軟土地區基坑施工對堤防穩定性影響的控制措施

劉 銘，劉愛華，鄒家強，叢沛桐，張 巍

(華南農業大學水利與土木工程學院，廣州 510642)

隨著中國基礎設施的大規模建設，跨河大橋工程越來越多。這些大橋一般采用鋼筋混凝土灌注樁基礎，通過承臺與橋墩連接。橋墩的承臺一般為地下式，因而在承臺施工過程中形成了較大規模的基坑。基坑的開挖施工會引起周圍土體變形，對其臨近的土堤穩定性產生影響，進而對防洪安全構成威脅。

由于基坑開挖破壞了巖土體的應力平衡，將不可避免的在開挖影響區域內引起地表沉降和地層移動，對區域原有建筑產生一定影響[1-5]。許多學者針對不同地區土體的基坑開挖對臨近隧道、地鐵、地下結構等建筑物的影響問題進行了研究，分析了在不同土體力學參數和不同支護措施下基坑開挖對臨近建筑物的影響[6-10]。丁勇春等[11]基于FLAC3D(三維快速拉格朗日方法)建立了考慮土體與結構相互作用的三維整體計算模型，研究基坑開挖對臨近建筑的影響，探討了不同基坑支護方案及技術措施對基坑變形控制及歷史建筑保護的有效性；胡琦等[12]通過對杭州地區典型軟黏土及其擾動土的室內單元體試驗研究了擾動對軟黏土工程特性的影響，發現施工擾動會破壞土的結構屈服應力，導致土的壓縮性增大、強度降低，會加劇基坑開挖施工對周邊環境的影響；劉念武等[13]結合深厚軟黏土地區某個地鐵車站深基坑工程進行了系統性監測，結果表明地下連續墻成槽會引起臨近土體側向位移;左殿軍等[14]基于ABAQUS數值模擬研究了基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響，計算結果表明隨基坑開挖深度加深，地表沉降及隧道襯砌位移逐漸變大；劉東燕等[15]基于FLAC3D模擬深圳某軟土深基坑開挖并分析基坑變形的影響因素，研究結果表明提高圍護結構剛度能較為顯著改善基坑變形；葉帥華等[16]通過對蘭州地區濕陷性黃土基坑開挖進行了監測，監測數據表明在基坑開挖過程中支護支撐軸力隨著基坑開挖趨于穩定。

然而，對于軟土地區的基坑而言，由于土體力學參數較低，基坑開挖后周圍土體的變形更大，且更容易發生塑性流動，因而將對臨近建筑物造成更大的影響[17-20]。基于此，結合工程實例，以數值分析為主要手段，研究軟土地區基坑施工對其附近土堤穩定性的影響，并重點研究不同支護措施下的影響，以期為基坑支護措施設計提供指導建議。

1 工程背景

某大橋工程跨越廣東省中山市某河涌，全橋橋跨布置為2 m×210 m雙層鋼箱梁獨塔斜拉橋，全長420 m。引橋及主橋均采用群樁基礎。主橋索塔基礎為2個深度為5 m的基坑，平面尺寸均為約21.3 m×28.8 m，開挖深度為5 m，如圖1所示。該基坑距離河道土堤堤腳約20 m。土堤的堤頂寬為8 m，堤身高度為2.8 m，上、下游邊坡均為1∶3.0，堤身為人工填土。

圖1 基坑平面布置圖Fig.1 Foundation pit layout

根據地質鉆孔揭露的地質資料，該工程地層結構較簡單，主要包括素填土、淤泥、淤泥質土、粉質黏土。室內試驗結果表明，各土層力學參數較低，其中，淤泥層厚度約為34.2 m，力學參數最低。

由于主橋索塔承臺基坑距離河道土堤堤腳僅約20 m，且基坑處地質條件較差，基坑開挖施工可能會影響土堤穩定性，因此需研究采用合適的支護措施，以確保基坑施工不會影響土堤的穩定。

2 數值分析計算理論

為研究不同基坑支護措施下基坑施工對土堤穩定性的影響，采用巖土通用FLAC3D軟件開展計算分析。數值計算中，各層土體采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型。可能的支護手段包括鋼板樁、內支撐、圍檁等，采用結構單元進行模擬。

FLAC3D采用顯式有限差分法進行數值求解，計算流程如圖2所示。顯式有限差分法的計算理論如下[21]。

2.1 運動方程

FLAC3D以節點為計算對象，將力和質量均集中在節點上，然后通過運動方程在時域內進行求解。節點運動方程可表示為式(1)的形式。

(1)

將式(1)左端用中心差分來近似，則可得到：

(2)

2.2 本構方程

本構關系有：

(3)

2.3 應變、應力及節點不平衡力

FLAC3D由速率來求某一時步的單元應變增量，如式(4)所示：

(4)

式(4)中:Δeij為應變增量；vi和vj為速率；Δt為時間增量，下標,i和j分別表示對坐標i和j的偏導。

通過式(4)得到應變增量，進而可由本構方程求出應力增量，對各時間步的應力增量疊加即可得出總應力。

2.4 阻尼力

對于靜態問題，在式(1)的不平衡力中加入非黏性阻尼，以使系統的振動逐漸衰減直至達到平衡狀態(即不平衡力接近零)，將式(1)變為

(5)

阻尼力為

(6)

式(6)中：α為阻尼系數；sign為符號函數，定義如式(7)所示：

(7)

圖2 顯式有限差分法計算流程Fig.2 Explicit finite difference method calculation process

3 計算過程

3.1 計算模型

主橋索塔基坑為2個深度為5 m的基坑，平面尺寸均為約21.3 m×28.8 m。根據模型的對稱性，選擇靠近連接堤防的基坑建立計算模型。計算模型以主橋索塔基坑中心為坐標原點，x軸與堤軸線垂直，以指向堤防的外江側為正；y軸與堤軸線平行，指向左岸為正；z軸為鉛直向，以向上為正。計算模型的坐標原點位于基坑中心的0.0高程處。模型計算范圍：x方向為-24.4～74.1 m，y方向為0～100 m，z方向為-40.1～2.6 m。模型共剖分了16 984個單元和19 067個節點(圖3)。根據地質勘察報告，計算模型共包含5種地層：堤身填土、素填土、淤泥質土、淤泥、粉質黏土。

圖3 三維模型網格Fig.3 3D model grid

3.2 計算參數

計算分析采用的巖土體物理力學參數如表1所示。

表1 主要土層物理力學指標Table 1 Main soil physical and mechanical indicators

3.3 計算工況

根據基坑施工過程、以及可能的基坑支護措施，擬定的工況如表2所示。在初始工況下，計算分析基坑開挖前周邊土體初始應力狀態，初始應力狀態主要由土體自身重力作用產生。在基坑開挖工況下，在開挖臨空面釋放荷載作用下基坑周圍土體產生變形，并引起應力重分布。

表2 擬定計算工況及工況條件Table 2 Formulations of calculation conditions and cases

為研究不同支護措施下基坑開挖施工對周圍土體的影響，擬定了不考慮支護措施、僅鋼板樁支護、鋼板樁加一層內支撐支護、鋼板樁加二層內支撐支護共4種工況進行對比計算分析。其中，鋼板樁采用深度為18 m的拉森III型鋼板樁，內支撐的鋼圍檁采用雙拼588型鋼，上層內支撐采用DN630×8 mm的鋼管，下層內支撐采用DN820×10 mm的鋼管。

4 計算結果分析

基坑開挖前的初始工況(工況A)，第一主應力和第三主應力分布分別如圖4(a)、圖4(b)所示。由圖4(a)、圖4(b)可知，第一主應力和第三主應力等值線總體分布平緩，高程越低，初始地應力越大。在基坑開挖區域，第一主應力在-50～0 kPa左右，第三主應力分布在-100～0 kPa左右。

不考慮支護基坑開挖工況(工況B)，由于基坑周圍土體參數較低，計算無法收斂，可見，若不考慮支護措施，基坑周圍土體將失穩，進而威脅土堤穩定性。考慮支護下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)，計算均能收斂。為方便與其他考慮支護措施的工況進行對比，對不考慮支護開挖工況(工況B)，由于計算不收斂，因此取程序終止時(迭代8 900次)的計算結果進行整理。

各工況基坑開挖后，基坑四周土體應力發生明顯的重分布。考慮支護下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)的應力分布規律總體接近，以鋼板樁加二層內支撐支護下的基坑開挖工況(工況C3)為例，工況C3第一主應力和第三主應力分布分別如圖4(c)、圖4(d)所示。

圖4 第一主應力和第三主應力分布Fig.4 First principal stress and third principal stress distribution

各工況基坑開挖后的變形如圖5所示。由圖5可知，基坑開挖后，周圍土體發生變形。若不考慮支護措施(工況B)，土體最大位移超過1.8 m，基坑實際上已經失穩。考慮支護下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)，土體最大位移均發生在基坑正下方鋼板樁底部高程附近，最大值差別不大，均在0.19～0.20 m。各工況基坑開挖后堤腳的變形如圖6所示。由圖6可知，支護措施越強，堤腳變形越小，即基坑開挖對土堤安全性的影響越小。

圖5 各工況基坑開挖后的變形Fig.5 Deformation after excavation of foundation pits under various cases

圖6 各工況基坑開挖后堤腳的變形Fig.6 Deformation of the embankment after excavation of foundation pits under various cases

圖7 各工況基坑開挖后的塑性區Fig.7 Plastic zone after excavation of foundation pits under various cases

各工況基坑開挖后的塑性區如圖7所示。其中圖7(a)計算不收斂，表明基坑開挖后不能維持自身穩定。不考慮支護基坑開挖工況(工況B)和僅采用鋼板樁支護工況(工況C1)，周圍土體塑性區擴展范圍很大，蔓延至土堤底部，威脅土堤安全。考慮鋼板樁加內支撐支護的各基坑開挖工況(工況C2、工況C3)，支護措施越強，塑性區范圍越小，即基坑開挖引起的土體擾動越小，對土堤安全性的影響也相應越小。考慮支護下的基坑開挖工況(工況C3)鋼板樁第一主應力及內支撐軸力如圖8所示。考慮支護下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)的支護結構應力如表3所示。支護結構應力在鋼材的允許值之內(屈服強度為235 MPa)，說明支護結構不會發生破壞。

圖8 工況C3的鋼板樁第一主應力及內支撐軸力Fig.8 The first principal stress and the inner support axial force of the steel sheet pile in case C3

表3 考慮支護下的各基坑開挖工況支護結構應力Table 3 Considering the stress of the supporting structure under the excavation condition of each foundation pit under the support

5 討論

對于普通基坑而言，一般工程經驗認為，基坑開挖的影響范圍為3～5倍的基坑開挖深度。然而，對于軟土地區的基坑而言，由于軟土力學參數較低，若不采用支護措施[如工況B計算結果，如圖6(a)所示]，基坑開挖后塑性區可能會不斷擴展，發生較大范圍的塑性流動，基坑開挖的影響范圍將會明顯大于經驗值。

對比考慮支護下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)的計算結果可知，支護措施越強，堤腳變形越小，基坑開挖對土堤安全性的影響越小。從塑性區范圍而言，支護措施越強，塑性區范圍越小，即基坑開挖引起的土體擾動越小，對土堤安全性的影響也相應越小。

對于深度不大的基坑，鋼板樁支護為常見支護手段。計算表明，若僅采用鋼板樁支護(工況C1)，周圍土體塑性區范圍仍然較大，可見由于周圍土體的力學參數較低，僅采用鋼板樁支護并不能很好的控制土體的破壞。增加內支撐后(工況C2和工況C3)，基坑周圍土體的塑性區范圍均較小。對于土堤而言，周圍土體均在彈性范圍內。因此，此時基坑施工不會影響土堤安全性。出于防洪安全可靠性考慮，推薦采用方案C3，即鋼板樁加二層內支撐的支護方案。

6 結論

由于軟土地區的土體力學參數較低，該地區基坑開挖與一般地區基坑開挖不同，將對臨近建筑物產生更大的影響。結合某實際工程，以數值分析為主要手段，研究了軟土地區基坑施工對其附近土堤穩定性的影響，并重點對基坑施工影響的控制措施進行了研究。得到以下結論。

(1)對于軟土地區的基坑而言，由于軟土力學參數較低，若不采用合理的支護措施，基坑開挖的影響范圍將明顯大于經驗值，需要引起重視。

(2)對于深度不大的基坑，鋼板樁支護為常見支護手段。但對于軟土地區的基坑而言，僅采用鋼板樁支護并不能有效地控制基坑開挖對周圍土體的擾動。在鋼板樁內部增加1～2層內支撐之后，基坑開挖擾動能得到有效控制，從而保障臨近建筑物的安全性。