基坑開(kāi)挖對(duì)臨近道路沉降的影響及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

■尚勤超

（河南永明市政園林建設(shè)有限公司， 新鄉(xiāng) 453800）

城市建設(shè)過(guò)程中不可避免的在臨近道路工程附近開(kāi)挖基坑，基坑工程作為危險(xiǎn)性較大的分項(xiàng)工程之一，嚴(yán)重影響著臨近道路的安全，因此，研究基坑開(kāi)挖對(duì)臨近道路沉降影響并給出一系列防患舉措至關(guān)重要。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究，曾誼輝[1]、樊金山等[2]以道路沿線基坑開(kāi)挖為例，采用大型有限元軟件ANSYS 對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行了模擬， 重點(diǎn)分析了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近道路沉降變形影響，并提出相關(guān)安全措施，保證道路安全。 高偉等[3]、毛政躍等[4]以城市道路周邊深基坑開(kāi)挖為分析對(duì)象，基于有限元分析方法，重點(diǎn)研究分析了深基坑開(kāi)挖和降水對(duì)道路沉降的影響，并對(duì)影響道路沉降的原因進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)分析。 郭欣[5]、李開(kāi)文等[6]以某地鐵基坑開(kāi)挖臨近高速公路為研究對(duì)象，采用FLAC3D 對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了分析， 并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型建立的合理性，研究結(jié)果表明，隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，公路路基沉降不斷增大，在開(kāi)挖至坑底時(shí)達(dá)到最大值。 叢林等[7]、胡乾[8]通過(guò)大量分析基坑開(kāi)挖對(duì)臨近道路損壞的因素分析，提出了一些預(yù)防措施和辦法。 然而，目前研究重點(diǎn)集中在基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)道路變形的影響，鮮有研究基坑支護(hù)參數(shù)變化對(duì)道路沉降的影響，基于此，本研究以某房建基坑開(kāi)挖臨近道路為研究對(duì)象，采用ABAQUS 軟件分析了基坑支護(hù)參數(shù)變化對(duì)道路沉降的影響，研究結(jié)果可為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

某建筑物基坑開(kāi)挖工程臨近現(xiàn)狀道路，基坑的長(zhǎng)、 寬分別為65、50 m， 基坑最大開(kāi)挖深度為11.0 m，基坑的南側(cè)緊鄰一條與之平行的瀝青道路，寬度為13 m；基坑的西側(cè)緊鄰一條與之平行的混凝土道路，寬度為8 m（圖1）。 基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)從上至下主要依次為填土層、粉質(zhì)黏土層以及砂礫層。 該基坑工程擬采用旋挖樁和砼支撐的支護(hù)形式，共設(shè)置2 道砼支撐， 并設(shè)置450 mm×450 mm 支撐混凝土。第1、第2 砼支撐兩側(cè)分別設(shè)置有冠梁和腰梁，四周設(shè)置有止水帷幕，坑底設(shè)置有沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑邊緣距離西側(cè)和南側(cè)道路邊緣最近距離均為6 m。

圖1 結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 數(shù)值建模

本研究采用ABAQUS 軟件進(jìn)行模擬分析，模型的長(zhǎng)、寬、高為150 m×120 m×30 m，從上至下依次為填土層、粉質(zhì)黏土①層、粉質(zhì)黏土②層、粉質(zhì)黏土③層 和 砂 礫 層， 厚 度 依 次 為2.2、3.5、2.8、4.5 和9.5 m。 模型采用摩爾庫(kù)倫作為本構(gòu)模型，除模型上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束（圖2）。土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，支撐、連續(xù)墻和立柱的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，道路面、基層和地下連續(xù)墻的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 道路面層和基層的物理力學(xué)參數(shù)

表3 支撐、連續(xù)墻和立柱的物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 基坑底部隆起影響分析

由表4 可知， 監(jiān)測(cè)點(diǎn)6～10 對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值誤差不超過(guò)14%，由于地下巖土工程的復(fù)雜性，這種誤差是合理的，也說(shuō)明了數(shù)值模擬的合理性。

表4 基坑底部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬值對(duì)比

3.2 相關(guān)參數(shù)變化對(duì)道路沉降影響分析

本研究主要對(duì)圍護(hù)樁樁徑D、樁間距d、嵌固深度L 以及坑底土體彈性模量E 等因素變化對(duì)道路沉降影響，以瀝青道路為例進(jìn)行分析。

3.2.1 圍護(hù)樁樁徑D 的影響分析

由圖3 可知，隨著圍護(hù)樁樁徑的增大，道路沉降量逐漸減小，且靠近基坑一側(cè)的道路沉降最大，向外逐漸減小，尤其在10 m 以外部分道路沉降基本穩(wěn)定，不隨圍護(hù)樁樁徑的變化而變化。 樁徑D 分別取80、90、100、110 和120 cm 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次為8.46、7.02、5.78、5.34 和5.07 mm， 相比于樁徑取80 cm 時(shí)，樁徑取90、100、110 和120 cm 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次減小17.0%、31.7%、36.9%和40.0%。 綜上可知，臨近道路沉降隨圍護(hù)樁樁徑的增大而減小，且當(dāng)樁徑大于100 cm 之后，道路沉降量降低率變緩，說(shuō)明采用增大圍護(hù)樁樁徑的方法在一定范圍內(nèi)有效，超出范圍后會(huì)導(dǎo)致工程成本迅速增加。

圖3 道路沉降隨圍護(hù)樁樁徑D 變化曲線

3.2.2 圍護(hù)樁樁間距d 的影響分析

由圖4 可知，隨著圍護(hù)樁樁間距的增大，道路沉降量逐漸增大。 樁間距d 分別取100、110、120、130 和140 cm 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次為5.96、6.21、6.48、6.79 和7.23 mm，相比于樁間距取10 cm時(shí)， 樁間距取110、120、130 和140 cm 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次增大4.2%、8.7%、13.9%和21.3%。 綜上可知，臨近道路沉降隨圍護(hù)樁樁間距的增大而增大，但對(duì)道路沉降控制效果不太明顯，工程中可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑龃髽堕g距來(lái)同時(shí)起到經(jīng)濟(jì)、快速和安全等作用。

圖4 道路沉降隨圍護(hù)樁樁間距d 變化曲線

3.2.3 圍護(hù)樁嵌固深度L 的影響分析

由圖5 可知， 隨著圍護(hù)樁嵌固深度L 的增大，道路沉降量逐漸減小。 嵌固深度L 分別取15、20 和30 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次為9.18、5.62 和5.11 mm，相比于嵌固深度L 取15 m 時(shí)，嵌固深度L 取20、30 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次減小38.8%和44.3%。 綜上可知，臨近道路沉降隨圍護(hù)樁嵌固深度L 的增大而減小， 且當(dāng)嵌固深度L 大于20 m之后，道路沉降量降低率變緩，說(shuō)明隨著嵌固深度L的繼續(xù)增大，樁身負(fù)彎矩基本不會(huì)再降低，圍護(hù)樁的變形也基本趨于穩(wěn)定，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中要合理設(shè)計(jì)其嵌固深度。

圖5 道路沉降隨圍護(hù)嵌固深度L 變化曲線

3.2.4 坑底土體彈性模量E 的影響分析

由圖6 可知，給出了道路沉降量隨土體彈性模量E 變化曲線， 土體彈性模量E 分別取60、120、180、240 和300 MPa。隨著土體彈性模量的增大，道路沉降量逐漸減小。 土體彈性模量E 分別取60、120、180、240 和300 MPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次為8.46、5.71、4.25、3.85 和3.54 mm， 相比于土體彈性模量E 取60 MPa 時(shí)，土體彈性模量E 取120、180、240 和300 MPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的最大沉降量依次減小32.5%、49.7%、54.5%和58.2%。 綜上可知，臨近道路沉降隨土體彈性模量E 的增大而減小，效果較好，但當(dāng)E 增大為4 倍后，繼續(xù)增大效果并不顯著。

圖6 道路沉降隨土體彈性模量E 變化曲線

4 結(jié)論

本研究以某房建基坑開(kāi)挖臨近道路為研究對(duì)象，采用ABAQUS 軟件分析了基坑支護(hù)參數(shù)變化對(duì)道路沉降的影響，得到以下結(jié)論：（1）通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比，二者之間的誤差在14%之內(nèi)，由于工程建設(shè)過(guò)程中復(fù)雜多變，這種誤差是合理的，也說(shuō)明了數(shù)值模擬的合理性。 （2）臨近道路沉降隨圍護(hù)樁樁徑的增大而減小， 且當(dāng)樁徑大于100 cm 之后，道路沉降量降低率變緩，說(shuō)明采用增大圍護(hù)樁樁徑的方法在一定范圍內(nèi)有效，超出范圍后會(huì)導(dǎo)致工程成本迅速增加。 （3）臨近道路沉降隨圍護(hù)樁樁間距的增大而增大，但減小樁間距對(duì)道路沉降控制效果不太明顯，工程中可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑龃髽堕g距來(lái)同時(shí)起到經(jīng)濟(jì)、快速和安全等作用。 （4）臨近道路沉降隨圍護(hù)樁嵌固深度L 的增大而減小，且當(dāng)嵌固深度L 大于20 m 之后， 道路沉降量降低率變緩，圍護(hù)樁的變形也基本趨于穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要合理設(shè)計(jì)其嵌固深度。 （5）臨近道路沉降隨坑底土體彈性模量E 的增大而減小， 效果較好，但當(dāng)E 增大為4 倍后，繼續(xù)增大效果并不顯著。