基坑開挖對地鐵高架橋樁影響的模型試驗研究

戚椏童 湯智鈞 楊小平 劉庭金,2

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

0 引言

近年來，廣州地區地鐵建設蓬勃發展，而地鐵高架橋軌道對橫向位移和平順性要求極為嚴格，《城市軌道交通結構安全保護技術規范》要求軌道橫向高差預警值應小于2mm，軌向不平順預警值應小于2mm。由于地鐵高架橋梁高度較高，樁基位移傳至梁體時放大效應明顯，故橋梁樁基的變形不僅劣化橋梁承載能力且極易危害橋梁上部結構安全。

由于地鐵對地方經濟建設的巨大推動作用，往往在其運營初期，地鐵線路周邊便涌現出一批工程項目，而大量新建項目的基坑工程不可避免地處于地鐵高架橋保護范圍以內。基坑開挖引起周邊土體發生應力釋放效應，進一步導致臨近的樁基產生附加應力而發生變形。特別是在廣州地區，由于軟土層深厚且多為淤泥和粉質黏土，土體的壓縮模量和地基承載力較低，在此類上軟下硬地層中進行基坑開挖更容易對地鐵高架橋樁造成不利影響[1]，因此緊鄰地鐵高架橋的基坑開挖對于橋梁樁基的影響亟待深入研究。

基坑開挖條件下樁基的側向變形和內力發展是施工監測和控制的重點；目前針對基坑開挖對橋墩影響的研究較多，而對橋梁樁基影響的研究較少；現有基坑開挖模型試驗大多研究對象為建筑樁基，暫無針對地鐵高架橋梁樁基的模型試驗；現有模型試驗大多是針對單一土層中的基坑開挖，而針對上軟下硬地層中基坑開挖的模型試驗較少。因此有必要針對上軟下硬地層中基坑開挖導致地鐵高架橋樁受到不利影響開展室內模型試驗，研究不同因素下基坑開挖對地鐵高架橋樁的影響。

本文針對基坑與地鐵高架橋樁的不同平面距離開展模型試驗，分別從不同平面距離、不同開挖深度、前樁和后樁對比三個方面出發，對地鐵高架橋樁的力學性能變化規律進行總結分析。

1 模型試驗設計

1.1 模型土層設計

根據試驗場地大小和監測方案可行性等因素，經綜合考慮，本次試驗相似比設置為1∶20。黃大維[2]等研究指出，在彈性范圍內模型土的粘聚力與內摩擦角對試驗結果影響較小，因此，在本次試驗設計方案中，不考慮模型土的內摩擦角與粘聚力的相似比條件。實際工程中橋樁結構所處地層上部存在深厚軟土，而下部為中風化泥質粉砂巖，參考實際工程地質情況將軟土層、巖層厚度分別設計為0.92m、0.80m。其中軟土采用“河砂+橡膠粒”模擬，通過調節河砂與橡膠粒的配比從而得到模型軟土彈性模量為1.24MPa；巖層材料采用“重晶石粉+石英砂+石蠟”模擬，并通過大量實驗對比發現，當三者的比例為0.9∶1.5∶0.08時，材料與實際巖層相似度較好，得到巖層材料彈性模量為96MPa。

1.2 模型橋梁結構及圍護結構設計

本次試驗選取廣州某地鐵高架橋所采用的單墩四樁承臺基礎作為研究對象，地鐵高架橋上部結構為簡支鋼筋混凝土梁，混凝土等級為C30。橋梁原型結構的橋樁樁長為26m，樁徑1.2m，根據相似比可得模型橋樁樁長為1.3m，樁徑60mm。模型橋梁結構示意如圖1所示，其中靠近開挖側的樁為前樁，遠離開挖側的為后樁。

圖1 模型橋梁結構示意圖

橋樁模型采用“水-石膏-硅藻土”材料模擬，彈性模量為1.55GPa。鋼筋采用鍍鋅鋼絲模擬，抗拉屈服強度為165MPa。基坑圍護結構采用地連墻，考慮相似比后選用15mm厚的PVC板模擬地連墻，平面尺寸為長×寬=1.2m×0.9m。

1.3 監測方案

為探究基坑開挖對橋梁下部結構的影響，試驗中采用多種測試手段，主要測試項目包括橋樁應變、承臺位移、承臺沉降及橋墩位移。試驗采用的位移計可以直接顯示橋梁結構的位移，且通過對應變片數據的處理分析，可得出橋樁的彎矩以及樁身位移大小。本次試驗在前樁和后樁中各取了一根進行監測，分別在兩根樁的兩側每隔100mm布設一個應變片，每側布設13個點，當基坑開挖至底層并持載1h后停止監測。

1.4 試驗方案設計

本次試驗為了能較好地模擬橋梁結構在上軟下硬地層中的受力和變形特征，參考實際工程將橋樁嵌巖深度設定為0.5m，基坑采用懸臂開挖的形式，地連墻插入基坑最終開挖面以下0.43m，基坑寬度為0.76m。此外本試驗通過砝碼堆載的方式模擬上部荷載，考慮相似比后計算得出堆載重量為35kg。

本次試驗將橋樁距基坑平面距離分別設為0.15m、0.25m、0.35m，總共開展三組試驗。每組試驗內，基坑開挖深度為1.32m，分四層開挖，每層深度均為0.33m，每層開挖完成后持載1h。

2 模型試驗結果分析

樁身彎矩根據樁身應變計算得出，樁身位移曲線則通過彎矩曲線的二次積分得到。樁身彎矩與位移曲線見圖2～圖5所示，其中橫坐標為樁身彎矩或樁身位移，縱坐標為樁深，即樁身某處距樁頂的豎向距離，試驗中巖土分界面位于樁深0.8m處。

圖2 不同平面距離下樁身彎矩圖

2.1 橋樁距基坑不同平面距離的影響分析

基坑開挖導致坑周不同距離處土體的側向變形不同，因此對不同平面距離下的樁基影響也不同。基于相同的開挖深度（H=1.32m），對不同平面距離下（D=0.15m、0.25m、0.35m）地鐵高架橋樁的受力和變形進行分析。不同平面距離下樁身彎矩和水平位移如圖2、圖3所示。

圖3 不同平面距離下樁身水平位移圖

從圖2、圖3可知：

（1）雙樁（前排樁及后排樁的統稱，下同）的樁身彎矩隨著平面距離的減小而增大，且反彎點有逐漸下移的趨勢。當平面距離從0.35m減小為0.25m時，前樁的最大彎矩增加了40.2%，而當平面距離減小為0.15m時，前樁的最大彎矩增加了154.6%。這是由于距離開挖側越近土體位移越大，相應的側向土壓力越大，使得樁身彎矩產生較大增幅。

（2）隨著離開挖面距離的增加，樁身水平位移逐漸減小。在平面距離為0.15m、0.25m、0.35m的工況下，從樁頂到樁身0.8m處（即巖面處）前樁樁身水平位移依次減小了93.6%、90.8%、92.8%，由此可得樁身位移在上部軟土區變化較大。

2.2 基坑不同開挖深度的影響分析

為了探討基坑開挖深度對橋樁的變形和內力的影響，基于相同的平面距離（D=0.15m），對不同基坑開挖深度時（H=0.33m、0.66m、0.99m、1.32m）樁身的受力和變形進行研究。不同開挖深度下樁身彎矩和水平位移如圖4、圖5所示。

圖4 不同開挖深度下樁身彎矩圖

圖5 不同開挖深度下樁身水平位移圖

從圖4、圖5可知：

（1）隨著開挖深度不斷增大，樁身最大彎矩也在逐漸增大，并且前樁的反彎點有逐漸下移的趨勢。即隨著基坑的開挖，前樁靠近基坑的一側受拉范圍逐漸擴大。

（2）基坑前兩層開挖時橋樁樁身彎矩增幅較大，后兩層開挖時樁身彎矩的增長趨勢明顯放緩。且在樁身1.0m以下的范圍內，雙樁的彎矩和位移均較小。分析認為，這是由于下部巖層自身剛度較大，限制了樁身內力和變形的進一步發展，而上部軟土易受到擾動而產生較大位移，對樁基產生不利影響。

（3）基坑前兩層開挖時橋樁的位移增幅較大，分析認為開挖導致的軟土側向位移較大，且作用在樁頂的荷載隨著樁頂位移的增大逐漸變成偏心荷載，對橋樁受力和變形造成更加不利的影響。而開挖至巖層后土體位移較小，橋樁的樁身位移增幅也逐漸減小。

2.3 前樁和后樁對比分析

鑒于地鐵高架橋屬于單墩四樁的特殊橋梁結構，其結構內的前樁和后樁受基坑開挖的影響也是不同的。結合圖2～圖5，對前樁和后樁的受力和變形模式進行對比分析，得到以下結論：

（1）雙樁的樁頂位移基本一致，這是因為在承臺的約束下，雙樁的樁頂發生協同變形。整體位移分布模式上，前樁和后樁存在一定差別。

（2）由于前排樁的遮擋效應，后排樁位移較小，且后排樁在巖層內出現了反方向位移，這是因為樁自身剛度較大，樁身上部在受到土體擠壓后，整體繞巖面處產生了一定的剛體轉動。

（3）在單側開挖卸荷條件下，雙樁均呈現靠近樁頂部分開挖側受拉，巖面附近非開挖側受拉的特點。

（4）前樁樁身最大彎矩出現在軟土和巖層的分界面處，距樁頂0.8m處；后樁的最大彎矩出現在樁身中部，距樁頂0.6m處。且不同工況下前樁的最大彎矩均大于后樁，分析認為下部巖層對前樁起到了較強的約束作用，導致彎矩在此處出現峰值。

3 結束語

本文采用模型試驗，研究在上軟下硬地層中，基坑開挖對地鐵高架橋樁彎矩和位移的影響，得出如下結論：

（1）隨著橋樁距基坑平面距離的減小，橋樁自身的樁身彎矩和位移將會增大。平面距離越小，樁身彎矩的增幅越大，且在上軟下硬地層進行基坑開挖時，樁身位移在上部軟土區變化較大。

（2）隨著開挖深度的不斷增大，橋樁的受拉范圍逐漸增大，內力和變形也進一步發展。在軟土區進行開挖時，橋樁的彎矩和位移變化量明顯大于在巖層中開挖。

（3）前樁和后樁由于受承臺的約束作用，樁頂位移基本一致，但二者樁身位移分布模式不同，其中前樁呈撓曲式分布，后樁呈懸臂式分布。由于下部巖層的強約束作用，導致受影響較大的前樁彎矩最大值出現在巖土分界面。