芮福才

(安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣沿江水利管理服務(wù)中心，安徽 馬鞍山 243100)

1 概 述

水利工程基坑施工較為常見，學(xué)者們針對(duì)基坑施工安全進(jìn)行了廣泛研究。胡杰等[1]分析基坑開挖時(shí)其支護(hù)措施的受力規(guī)律，發(fā)現(xiàn)中部支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形最突出。楊勇波[2]總結(jié)了深基坑施工過程中的一系列問題，可為類似的深基坑施工提供參考。林立華[3]對(duì)深基坑的開挖進(jìn)行了研究，分析了臨近隧道的水平位移、受力特征等，并通過以上分析對(duì)基坑的開挖施工等進(jìn)行了總結(jié)。劉步云[4]結(jié)合基坑工程，對(duì)管廊工程的施工進(jìn)行了總結(jié)。謝萬東等[5]總結(jié)了懸臂式支擋結(jié)構(gòu)嵌固深度的計(jì)算原理，并對(duì)國(guó)內(nèi)外基坑設(shè)計(jì)存在的問題進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)計(jì)算方法。韋康等[6]結(jié)合深基坑工程，對(duì)不同樁插入比及不同巖面深度的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明可采取適當(dāng)降低圍護(hù)樁插入比的方法，降低施工成本。曹陽等[7]將基坑施工與BIM相結(jié)合，通過BIM實(shí)現(xiàn)了基坑施工的優(yōu)化，節(jié)約了工程造價(jià)。李光誠(chéng)等[8]從支護(hù)結(jié)構(gòu)的概化、模型特性參數(shù)的選取及是否考慮基坑降水等3方面進(jìn)行了研究，建立了6個(gè)數(shù)值模擬模型，研究表明支撐體系的簡(jiǎn)化模擬是可行和合理的。南曉飛[9]提出了基坑引水工程，該工程能夠節(jié)約地下水。張星偉[10]從內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)兩方面總結(jié)了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案及存在的問題，并針對(duì)這些問題提出了勘察建議。

上述研究均未考慮基坑開挖對(duì)臨近橋梁墩臺(tái)位移和受力的影響。因此，本文結(jié)合某實(shí)際基坑開挖工程，利用FLAC3D軟件還原基坑開挖的全過程，并對(duì)臨近橋梁墩臺(tái)的受力和位移進(jìn)行分析，總結(jié)基坑開挖回填過程應(yīng)當(dāng)注意的問題。研究成果可為類似的基坑工程提供參考。

2 工程概況

某高鐵橋梁下方將進(jìn)行水利工程基坑的開挖，基坑開挖深度為12 m，分4次進(jìn)行，每次開挖的深度為3 m?；娱_挖區(qū)域?yàn)楦凰潭容^高的地層，地層巖土體力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

因?yàn)槭窃诟哞F下方進(jìn)行基坑的開挖，結(jié)合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)的規(guī)定可知，該項(xiàng)目為一級(jí)工程，按照一級(jí)工程的設(shè)計(jì)要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)為1.2，在基坑左邊(高鐵橋墩右側(cè))設(shè)計(jì)咬合樁，咬合樁的長(zhǎng)度定為16 m，樁徑為1.2 m，錨固深度為8 m，采用C40砼進(jìn)行澆筑，地面以下5 m處為常水位?；犹帋r土體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 基坑巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

選擇FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)合地勘和設(shè)計(jì)報(bào)告，數(shù)值模擬建立見圖1。

由圖1可知，所選研究區(qū)域高60 m，長(zhǎng)為80 m。經(jīng)試算，選擇模型寬度為4 m。

圖1 富水工況下基坑開挖

3.2 位移與受力

咬合樁長(zhǎng)度選擇16 m，數(shù)值模擬共計(jì)6 180個(gè)，單元共計(jì)23 988個(gè)，數(shù)值模擬總體位移結(jié)果見圖2。

圖2 基坑總體位移和最大不平衡力

由圖2可知，基坑開挖完成以后，高鐵橋墩右側(cè)位移最大，最大數(shù)值為8.3 mm，該數(shù)值達(dá)不到1 cm，說明巖土體的位移控制在合理的范圍內(nèi)；基坑開挖完成回填后，位移幾乎沒有較大變化，說明基坑的開挖和支護(hù)是滿足工程要求的；95%巖土體的位移集中于高鐵橋墩右側(cè)、基坑左側(cè)，說明該區(qū)域是今后防治工程的重點(diǎn)。

進(jìn)一步分析基坑開挖后周圍巖土體的位移，見圖3。

圖3 水平方向位移(單位：m)

由圖3可知，水平位移最大處依然位于高鐵橋墩右側(cè)、基坑工程左側(cè)，水位位移數(shù)值最大為8.2 mm，該位移結(jié)果和數(shù)值與圖2總體位移相對(duì)應(yīng)。另一方面，基坑回填后，水平位移幾乎沒有變化，說明基坑開挖和回填是滿足工程要求的。93%巖土體的水位位移變化區(qū)域與圖2類似，說明數(shù)值模擬結(jié)果中總體位移和水平位移是相互對(duì)應(yīng)的。

對(duì)模擬工程塑性區(qū)進(jìn)行分析，基坑周圍塑性區(qū)變化見圖4。

圖4 基坑周圍塑性區(qū)變化

由圖4可知，塑性區(qū)97%主要集中于基坑開挖區(qū)域，在高鐵橋墩右側(cè)，基坑左側(cè)尤其集中。在該區(qū)域塑性變化最大，說明基坑開挖確實(shí)對(duì)周圍巖土體造成一定的影響，尤其對(duì)高橋橋墩右側(cè)。

對(duì)基坑開挖后的巖土體進(jìn)行剪應(yīng)變?cè)隽康姆治觯魬?yīng)變?cè)隽恳妶D5。

圖5 剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

由圖5可知，剪應(yīng)變?cè)隽康淖畲髷?shù)值為2.41，位于橋梁墩臺(tái)的右側(cè)，正臨近咬合樁。該區(qū)域剪應(yīng)變?cè)隽康臄?shù)值均較大，說明咬合樁的施工確實(shí)對(duì)臨近巖土體造成了一定的影響。該變化區(qū)域與總體位移與水平位移較為對(duì)應(yīng)，說明數(shù)值模擬結(jié)果的一致性和有效性。

對(duì)模型進(jìn)行豎向應(yīng)力的分析，豎向應(yīng)力見圖6。

圖6 豎向應(yīng)力

由圖6可知，最大豎向應(yīng)力數(shù)值為9e5Pa，96%應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在咬合樁下部，臨近基坑處。該區(qū)域因?yàn)榕R空，必然會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變相對(duì)集中，因此豎向應(yīng)力數(shù)值較大。其他區(qū)域巖土體的豎向應(yīng)力變化較為均勻，沒有發(fā)生較大的變化，說明基坑的開挖與回填均在可控范圍內(nèi)，滿足施工的要求。

3.3 數(shù)值模擬總結(jié)

基坑進(jìn)行了4次開挖并及時(shí)回填，為保證不對(duì)臨近橋梁墩臺(tái)的位移和受力造成影響，對(duì)此施加了咬合樁，并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：

1)總體位移最大為8.3 mm，水平位移最大為8.2 mm，且位移最大位置一致，說明數(shù)值模擬最大位移為水平位移。因?yàn)槲灰撇怀^1 cm，說明位移控制在合理范圍內(nèi)，基坑的開挖和回填效果較好，滿足工程位移的要求。

2)基坑周圍塑性區(qū)主要集中在橋梁墩臺(tái)右側(cè)、咬合樁左側(cè)，說明該區(qū)域巖土體易超出其應(yīng)力承受范圍而發(fā)生塑性變形。該區(qū)域?yàn)楹笃诩庸痰闹攸c(diǎn)，或者是后期監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

3)剪應(yīng)力增量和豎向應(yīng)力較大處位于咬合樁所在區(qū)域，說明該區(qū)域應(yīng)力變化較大，施工中尤其應(yīng)當(dāng)注意。

4 結(jié) 論

基坑開挖和回填后，再施加咬合樁，以保證橋梁墩臺(tái)的位移和受力不受影響。對(duì)此開展了數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下：

1)施工完成后的總體位移和水平位移均控制在合理范圍內(nèi)，該位移不會(huì)對(duì)橋梁墩臺(tái)造成不良影響。

2)基坑周圍的塑性區(qū)位于橋梁墩臺(tái)與咬合樁之間，說明該區(qū)域的巖土體易發(fā)生受力破壞，后期應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)該區(qū)域的監(jiān)測(cè)。

3)剪應(yīng)變?cè)隽亢拓Q向位移均說明咬合樁的施工確實(shí)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)注意咬合樁區(qū)域的受力變化，并加強(qiáng)該處的施工管理，以防止咬合樁發(fā)生變形破壞。

4)以上研究方法適用對(duì)象為淺基坑，對(duì)于深基坑則有待進(jìn)一步研究。