基于HS模型的橋梁軟土基坑開挖變形分析

余秀平， 江勝華， 李勇海

(中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇蘇州 215131)

隨國內交通不斷地迅速發展，出現較多大型交通橋梁跨越鐵路既有線工程，橋梁基坑的開挖變形對鐵路運營線影響分析研究必然是一個重點方向。基坑工程除了需要滿足自身圍護結構等強度穩定性等要求，還需要滿足周邊環境安全等要求，重點保護基坑周邊重要構筑物安全穩定，從目前相應的基坑規范[1-2]提供的計算方法并不能良好解決基坑開挖對周邊環境影響評價。

隨著計算機軟件不斷成熟與完善，有限元計算方法在基坑變形預估中逐步成為基坑計算主流方法之一，選擇合適的土體材料模型和相應參數是基坑變形有限元分析計算中最為核心的問題，它決定了計算預估結果的準確性[3]。目前，在硬化土本構模型基坑開挖卸荷作用下計算基坑隆起和地面沉降中具有適用性。楊蘭強等[4]通過開展標準固結試驗、三軸固結排水剪切試驗和三軸固結排水加卸載試驗，獲得寧波地區典型軟土的HS模型參數數值，采用 Midas GTS有限元軟件對基坑變形計算結果與實際監測數據比較驗證參數的適用性。白成生[5]采用HS本構模型及Zsoil軟件分析了基坑工程地面沉降等變形特征。黃鑫等[6]對比摩爾-庫倫和硬化土2種本構模型在基坑降水開挖工程中的適用性，HS模型考慮加卸荷特征，基坑開挖變形計算HS模型更具有適用性。

基坑工程造成地面沉降效應主要原因為坑內土體開挖卸荷后坑底隆起和圍護結構向基坑內變形產生，本文以杭州某臨近鐵路既有線橋梁基坑為例，采用三維有限元軟件計算，采用硬化土本構模型，分析基坑開挖對鐵路線的變形影響，為基坑在臨近鐵路既有線的施工設計提供參考。

1 工程概況

本項目位于浙江省寧波市，橋梁整體小角度(30°)斜交上跨蕭甬鐵路、杭甬客專，形成上跨鐵路節點。跨鐵路節點橋全長301 m，橋跨布置為跨徑布置為(68+138+95) m。采用預應力混凝土剛構橋，剛構橋主跨138 m一孔跨越蕭甬鐵路和杭甬客專。橋梁施工采用轉體方式。

主墩27號墩承臺基坑設計平面尺寸為22.4 m×16.8 m，基坑深度為4.2 m，基坑邊線距離鐵路最近距離為8.11 m。基坑圍護結構采用φ100@120 cm鉆孔灌注樁，樁長26 m，排樁外側設置φ60@45 cm雙排旋噴樁，樁長9 m。樁頂設置一道內支撐，內支撐采用φ609×16 mm鋼支撐，頂圈梁為120 cm×100 cm鋼筋混凝土結構(圖1、圖2)。

圖1 基坑平面布置(單位：cm)

圖2 基坑剖面布置(單位：cm)

2 計算模型及參數

2.1 HS模型

有限元計算中最為核心的問題在于材料本構模型的選取和相應適合的材料參數的取值，合理的本構模型和合理的材料參數既反映了土體的主要特性又體現基坑主要變形特征。選擇合理本構模型的前提下，根據工程經驗和土工試驗確定合理的材料模型參數，才可能較為準確地模擬計算基坑變形值。經過數十年土力學學科的發展，土體本構模型也伴隨著發展了很多種，但是已經在巖土類有限元軟件廣泛使用的模型還不是很多，在一些地方性的規范中指出，硬化類的彈塑性本構模型可以較好地模擬出圍護結構的墻體變形和墻背土體彈塑性變形，在基坑開挖變形有限元計算中具有適用性。

由T.Schanz等基于Duncan-Chang模型基礎建立硬化土本構模型，HS本構模型采用雙曲線擬合應力應變相關特征，較真實反映土體非線性特征，并且能夠反映土體復雜的應力路徑，可模擬不同類型的土體行為，區別基坑開挖土體卸載、加載，數值分析可以較為準確地得到坑底隆起和圍護結構背后地面沉降。

2.2 土層參數選擇

本數值計算所采用的HS模型參數是根據橋位處地勘參數和工程案例經驗值經過綜合比較確定。為了更為準確地模擬基坑開挖過程，還需要確定土體排水行為，在應力分析的孔隙水壓力可分為正常狀態的孔隙水壓力和非正常狀態的孔隙水壓力，即不排水條件下，由于外部載荷土體顆粒之間產生的超孔隙水壓力。超孔隙水壓力接近0的狀態稱為排水條件，通常用于沙土等的滲透性大的巖土材料。但是，模擬如黏土等滲透性非常小，且瞬間載荷作用下，水并不能及時排出情況，應當執行不排水分析。在初始狀態，超孔隙水壓力還未消散，被看作是最不穩定的狀態，孔隙水壓力是由根據壓縮性和滲透性系數確定的體積變化來決定。本文主要重點分析研究基坑開挖過程中圍護結構變形及基坑對周邊環境的影響，主要考慮的是短期內的影響特性，而且場地內土體都為不容易透水的淤泥質黏土，土體設置為不排水行為，土體HS模型參數見表1。

表1 HS模型的土層主要參數

2.3 模型建立

Midas有限元計算模型幾何尺寸為120 m×100 m×30 m，基坑尺寸為22.4 m×16.8 m×4.2 m。其中土體采用3D實體單元，材料模型采用HS模型；鉆孔樁通過剛度等效為2D板單元，材料模型采用彈性模型；內支撐和冠梁分別采用桁架和梁單元，材料模型同樣采用彈性模型。混凝土采用C30彈性模量取值30 GPa，鋼材采用Q235彈性模量取值206 GPa。建立整體模型在四周及下部添加地基約束并施加自重荷載。

排樁等效為板單元計算為式(1)：

EAIA=ED(d+a)h3/12

(1)

式中：EA為樁的彈性模量；IA為樁截面慣性矩；ED為等效板單元的彈性模量；d為樁直徑；a為樁凈間距；h為等效板單元厚度。計算后，板單元厚度為0.79 m。

實際工程中圍護結構與土層并不是完全變形協同，實際變形中圍護結構和土層具有一定差異，在模型中土層與圍護結構網格節點為共節點，在圍護結構單元上施加界面單元，用以確認板單元和土體之間摩擦行為及相對位移。

模型節點數為24 464個，單元數為130 719個，基坑整體模型見圖3。

圖3 有限元整體模型

2.4 施工工況

數值模擬按照橋梁基坑實際開挖工況進行分析，在施工階段因為近營業線施工所以基坑附近嚴禁堆載。基坑開挖平面尺寸為22.4 m×16.8 m，開挖深度為4.2 m。基坑開挖步驟見表2。

表2 基坑開挖順序

3 模擬結果與分析

3.1 圍護結構變形分析

圍護結構在施工階段基坑開挖前水平位移數值較小，水平最大變形值為1.4 mm，基坑開挖后水平位移最大值為3.6 mm，最大變形值位于基坑長邊方向的中部圍護結構頂部處。圍護結構施工過程中土體挖除轉成鋼筋混凝土結構，自重增加的狀態下，圍護結構向下沉降，沉降最大值為35 mm，基坑開挖基坑卸荷后，基坑內土體卸荷回彈，圍護結構隨土體發生一定的上浮，基坑開挖后圍護結構累積沉降值18 mm。

3.2 基底隆起

基坑底部土體隆起的原因較多，主要原因有：

(1)由基坑開挖后卸荷引起的回彈量。

(2)基坑周圍土體自重作用下使得坑底土體向上變形。

(3)基坑底部土體含水量增大而膨脹。

(4)圍護結構根部產生塑流變形或不可逆側移。

(5)坑底不透水土層自重不足抵抗水頭壓力而造成上浮。最為主要的隆起原因還是認為卸荷原因造成的土體回彈。基坑開挖后最大的隆起值為72 mm，位置處于基坑底中心處。

3.3 地面沉降

基坑開挖發生地面沉降的影響范圍廣泛并且如因為地面沉降而造成災害的則會產生較為惡劣的后果。產生地面沉降的因素主要有：

(1)土體自身固結引起沉降。

(2)基坑圍護結構滲水土體孔隙水滲流引起沉降。

(3)圍護結構向基坑內位移引起沉降。

(4)基坑坑底隆起引起坑外地面沉降。

(5)內支撐拆除引起地面土體向基坑內變形沉降。最為主要的引起地面沉降的原因還是認為由于圍護結構側向變形和坑底隆起引起。基坑開挖后鐵路路基位置處地面最大沉降值為8.5 mm。

4 基坑監測

4.1 監測布局

(1)圍護結構深層水平位移監測點布置在基坑的周圍四個邊緣(每邊至少設1個監測孔)且位于每邊中部，根據基坑開挖情況，及時監測圍護結構深層水平位移。

(2)圍護結構頂水平、豎直位移，在圍護結構頂部設置監測點，利用全站儀、水準儀進行水平、豎直位移監測。

(3)目前的坑底隆起監測應是隨著開挖施工進程的隨時測量，每一層開挖地面埋回彈標成本高，成本高，不切實際，而埋回彈標主要用于計算回彈模量，最終用于建筑物的沉降驗算。

(4)在鐵路路基處布置地表沉降監測點，利用水準儀進行位移監測。

4.2 監測結果

圍護結構水平位移最大監測值為5.1 mm位于基坑長邊樁頂處，豎直位移最大監測值為28 mm；坑底隆起難以監測，所以未作實際監測；鐵路路基沉降最大監測值為2.5 mm，監測值與計算值偏差較大，主要原因在于鐵路路基壓縮模量遠大于地層土體計算時壓縮模量，沉降計算值偏大。

5 結束語

(1)有限元計算結果表明，采用HS模型和合適的參數可以有效進行基坑變形預估計算，能夠有效的指導施工。

(2)基坑計算最大變形位于基坑長邊的中部，空間效應呈現明顯，在施工過程中應該加強長邊方向的支撐設置。

(3)在模型建模中未能加入鐵路路基的相關模型，下一步應該增加路基相應材料參數，得出更為精確的路基沉降豎直。

(4)所有材料模型參數基于經驗值，下一步還需進行參數的校正和相關參數敏感性的分析。