水利工程基坑施工對臨近橋梁墩臺影響的數值模擬研究

芮福才

(安徽省馬鞍山市當涂縣沿江水利管理服務中心，安徽 馬鞍山 243100)

1 概 述

水利工程基坑施工較為常見，學者們針對基坑施工安全進行了廣泛研究。胡杰等[1]分析基坑開挖時其支護措施的受力規律，發現中部支護結構的變形最突出。楊勇波[2]總結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]對深基坑的開挖進行了研究，分析了臨近隧道的水平位移、受力特征等，并通過以上分析對基坑的開挖施工等進行了總結。劉步云[4]結合基坑工程，對管廊工程的施工進行了總結。謝萬東等[5]總結了懸臂式支擋結構嵌固深度的計算原理，并對國內外基坑設計存在的問題進行了分析，提出了改進計算方法。韋康等[6]結合深基坑工程，對不同樁插入比及不同巖面深度的模擬結果進行分析，分析結果表明可采取適當降低圍護樁插入比的方法，降低施工成本。曹陽等[7]將基坑施工與BIM相結合，通過BIM實現了基坑施工的優化，節約了工程造價。李光誠等[8]從支護結構的概化、模型特性參數的選取及是否考慮基坑降水等3方面進行了研究，建立了6個數值模擬模型，研究表明支撐體系的簡化模擬是可行和合理的。南曉飛[9]提出了基坑引水工程，該工程能夠節約地下水。張星偉[10]從內支撐結構、排樁支護結構兩方面總結了深基坑支護結構的設計方案及存在的問題，并針對這些問題提出了勘察建議。

上述研究均未考慮基坑開挖對臨近橋梁墩臺位移和受力的影響。因此，本文結合某實際基坑開挖工程，利用FLAC3D軟件還原基坑開挖的全過程，并對臨近橋梁墩臺的受力和位移進行分析，總結基坑開挖回填過程應當注意的問題。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行水利工程基坑的開挖，基坑開挖深度為12 m，分4次進行，每次開挖的深度為3 m。基坑開挖區域為富水程度較高的地層，地層巖土體力學性質見表1。

表1 巖土物理力學性質指標

因為是在高鐵下方進行基坑的開挖，結合《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)的規定可知，該項目為一級工程，按照一級工程的設計要求，支護結構參數為1.2，在基坑左邊(高鐵橋墩右側)設計咬合樁，咬合樁的長度定為16 m，樁徑為1.2 m，錨固深度為8 m，采用C40砼進行澆筑，地面以下5 m處為常水位。基坑處巖土體力學參數見表2。

表2 基坑巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

選擇FLAC3D進行數值模擬研究，結合地勘和設計報告，數值模擬建立見圖1。

由圖1可知，所選研究區域高60 m，長為80 m。經試算，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

咬合樁長度選擇16 m，數值模擬共計6 180個，單元共計23 988個，數值模擬總體位移結果見圖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，高鐵橋墩右側位移最大，最大數值為8.3 mm，該數值達不到1 cm，說明巖土體的位移控制在合理的范圍內；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是滿足工程要求的；95%巖土體的位移集中于高鐵橋墩右側、基坑左側，說明該區域是今后防治工程的重點。

進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、基坑工程左側，水位位移數值最大為8.2 mm，該位移結果和數值與圖2總體位移相對應。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域與圖2類似，說明數值模擬結果中總體位移和水平位移是相互對應的。

對模擬工程塑性區進行分析，基坑周圍塑性區變化見圖4。

圖4 基坑周圍塑性區變化

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

對基坑開挖后的巖土體進行剪應變增量的分析，剪應變增量見圖5。

圖5 剪應變增量

由圖5可知，剪應變增量的最大數值為2.41，位于橋梁墩臺的右側，正臨近咬合樁。該區域剪應變增量的數值均較大，說明咬合樁的施工確實對臨近巖土體造成了一定的影響。該變化區域與總體位移與水平位移較為對應，說明數值模擬結果的一致性和有效性。

對模型進行豎向應力的分析，豎向應力見圖6。

圖6 豎向應力

由圖6可知，最大豎向應力數值為9e5Pa，96%應力較大區域主要集中在咬合樁下部，臨近基坑處。該區域因為臨空，必然會導致應力和應變相對集中，因此豎向應力數值較大。其他區域巖土體的豎向應力變化較為均勻，沒有發生較大的變化，說明基坑的開挖與回填均在可控范圍內，滿足施工的要求。

3.3 數值模擬總結

基坑進行了4次開挖并及時回填，為保證不對臨近橋梁墩臺的位移和受力造成影響，對此施加了咬合樁，并進行了數值模擬研究，研究結果表明：

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，說明數值模擬最大位移為水平位移。因為位移不超過1 cm，說明位移控制在合理范圍內，基坑的開挖和回填效果較好，滿足工程位移的要求。

2)基坑周圍塑性區主要集中在橋梁墩臺右側、咬合樁左側，說明該區域巖土體易超出其應力承受范圍而發生塑性變形。該區域為后期加固的重點，或者是后期監測的重點。

3)剪應力增量和豎向應力較大處位于咬合樁所在區域，說明該區域應力變化較大，施工中尤其應當注意。

4 結 論

基坑開挖和回填后，再施加咬合樁，以保證橋梁墩臺的位移和受力不受影響。對此開展了數值模擬研究，結論如下：

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，該位移不會對橋梁墩臺造成不良影響。

2)基坑周圍的塑性區位于橋梁墩臺與咬合樁之間，說明該區域的巖土體易發生受力破壞，后期應當加強該區域的監測。

3)剪應變增量和豎向位移均說明咬合樁的施工確實會導致應力集中，應當注意咬合樁區域的受力變化，并加強該處的施工管理，以防止咬合樁發生變形破壞。

4)以上研究方法適用對象為淺基坑，對于深基坑則有待進一步研究。