郭 濤，王海濤，祁可錄，劉利剛

(1.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中鐵七局集團(tuán)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(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，深基坑工程的周圍環(huán)境一般較復(fù)雜。深基坑開挖必將引起周圍土層中應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的改變，尤其處于富水地區(qū)的滲流場(chǎng)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(duì)深基坑周圍的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生一定的不利影響，嚴(yán)重的更會(huì)導(dǎo)致建(構(gòu))筑物發(fā)生破壞，最終可能處于無法使用的狀態(tài)[1-2]。當(dāng)鄰近橋樁的深基坑開挖遇到地下水滲入的情況時(shí)，坑內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)，但土體顆粒打破了原有力學(xué)平衡狀態(tài)。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效孔隙水壓力減小等于有效應(yīng)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(duì)鄰近橋樁的影響更為顯著，橋樁產(chǎn)生較大的撓曲與彎矩，進(jìn)而影響橋樁上部結(jié)構(gòu)功能[3-4]。因此，探討基坑降水及其開挖對(duì)鄰近高架橋樁的影響規(guī)律，尋求可行的變形控制方案及對(duì)策具有一定的實(shí)際意義。

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

本文結(jié)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(shù)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(guī)律，研究結(jié)果可為基坑降水及開挖時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁結(jié)合3道內(nèi)支撐系統(tǒng)，鉆孔樁嵌固深度為2.5m?；邮椎纼?nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)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?；优c高架橋樁相對(duì)位置及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基坑與高架橋樁相對(duì)位置關(guān)系及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：m)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，該基坑場(chǎng)地所屬地層共4層，分別為：①素填土，厚2.2m；②粉質(zhì)黏土，厚2.7m；③強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r，厚1.7m；④中風(fēng)化石灰?guī)r，厚43.4m?；余徑梁退患?，根據(jù)群井抽水試驗(yàn)測(cè)定，該場(chǎng)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(nèi)降水相結(jié)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(shù)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(dǎo)致土體顆粒數(shù)量的減少，原有應(yīng)力平衡由于地下水位降低而被打破，亦會(huì)導(dǎo)致周圍土層中地下水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生滲流的附加應(yīng)力，引起周圍土層中應(yīng)力重分布。基于Biot固結(jié)理論的完全耦合模型將土體變形方程與滲流方程結(jié)合，并考慮地下水滲流與土體變形的動(dòng)態(tài)變化及相互影響，其中三維Biot固結(jié)方程及三維滲流連續(xù)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(yīng)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(shù)。

將Biot固結(jié)方程以增量形式表示為：

(3)

連續(xù)性流固分析方法是通過計(jì)算分析求出相應(yīng)滲流場(chǎng)的孔隙水壓力，并將所求數(shù)值代入應(yīng)力場(chǎng)分析中得出耦合結(jié)果，分析中主要考慮了地下水滲流對(duì)系統(tǒng)應(yīng)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(jié)果。

2.2 三維數(shù)值計(jì)算模型

采用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行基坑施工工況數(shù)值模擬，建立三維流固耦合計(jì)算模型。根據(jù)基坑工程影響分區(qū)，確定模型長(zhǎng)139.9m、寬134.8m、高50m。結(jié)點(diǎn)共25 567個(gè)，單元共56 057個(gè)，三維有限元數(shù)值模型如圖2所示。荷載有結(jié)構(gòu)相關(guān)荷載和自重，其中結(jié)構(gòu)相關(guān)荷載由動(dòng)力荷載簡(jiǎn)化為靜荷載，故將快軌線及橋面荷載簡(jiǎn)化為橋墩頂部受到的均布靜荷載，模型整體設(shè)置自動(dòng)約束邊界條件。

圖2 三維有限元數(shù)值模型(單位：m)

2.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

在數(shù)值模擬分析中，采用1D梁?jiǎn)卧M冠梁、腰梁、內(nèi)支撐、高架橋樁；采用2D板單元模擬排樁和混凝土擋墻，結(jié)構(gòu)為線彈性本構(gòu)；采用3D單元模擬橋墩，參數(shù)如表1所示。采用3D實(shí)體單元模擬相應(yīng)土層，本構(gòu)為修正莫爾-庫(kù)侖模型，土層參數(shù)由工程勘察報(bào)告確定，如表2所示。

表1 基坑及高架橋材料參數(shù)

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.4 基坑開挖方案模擬

根據(jù)基坑開挖的實(shí)際施工步驟，模擬計(jì)算共劃分為17個(gè)計(jì)算工況，如表3所示。對(duì)考慮流固耦合影響的三維有限元數(shù)值模型做出相應(yīng)的簡(jiǎn)化。

表3 模擬計(jì)算工況

1)由圖3可知，基坑降水采用設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭的邊界條件，運(yùn)用瞬態(tài)的階段類型，降水相應(yīng)工況是通過節(jié)點(diǎn)水頭位置的變化達(dá)到仿真目的，降水后產(chǎn)生的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合。

圖3 降水前后水位

2)對(duì)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(zhuǎn)情況產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，需在高架橋樁位置設(shè)置扭轉(zhuǎn)約束。高架的部分橋墩存在于土體，使用改變屬性設(shè)置橋墩處的邊界條件。

3)排樁采用等效剛度轉(zhuǎn)換理論，將排樁等效轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻，選用板單元。止水帷幕通過板單元設(shè)置強(qiáng)度折減系數(shù)為0.65及滲透系數(shù)為0的界面單元模擬截水防滲作用，以此達(dá)到基坑止水體系效果。建立止水帷幕時(shí)，需設(shè)置對(duì)應(yīng)的剛性連接單元，用以模擬支護(hù)體系與土體的協(xié)同作用。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基坑降水及開挖后，坑內(nèi)卸載的土體會(huì)引起坑外周圍土層的變化，進(jìn)而對(duì)高架橋樁產(chǎn)生一定的變形影響，有限元數(shù)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(guī)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(cè)向位移如圖5所示。排樁側(cè)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(cè)向位移變化趨勢(shì)與第(n-1)步開挖基本一致，故排樁側(cè)向位移與開挖深度密切相關(guān)。因降水引起的應(yīng)力變化會(huì)作用于排樁，導(dǎo)致相同的開挖深度時(shí)，降水變形產(chǎn)生的位移量均大于開挖階段。排樁側(cè)向位移隨著開挖深度的增加而增大，最大位移點(diǎn)也隨之下移，但基本形態(tài)并未改變。當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到坑底位置附近時(shí)，排樁最大側(cè)向位移為5.8mm，因場(chǎng)地所處地層大部分為巖質(zhì)地層，故側(cè)向位移不會(huì)產(chǎn)生較大數(shù)值。此外，隨著基坑開挖深度增加，排樁側(cè)向位移變化速率有所減緩，主要是因?yàn)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)組成的剛度體系逐漸發(fā)揮作用。

圖5 不同工況下排樁側(cè)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(shí)，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(chǎng)的變化，產(chǎn)生應(yīng)力重分布?；娱_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(shí)達(dá)到了最大值，為1.9mm，故基坑開挖對(duì)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(jié)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(shè)置線段AB(坑外地表沉降最大位置與支護(hù)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(shì)(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(jié)論。

圖7 開挖結(jié)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(duì)坑外土體的位移場(chǎng)有明顯的影響作用，距離橋墩較遠(yuǎn)的土體沉降值相對(duì)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(jié)、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(yán)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(chǎn)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?？油獾乇沓两档淖兓厔?shì)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(yīng)開挖工況的坑外沉降數(shù)值幾乎一致，說明分步降水能有效解決土體產(chǎn)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(yīng)力相應(yīng)增加，同時(shí)降水后的水頭差產(chǎn)生的滲流應(yīng)力均會(huì)導(dǎo)致土體加密，使地表沉降增大，故分步降水對(duì)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(jié)束后，高架橋下部結(jié)構(gòu)沉降云圖如圖9所示。通過提取各橋墩墩頂中心點(diǎn)沉降變形結(jié)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(gè)工況下的沉降曲線如圖10所示。

圖9 開挖結(jié)束后高架橋下部結(jié)構(gòu)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(diǎn)沉降曲線

由圖9可知，開挖結(jié)束后，距離基坑最近的為4號(hào)橋墩，豎向沉降達(dá)到最大值，約7.14mm；距離基坑較近的3，5號(hào)橋墩及距離基坑較遠(yuǎn)的2，6號(hào)橋墩豎向沉降值變化規(guī)律大致相同；1號(hào)橋墩距離基坑最遠(yuǎn)，達(dá)到最小沉降值，約4.18mm。橋樁沉降與基坑距離呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由圖10可知，隨著施工步驟的不斷進(jìn)行，各橋墩沉降變化趨勢(shì)大體一致，4號(hào)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(shì)，第4步開挖與第4步降水所產(chǎn)生的沉降值幾乎一致，這是由于支護(hù)及止水結(jié)構(gòu)體系逐漸發(fā)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(nèi)部的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生了改變，根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，有效孔隙水壓力減小等于有效應(yīng)力的等量增加，故高架樁基受到一定影響的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生水平方向位移。基坑開挖完成后，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(jié)果可得如下結(jié)論。

圖11 開挖結(jié)束后高架橋樁水平位移云圖(單位：mm)

1)開挖結(jié)束后，3號(hào)橋墩樁基產(chǎn)生了最大位移，約2.66mm，因場(chǎng)地大部分為巖石地層，故水平位移并不會(huì)有較大數(shù)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(shì)。

2)1，2，6，7號(hào)橋墩樁體水平位移在橋樁頂部產(chǎn)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(shì)；3，4，5號(hào)橋墩樁體的水平位移峰值出現(xiàn)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(shì)。由于距離基坑較遠(yuǎn)，受到基坑降水及開挖的影響較小，故1，2，6，7號(hào)橋墩樁體水平位移小于3，4，5號(hào)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(dòng)的土體范圍逐漸擴(kuò)大及分步降水引起的滲流場(chǎng)不斷變化，使在流固耦合作用下的橋樁變形受力趨勢(shì)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(jié)語

1)隨著基坑開挖深度不斷增加，排樁側(cè)向位移變化速率有所減緩，最大側(cè)向位移位置隨之下移且基本形態(tài)并未改變?；娱_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(duì)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(fā)展趨勢(shì)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(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系，每步降水與前一步開挖引起的沉降變化量呈減小趨勢(shì)。

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(shì)，且橋樁水平位移與開挖深度呈正相關(guān)關(guān)系；距離基坑較遠(yuǎn)的1，2，6，7號(hào)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(shì)；3，4，5號(hào)橋墩樁體水平位移隨著樁深的增加，基本呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。