公路橋梁深基坑及排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性研究

摘要：文章通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，研究了基坑開挖過程中水平位移與豎向沉降的變化規(guī)律，對不同施工工序下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的差異作了分析。結(jié)果表明：隨著基坑開挖，監(jiān)測點(diǎn)水平位移整體上持續(xù)增大，基坑開挖完畢后峰值水平位移達(dá)到了16.8mm，遠(yuǎn)小于基坑沉降監(jiān)測的預(yù)警值；最大峰值沉降出現(xiàn)在位于基坑?xùn)|南角位置處，為7.1mm，說明排樁對基坑沉降和水平位移變形起到了較為明顯的改善作用；增加襯砌厚度能明顯改善排樁樁頂水平位移，但隨著襯砌厚度的逐漸增大，其改善效果隨之降低；與樁頂水平位移規(guī)律相反，增加襯砌厚度反而會引起樁頂沉降的增加。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；深基坑；排樁支護(hù)；數(shù)值模擬

中圖分類號：U445.55+1" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.058

文章編號：1673-4874（2024）11-0200-03

0引言

隨著我國基建工程的發(fā)展和需要，深基坑工程項(xiàng)目日益增多，也衍生出許多安全隱患。為此，針對深基坑開挖過程中的變形規(guī)律、受力特征以及相應(yīng)的加固措施，許多研究人員進(jìn)行了一系列研究。

赫德亮等［1］依托濟(jì)南地鐵黃河隧道南岸工作井基坑工程，通過FLAC3D有限元軟件分析了基坑開挖過程中地下連續(xù)墻變形的模型參數(shù)效應(yīng)，對深基坑硬化土模型參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。白曉宇等［2］基于青島某基坑工程，開展了微型鋼管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)，對深基坑土-巖界面微型鋼管樁的受力特征進(jìn)行了研究。鄧娜等［3］依托成都市地鐵某車站工程，開展了現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究，分析了基坑開挖過程中砂卵石地層地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。黃建華等［4］基于HS-Small模型，對深基坑開挖-降水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對降水的主要影響因素進(jìn)行了敏感性分析。楊濤等［5］采用兩階段分析法對公路橋梁在基坑開挖-卸載作用下的受力變形規(guī)律作了分析，并結(jié)合數(shù)值模擬方法，對公路橋梁樁基受力變形響應(yīng)進(jìn)行了研究。宗晶瑤等［6］建立了明挖基坑與鄰近高鐵橋梁的二維有限元模型，分析了明挖基坑對鄰近高鐵橋梁變形影響的主要因素，并提出了相應(yīng)的改善措施。

在本篇文章中，依托某跨河橋梁深基坑項(xiàng)目，進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測和有限元數(shù)值模擬，提出了排樁深基坑支護(hù)措施，分析了橋梁深基坑開挖過程中水平位移和沉降變化規(guī)律，并對每個工序的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進(jìn)行了剖析。本文的研究成果對相似工程有一定的指導(dǎo)、借鑒意義。

1研究背景

1.1工程概況

本文依托某跨河橋梁深基坑項(xiàng)目，該項(xiàng)目橋梁全長185m，設(shè)計橋面寬度為7m，橋梁形式為索道橋，橋梁兩岸采用重力式錨碇，本文的研究對象為兩岸的錨碇基坑。橋位區(qū)最大相對高差為11.5m，橋軸線地面最大相對高差為14.6m，地質(zhì)類型屬于侵蝕-剝蝕丘陵地貌。

巖層方面，由上至下依次為第四系人工填土、粉質(zhì)黏土、卵石土、中風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖，場區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)區(qū)域性斷裂構(gòu)造。地下水方面，該河測時水位為403.5m，河面即為泄洪基準(zhǔn)面，地下水類型主要為裂隙水，其水位基本與河面水位一致，因此地表和地下水對基礎(chǔ)施工影響較強(qiáng)烈。

1.2施工方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，橋梁岸邊基坑采用排樁帷幕進(jìn)行支護(hù)，排樁施工完成后再進(jìn)行深基坑開挖施工。基坑開挖的最大深度為18m，其中包含2m表層土，計算中開挖深度為16m，內(nèi)襯為2m厚的C30鋼筋混凝土。排樁為鉆孔灌注樁，采用鋼護(hù)筒護(hù)壁，設(shè)計樁長為27m，嵌巖深度不小于1/3樁長，樁凈距≤30cm，底部持力層為中風(fēng)化基巖，根據(jù)水下混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)，排樁混凝土強(qiáng)度提升一個等級，為C35抗?jié)B混凝土，排樁施工完成后，設(shè)置橫向支撐與圈梁于樁頂。

2橋梁深基坑監(jiān)測分析

對本次橋梁深基坑工程進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，主要監(jiān)測項(xiàng)目包括排樁樁頂圈梁位移沉降和周邊環(huán)境位移。表1給出了基坑沉降和水平位移的監(jiān)測預(yù)警值。圖1給出了基坑周邊監(jiān)測點(diǎn)布置情況。

圖2展示了基坑開挖過程中各監(jiān)測點(diǎn)水平位移時程曲線。從圖2中可以看出，隨著基坑開挖，監(jiān)測點(diǎn)水平位移整體上持續(xù)增大，但存在小范圍的波動。各監(jiān)測點(diǎn)相比，位于基坑南側(cè)中部的4#監(jiān)測點(diǎn)位移明顯大于其他監(jiān)測點(diǎn)，基坑開挖完畢后峰值水平位移達(dá)到了16.8mm；其次為位于基坑北側(cè)中部的14#監(jiān)測點(diǎn)，水平位移峰值達(dá)到了11.4mm；7#、11#、19#和20#監(jiān)測點(diǎn)水平位移較小，水平位移峰值均未＞4mm。整體而言，基坑水平位移量較小，遠(yuǎn)小于基坑沉降監(jiān)測的預(yù)警值，因此水平位移變形方面，基坑符合設(shè)計要求。

圖3給出了基坑開挖過程中各監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降時程曲線。從圖3可以看出，隨著基坑開挖的進(jìn)行，各監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降持續(xù)增大，部分監(jiān)測點(diǎn)受到施工擾動的影響，出現(xiàn)了較為明顯的沉降變形波動。相比之下，最大峰值沉降出現(xiàn)在位于基坑?xùn)|南角的1#監(jiān)測點(diǎn)位置，沉降峰值達(dá)到了7.1mm；其次為位于基坑中部的4#監(jiān)測點(diǎn)和14#監(jiān)測點(diǎn)，沉降峰值分別達(dá)到了5.6mm和5.1mm；沉降變化最不明顯的為11#、19#和20#監(jiān)測點(diǎn)，隨著基坑開挖的進(jìn)行沉降變化幅度較小，未出現(xiàn)明顯的波動，表現(xiàn)較為穩(wěn)定。整體而言，基坑開挖過程中排樁樁頂?shù)某两禂?shù)值較小，遠(yuǎn)未達(dá)到沉降監(jiān)測預(yù)警值，說明排樁對基坑沉降和水平位移變形起到了較為明顯的改善作用。

3橋梁深基坑開挖數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究基坑開挖過程中各監(jiān)測點(diǎn)的變形情況并針對性地進(jìn)行加固，本文通過有限元數(shù)值軟件建立了橋梁深基坑數(shù)值仿真模型，采用分步施工對基坑開挖過程進(jìn)行了仿真模擬。

3.1數(shù)值模型的建立

根據(jù)工程實(shí)際情況，基坑開挖計算深度為16m，取3倍基坑開挖深度作為模型高度，即模型高度取50m，模型尺寸為100m×80m×50m（長×寬×高）。排樁支護(hù)方面，采用梁單元進(jìn)行模型，排樁直徑設(shè)置為1.5m，支護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)按照彈性材料考慮，土體按彈塑性介質(zhì)考慮。

邊界條件方面，根據(jù)工程實(shí)際情況和相關(guān)模擬經(jīng)驗(yàn)，模型底部設(shè)置為固定邊界，四周設(shè)為法向約束邊界，頂部設(shè)為自由邊界。

由于設(shè)置了雙排樁止水帷幕，因此在數(shù)值模擬過程中未考慮滲水的影響。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，對基坑周邊進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理，共劃分出312952個10節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格，圖4給出了該橋梁深基坑的網(wǎng)格劃分模型。

根據(jù)地勘資料，對模型土體計算參數(shù)進(jìn)行了確定，具體如表2所示。

3.2工況設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場施工工序，在有限元數(shù)值模擬中采用了分步施工模擬方法，對整個基坑開挖過程進(jìn)行了工況劃分，共劃分出10個工況，具體如下：

工況一：基坑表層填土開挖，深度1m。

工況二：排樁樁頂圈梁施工，以及第一道支撐和1m高度的內(nèi)襯施工。

工況三：1層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況四：第二道支撐和4m高度內(nèi)襯施工。

工況五：2層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況六：第三道支撐和4m高度內(nèi)襯施工。

工況七：3層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況八：第四道支撐和4m高度內(nèi)襯施工。

工況九：4層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況十：4m高度內(nèi)襯施工。

3.3結(jié)果分析與討論

圖5給出了不同工況下排樁水平位移在不同深度位置處的變化曲線。從圖5可以看出，隨著深度的增加，工況一即清理表層土工況下，排樁水平位移隨深度增加基本未發(fā)生變化，其余工況條件下，排樁水平位移呈現(xiàn)隨著深度增加而逐漸減小的變化規(guī)律，排樁水平位移與深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。各工況相比，工況一中排樁位移量較小，工況二即第一層基坑開挖工況下排樁水平位移隨深度變化曲線呈現(xiàn)緩降型，即隨著深度增加，排樁水平位移減小速率逐漸降低，而其余各工況未出現(xiàn)隨著深度增加排樁水平位移下降速率增大或減小的一般性規(guī)律。

圖6給出了各監(jiān)測點(diǎn)位置處排樁樁頂沉降隨開挖深度變化曲線。從圖6可以看出，隨著開挖深度的增加，各監(jiān)測點(diǎn)排樁樁頂沉降數(shù)值出現(xiàn)先增后減然后再增加的變化規(guī)律，整體呈“勺”狀。各工況峰值沉降出現(xiàn)在開挖深度2m位置處，且沉降峰值較為接近，排樁樁頂峰值沉降約為2.5mm。隨著開挖深度的增加，各監(jiān)測點(diǎn)附近排樁樁頂沉降差異逐漸增大，相比之下4#、14#排樁樁頂沉降較小，1#、11#、18#樁頂沉降較為顯著，但整體數(shù)值均較小，遠(yuǎn)小于預(yù)警值，不足以對工程安全造成影響。

圖7給出了各開挖深度下基坑最大隆起值的變化情況。從圖7可以看出，隨著基坑開挖的進(jìn)行，基坑出現(xiàn)了較為明顯的隆起現(xiàn)象。最大隆起值出現(xiàn)在開挖深度5m條件下，隆起數(shù)值約為41.3mm。該隆起值已達(dá)到基坑監(jiān)測預(yù)警值，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于第一層土為回填土，壓縮量較小，且基坑坑底無承壓水，坑底出現(xiàn)了較為明顯的回彈。

圖8、圖9給出了不同襯砌厚度條件下排樁樁頂水平位移和沉降的時程曲線。

從圖8可以看出，增加襯砌厚度，能明顯改善排樁樁頂水平位移。襯砌厚度為0.5m工況下，開挖結(jié)束后其水平位移達(dá)到了65.2mm；襯砌厚度為1.0m工況下，最終排樁樁頂水平位移數(shù)值為33.1mm，較前者降低了49.23%，改善效果較為顯著；襯砌厚度為1.5m工況下，最終排樁樁頂水平位移數(shù)值為21.6mm，較前者降低了34.74%；襯砌厚度為2.0m工況下，最終排樁樁頂水平位移數(shù)值為16.7mm，較前者降低了22.69%。因此，增加襯砌厚度能明顯改善排樁樁頂水平位移，但隨著襯砌厚度的逐漸增大，其改善效果隨之降低。

從圖9中可以看出，不同襯砌厚度工況下，基坑開挖中后期排樁樁頂沉降差異較為明顯，與樁頂水平位移規(guī)律相反，增加襯砌厚度反而會引起樁頂沉降的增加。這是由于襯砌結(jié)構(gòu)主要限制了基坑的水平變形，由于土體的擠壓作用，水平變形限制效果越大，基坑沉降變形越明顯。但整體而言，樁頂沉降變形數(shù)值較小，峰值沉降僅為2.5 mm，有較大的變形空間。因此，通過增加襯砌厚度改善基坑水平變形的措施是較為可行、有效的。在實(shí)際工程中，可根據(jù)工程實(shí)際條件合理設(shè)置襯砌厚度，保障深基坑開挖安全。

4結(jié)語

為研究橋梁深基坑開挖過程中基坑周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，本文開展了現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，對基坑開挖過程中水平位移與豎向沉降的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，同時剖析了不同施工工序條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的差異。得出主要結(jié)論如下：

（1）隨著基坑開挖，監(jiān)測點(diǎn)水平位移整體上持續(xù)增大。位于基坑南側(cè)中部的4#監(jiān)測點(diǎn)位移明顯大于其他監(jiān)測點(diǎn)，基坑開挖完畢后峰值水平位移達(dá)到了16.8 mm，整體而言，基坑水平位移量較小，遠(yuǎn)小于基坑沉降監(jiān)測的預(yù)警值。

（2）最大峰值沉降出現(xiàn)在位于基坑?xùn)|南角的1#監(jiān)測點(diǎn)位置，沉降峰值達(dá)到了7.1 mm，排樁對基坑沉降和水平位移變形起到了較為明顯的改善作用。

（3）排樁水平位移呈現(xiàn)隨著深度增加而逐漸減小的變化規(guī)律，排樁水平位移與深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。第一層基坑開挖工況下排樁水平位移隨深度變化曲線呈現(xiàn)緩降型，其余各工況未出現(xiàn)隨著深度增加排樁水平位移下降速率增大或減小的一般性規(guī)律。

（4）增加襯砌厚度能明顯改善排樁樁頂?shù)乃轿灰疲S著襯砌厚度的逐漸增大，其改善效果隨之降低。與樁頂水平位移規(guī)律相反，增加襯砌厚度反而會引起樁頂沉降的增加。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：陶鑫（1986—），工程師，研究方向：公路工程。

收稿日期：2024-05-18