基坑降水開挖對鄰近橋梁樁基的影響研究

中圖分類號：U445. 55⁺3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.025

文章編號：1673-4874（2025）03-0086-04

0 引言

近年來，隨著基建之路的不斷發展，地面空間逐漸被壓縮，深基坑工程的設計和建造越來越多，但同時也帶來了諸多的安全問題，可能會對鄰近既有建筑物造成不良影響，已有學者開展了相關研究。金艷平等1結合正態分布密度函數和隨機介質理論，分析了廣東某商業辦公樓深基坑開挖對周邊建筑物沉降的影響，實測與理論計算結果符合性較高，建議在開挖過程中重視降水因素對沉降的影響。朱大鵬等以廣州某深基坑降水開挖為例，從理論角度分析了深基坑開挖及降水對鄰近建筑變形的影響機理，認為分次降水可有效減小建筑物沉降，且成本較低，具有現實意義。吳昊等以某福州下穿高架橋涵洞深基坑工程為背景，用有限元軟件模擬降水條件下的開挖過程，結果顯示地表沉降呈“勺形”分布，樁水平位移規律明顯，分次降水可減少沉降和樁位移。張治國等4利用分層假定Green-Ampt模型模擬了降雨對基坑開挖與鄰近基樁相互作用的影響，采用Mindlin基本解和Pasternak雙參數地基模型，研究了基坑開挖施工導致的土體附加應力和基樁的水平變形響應。黃燕等5基于實際工程，綜合考慮基坑降水開挖對土體沉降的影響機理，通過迭代法計算樁基沉降，揭示了降水誘發樁基沉降的機理。某實際工程設計以箱涵的形式斜穿既有高架橋，為研究基坑降水施工的安全性和對鄰近橋梁樁基的影響，本文利用Midas-GTSNX有限元軟件進行建模分析。

1有限元模型的建立與驗證

1.1三維模型的建立

本文依托工程屬于一級設計安全等級，為連通高架橋兩側道路，設計以箱涵的形式斜穿既有高架橋，同時兩側采用重力式水泥土擋墻進行支護。箱涵斜穿高架橋工程段對總計12處高架橋橋墩產生影響（下側樁號為1至6號，上側樁號為7至12號）。橋墩直徑為 1.5m ，下部樁基長為30m。基坑開挖起點與終點如圖1所示，由于基坑開挖過程中對土層的擾動，會導致土層產生水平位移，極易引發橋墩樁基變形。而基坑開挖結束后，坑底土體的隆起也會對樁基造成一定的影響。基于此，本文選用Midas-GTSNX有限元軟件進行研究。

考慮到基坑降水開挖的影響范圍，設置模型總長度為200m，寬度為57.1m，高度取45m，為1.5倍樁基長度。土體從上至下分別為厚6.92m的粉質黏土、厚1.70m的粉土夾粉砂、厚36.38m的卵石土，選用修正摩爾-庫侖本構模型（HS模型）。土體材料參數如表1所示。

橋墩、橋面、樁基和連系梁選用彈性模型。樁基采用 1D梁單元、樁界面單元和樁端單元模擬，連系梁采用1D 梁單元模擬。其他均采用3D實體單元模擬。為簡化模 型，重力式水泥墻設置為有效厚度為3.75m，深度為 9.5m的等效墻體。地下水采用穩態滲流計算。

1.2模型驗證

為驗證本文建立的三維數值模型的合理性，分別采用經驗公式計算法、北京理正軟件分析法和Midas-GTSNX數值模擬法對重力式水泥土擋墻在基坑降水開挖條件下的水平位移進行計算和分析。經驗公式法采用簡化計算理論，忽略墻一土相互作用，適用于初步估算，具體過程參考文獻；北京理正軟件是基于“m\"法理論，考慮了支護結構與周圍土體的彈性相互作用，能在一定程度上反映墻體的變形特征，但其假設條件仍較為簡化，未全面考慮實際三維效應；Midas-GTSNX數值模擬建立了完整三維模型，考慮了墻一土相互作用、結構布置、地下水及降水等復雜工況，采用HS模型模擬土體力學行為，具有更高的精度和實用性。將這三種方法計算所得擋墻水平位移沿深度變化結果繪于圖2中。由圖2可知，三者的變化趨勢基本一致，均表現為自上而下水平位移逐漸減小。其中，墻頂位移分別為15.25mm（經驗公式計算法）、16.94mm（北京理正軟件分析法）、17.35mm（Mi-das-GTSNX數值模擬法）。墻底位移方面，經驗公式計算法預測為0，北京理正軟件分析法略有變形，而Midas-GTSNX數值模擬法計算結果為3.70mm，考慮更全面。由此表明，Midas-GTSNX數值模擬法的模擬結果更接近工程實際情況，能準確反映墻體變形趨勢和邊界響應，驗證了本模型參數設置和計算方法的有效性。因此，后續分析將基于Midas-GTSNX模擬結果展開。

根據實際施工情況，設置數值模擬具體計算流程如圖3所示。

2基坑降水開挖的變形

2.1水泥土擋墻的變形

重力式水泥土擋墻的變形可以反映基坑本身的變形特性。分析各施工步情況下擋墻的水平位移可知，其水平位移最大值不在中部， 1～6 號樁側擋墻最大水平位移值出現在距離放坡開挖終點1/4處， .7～12 號樁側擋墻最大水平位移值出現在距離放坡開挖起點1/4處，造成該現象主要是因為基坑段采用放坡的形式進行開挖，兩側端部約束力相對較弱，土壓力更大。此外，基坑斜穿高架橋，而樁基的存在也一定程度上限值了其中部土體的移動。

繪制 1～6 號樁側距離放坡開挖終點1/4位置處在不同施工步下，其水平位移值隨擋墻埋置深度的變化曲線（如圖4所示）。由于擋墻剛度相對較大，其水平位移隨深度表現為線性變化。第一次降水變形時，擋墻頂部水平位移值略大于第一次開挖結果。這主要是因為降水過程中，基坑土體水分被抽走，導致土體沉降和周圍土體向基坑移動，增加了支護結構的水平位移。而放坡開挖的形式則減少了第一次開挖后，土體對擋墻的壓力隨著基坑降水開挖的深度不斷增加，擋墻的水平位移也逐漸增大，而頂部增長較為迅速，底部增長較為緩慢，擋墻呈現向基坑傾斜的趨勢。

2.2 基坑坑底的變形

基坑開挖產生的卸荷作用和土體應力重分布會導致基坑底部出現隆起變形，嚴重時可能導致管涌、流砂等現象的出現，進一步引發基坑坍塌，從而威脅施工安全，故而需要對坑底變形進行監測。

各施工步下，基坑底部土體隆起變化曲線如圖5所示。由圖5可知，在基坑開挖前，由于降水施工的影響，基坑區域土體出現了較大的沉降，直至第一次開挖后，基坑底部依舊表現為沉降。第二次開挖和第三次開挖后，基坑底部表現為隆起，且其增長速率逐漸增大。基坑底部隆起隨寬度表現為兩側小，中間大，這主要是因為基坑兩側的擋墻剛度較大，使得該區域土體受到了一定程度的約束，故其隆起值相對較小。

3基坑降水開挖對樁基位移的影響

根據第2節可知，基坑降水開挖對擋墻和底部土體的影響較大，而已建高架橋與擋墻的最小距離為 2.5m 故而有必要對其樁基變形特性進行分析，以保障高架橋整體安全性。

根據數值模擬結果得到基坑開挖對于左右兩側樁基的影響具有對稱性，故本文僅以1～6號樁為例進行分析。

基坑降水開挖結束后，樁基最終位移變形如圖6所示。由圖6可知，各樁基變形趨勢基本一致，頂部位移最大，先表現為隨埋置深度增加而逐漸減小，后保持穩定。當樁基埋置深度在 0～2 倍基坑深度時，其總位移變化較為迅速；當樁基埋置深度在 2～3 倍基坑深度時，其總位移變化速率減緩；當樁基埋置深度在3倍基坑深度之外時，其總位移基本保持不變。

由圖7可知，不同施工步下，樁基水平位移的分布趨勢基本一致，當其埋置深度 lt;20 m時，基本不發生水平變形，最大水平位移值在靠近樁頂處。由于第一次開挖深度較小，故而其樁基水平位移值與第一次降水變形結果較為相近，而隨著開挖深度的增加，開挖后樁基水平位移較降水變形后有明顯增大，第三次開挖對樁基水平位移的影響遠高于前幾次開挖。

樁基的豎向位移在基坑降水施工時，表現為沉降增大，在基坑開挖施工時，由于卸荷作用，基坑周邊土層出現了一定的隆起現象，進一步引發了樁基的沉降減小，整體呈現為沉降減小趨勢。分析頂部存在連系梁的樁基相互之間的差異沉降可知，其最大水平位移差為0. 90mm 在1號樁和2號樁之間，出現時間為第三次開挖結束后；最大豎向位移差為0.5mm，在11號樁和12號樁之間，出現時間為第三次開挖結束后；最大水平和豎向位移差值均較小，滿足差異沉降要求。

4基坑降水開挖對樁基彎矩的影響

基坑開挖對左右兩側樁基的影響具有對稱性，而分析 1～6 號樁最大彎矩可知，1號樁彎矩最大值為125.77kN·m，2號樁彎矩最大值為198.48kN·m，3號樁彎矩最大值為335.18kN·m，4號樁彎矩最大值為340.79kN?m，5 號樁彎矩最大值為426.11kN·m，6號樁彎矩最大值為517.41kN·m。

以6號樁為例分析不同施工步對樁基彎矩的影響，其結果如圖8所示。由圖8可知，基坑降水開挖初期，樁基彎矩增長緩慢，但隨著開挖深度增加，各樁基上部彎矩顯著增加，下部彎矩逐漸減小，樁頂與樁端彎矩幾乎為零。最大彎矩位于距樁頂7m處，約在粉質黏土和粉土夾砂土界面附近。究其原因是黏土的壓縮模量較小，抗變形能力差，而粉土加粉砂的抗變形能力較強所導致的。樁身同時受到正彎矩和負彎矩的作用，存在彎矩值為零的反彎點，即樁基在該點出的受力狀態發生改變，從受拉變為受壓，或從受壓變為受拉。

上述各項結果均滿足要求，即該基坑降水開挖工程未對鄰近高架橋基樁的安全性造成影響。

5結語

為研究基坑降水開挖對鄰近橋梁樁基的影響，本文依托某一箱涵形式斜穿高架橋的實際工程，采用Midas-GTSNX有限元軟件建立三維模型進行數值分析，主要工作及結論如下：

（1）數值仿真所得樁基變形趨勢合理，與已有理論和軟件計算結果吻合良好，模型可信度高，可用于鄰近橋梁樁基變形評估。

（2）基坑降水與開挖施工對橋梁樁基水平位移影響明顯，水平位移最大值出現在樁頂處，隨深度增加逐漸減小；在樁深超過 2～3 倍基坑深度后，位移變化趨于穩定。

（3）樁基彎矩隨開挖深度的增加而逐漸增大，最大彎矩集中在粉質黏土與粉土夾粉砂層交界處，表明該層位是結構響應的敏感區；樁身存在正負彎矩交替的反彎點，需在結構設計中重點關注。

（4）樁基豎向變形在降水階段表現為沉降增加，開挖階段因土體卸荷反而減小，整體呈現微弱沉降趨勢。各樁間水平與豎向位移差值均較小，滿足結構穩定性與差異沉降控制要求。

綜上，基坑降水開挖過程對鄰近高架橋樁基雖產生一定變形與受力響應，但控制在規范允許范圍內，工程安全性可控。建議在后續類似工程中加強樁基變形監測與分步施工的協同分析，以確保結構長期安全運行。 ⑦

參考文獻

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