基坑開挖對鄰近路基應力變形的影響研究

華良山

(江西省撫州市城市防洪工程服務中心，江西 撫州 344000)

基坑開挖對道路穩定性的影響日益成為一個研究重點和難點[1- 4]。基坑開挖卸荷時，坑底及鄰近土體應力狀態隨之改變，進而引起周邊構筑物產生變形，嚴重時會影響道路的運營安全[5- 7]。近年來，研究人員對基坑開挖設計理論以及鄰近路基的變形響應進行了研究。高偉等[8]通過對比分析數值模擬結果和現場監測數據，發現基坑與道路的水平距離對構筑物變形影響的敏感性弱于基坑開挖深度和基坑止水帷幕深度兩種因素。樊金山等[9]對某軟土基坑開挖進行了數值計算，認為基坑每次開挖深度不宜過大。樓春暉等[10]整理了現場監測數據后，發現在鄰近基坑兩倍開挖深度范圍內，建筑具有明顯的沉降且差異顯著。馬新文[11]研究發現基坑周邊地表堆載及行車荷載會影響道路沉降，其變形發展具有顯著的時間效應。龍志偉等[12]研究了砂卵石超深基坑開挖對鄰近道路的影響，認為支護結構的樁徑、樁間距和錨索數量對道路沉降影響較大。

為適應道路鄰近土體的利用及發展需求，有必要采用相關手段分析基坑開挖在不同卸荷工況時的路基穩定性控制指標及其動態變化規律。鑒于此，本次擬采用三維有限元分析方法，探討基坑開挖對鄰近既有路基應力變形分布規律的影響，以期為基坑開挖的安全實施和道路正常運營提供可靠理論依據。

1 有限元數值模型的建立

1.1 工程概況

該基坑工程采用放坡開挖方式，分4級開挖。基坑周邊地形較為平坦，距離基坑邊緣12.2m處有一填方路基，路基底寬27m，高度7.5m，坡度為1∶1.5。土層類型包括3種，從上至下依次為雜填土、粉質黏土和粉砂，地下水位較低，忽略其影響。基坑地基材料分區如圖1所示。

圖1 路基材料分區及監測點布置圖

1.2 有限元數值模型及計算方案

采用有限元分析軟件MIDAS/GTS-NX實現三維有限元模型的建立及其計算，路基及土體均采用實體單元，模型尺寸為111m(長)×50m(寬)×29m(最高點)，單元總數為6227，網格劃分如圖2所示。坐標系選各方向代表意義為：x方向與道路垂直，y與道路方向一致，z方向為豎直向上。土體采用理想彈塑性模型，具體材料參數見表1。為研究基坑放坡開挖時既有路基的應力變形情況，設定以下5個施工工況：①對土體進行初始應力分析，位移清零；②開挖第一層雜填土，厚度4m；③開挖第二層雜填土，厚度4m；④開挖第三層粉質黏土，厚度3m；⑤開挖第四層粉質黏土，厚度3m。

表1 地層及材料參數

圖2 有限元數值計算模型

2 結果及分析

2.1 基坑變形分析

不同開挖階段時基坑的水平位移云圖和豎向位移云圖如圖3、圖4所示。在基坑開挖過程中，土體向基坑側產生一定程度的位移，放坡面下部區域的側向位移相對較大。開挖至8m時(工況3)，最大水平位移為1.74mm；開挖至14m時(工況5)，最大水平位移為2.65mm。對基坑豎向變形而言，由于基坑開挖的影響，基坑底部土體產生一定程度的隆起，且深度越大隆起值越小，但路基及其下部地基則表現為沉降。開完至8m時(工況3)，土體豎向位移值介于-0.46～3.03mm；開挖至14m時(工況5)，土體豎向位移值介于-0.68～3.83mm，沉降值最大區域由路基頂部轉移至路基坡腳位置。

圖3 不同工況下邊坡水平位移云圖(左為工況3，右為工況5)

圖4 不同工況下邊坡豎向位移云圖(左為工況3，右為工況5)

2.2 路基應力與變形分析

2.2.1應力分析

不同工況下路基的最大主應力云圖和最小主應力云圖如圖5—6所示。不同施工階段路基的最大主應力呈對稱分布，且應力值隨深度增大而增大。與初始狀態相比，最大主應力始終為負值，表明路基尚未出現受拉區；對于工況3和工況5，路基最大主應力值變化不大，即基坑開挖對其影響較小。此外，不同工況下路基最小主應力始終為負值，表明其受到壓應力作用，且壓應力隨路基深度增大逐漸增大，呈兩側對稱分布。與初始應力狀態(工況1)相比，工況3和工況5時路基壓應力極值略有增大，增幅分別為0.32、0.37kPa，其主要原因為：由于在變形協調作用下，路基底部土體與地基土的共同向基坑開挖側偏移，路基底部土體受到一定擠壓作用所導致的。

圖5 不同工況下路基最大主應力云圖(從左到右依次為工況1、工況3和工況5)

圖6 不同工況下路基最小主應力云圖(從左到右依次為工況1、工況3和工況5)

2.2.2變形分析

通過分析不同工況下路基的水平位移分布云圖發現，路基整體向基坑方向偏移，且距離基坑越近位移值越大。對比工況3和工況5位移云圖可知，不同基坑開挖深度下路基的變形趨勢基本一致，開挖深度越大，路基側向變形量越大。此外，路基中部不同深度土體的側向位移量隨基坑開挖深度增大逐漸增大，且速率逐漸減小，如圖7所示。基坑開挖結束時，監測點A、B、C、D的水平位移值分別達到1.02、0.99、0.98和0.98mm。

圖7 各監測點的水平位移變化曲線

對不同工況下路基的豎向位移分布而言，基坑開挖時鄰近基坑側路基豎向位移值最大。基坑開挖深度越大，路基整體的沉降量越大。同時，發現隨基坑開挖深度的增大，路基中部不同深度土體的豎向位移量逐漸增大，但增量逐漸減小，如圖8所示。基坑開挖結束時，監測點A、B、C、D的沉降量分別達到0.61、0.59、0.55和0.49mm。

圖8 各監測點的豎向位移變化曲線

3 結語

本文通過建立基坑開挖對臨近路基變形影響的計算模型，獲得了不同開挖深度對基坑及路基應力及變形的影響規律。主要結論如下。

(1)基坑開挖使土體向基坑側產生位移，且放坡面下部區域側向位移相對較大；基坑底部土體會產生隆起，且深度越大地基隆起值越小，但路基及其下部地基則發生沉降，沉降值在-0.68～3.83mm。

(2)路基最小主應力隨路基深度增大而增大，呈兩側對稱分；路基中部不同深度土體的側向位移量和沉降量隨基坑開挖深度增大逐漸增大，但速率逐漸減小。

本文研究成果對類似工程基坑開挖中臨近路基變形沉降評價及其處治方法等具有指導意義，但不同工程地基開挖影響分析中應進一步考慮工程巖土層結構及性質的差異。