著距離基坑的距離逐漸增加，橋樁水平位移呈下降趨勢。

2)1，2，6，7號橋墩樁體水平位移在橋樁頂部產生最大值，隨著樁體深度的逐漸增加，水平位移具有上端大、下端小的變形趨勢；3，4，5號橋墩樁體的水平位移峰值出現在橋樁后末端，橋樁水平位移隨著樁體深度的增加，基本呈先增后減的變化趨勢。由于距離基坑較遠，受到基坑降水及開挖的影響較小，故1，2，6，7號橋墩樁體水平位移小于3，4，5號橋墩樁體。

3)基坑工程采用分步降水的方案，隨著基坑開挖深度的逐漸增加，坑周受擾動的土體范圍逐漸擴大及分步降水引起的滲流場不斷變化，使在流固耦合作用下的橋樁變形受力趨勢逐步增大。故隨著開挖深度的不斷增加，橋樁水平位移逐漸增大。

4 結語

1)隨著基坑開挖深度不斷增加，排樁側向位移變化速率有所減緩，最大側向位移位置隨之下移且基本形態并未改變。基坑開挖的卸載特性引起排樁豎向位移整體不斷增大，基坑開挖對排樁豎向位移影響較小。

2)不同施工工況下，坑外地表沉降發展趨勢大體一致，基本呈V形分布；在基坑降水開挖過程中，分步降水對于鄰近橋樁的基坑開挖更具有可靠性。

3)橋樁沉降與基坑距離呈負相關關系，每步降水與前一步開挖引起的沉降變化量呈減小趨勢。

4)隨著基坑降水及開挖的完成，隨著距離基坑距離的逐漸增加，橋樁水平位移呈下降趨勢，且橋樁水平位移與開挖深度呈正相關關系；距離基坑較遠的1，2，6，7號橋墩樁體水平位移隨著樁深的增加，呈上端大、下端小的變形趨勢；3，4，5號橋墩樁體水平位移隨著樁深的增加，基本呈現先增大后減小的變化趨勢。