公路橋梁深基坑及排樁圍護結構變形特性研究

摘要：文章通過現場監測和數值模擬，研究了基坑開挖過程中水平位移與豎向沉降的變化規律，對不同施工工序下支護結構變形的差異作了分析。結果表明：隨著基坑開挖，監測點水平位移整體上持續增大，基坑開挖完畢后峰值水平位移達到了16.8mm，遠小于基坑沉降監測的預警值；最大峰值沉降出現在位于基坑東南角位置處，為7.1mm，說明排樁對基坑沉降和水平位移變形起到了較為明顯的改善作用；增加襯砌厚度能明顯改善排樁樁頂水平位移，但隨著襯砌厚度的逐漸增大，其改善效果隨之降低；與樁頂水平位移規律相反，增加襯砌厚度反而會引起樁頂沉降的增加。

關鍵詞：橋梁工程；深基坑；排樁支護；數值模擬

中圖分類號：U445.55+1" " " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.058

文章編號：1673-4874（2024）11-0200-03

0引言

隨著我國基建工程的發展和需要，深基坑工程項目日益增多，也衍生出許多安全隱患。為此，針對深基坑開挖過程中的變形規律、受力特征以及相應的加固措施，許多研究人員進行了一系列研究。

赫德亮等［1］依托濟南地鐵黃河隧道南岸工作井基坑工程，通過FLAC3D有限元軟件分析了基坑開挖過程中地下連續墻變形的模型參數效應，對深基坑硬化土模型參數進行了敏感性分析。白曉宇等［2］基于青島某基坑工程，開展了微型鋼管樁支護結構現場試驗，對深基坑土-巖界面微型鋼管樁的受力特征進行了研究。鄧娜等［3］依托成都市地鐵某車站工程，開展了現場監測和數值模擬研究，分析了基坑開挖過程中砂卵石地層地鐵車站基坑支護結構變形規律。黃建華等［4］基于HS-Small模型，對深基坑開挖-降水過程進行了數值模擬，對降水的主要影響因素進行了敏感性分析。楊濤等［5］采用兩階段分析法對公路橋梁在基坑開挖-卸載作用下的受力變形規律作了分析，并結合數值模擬方法，對公路橋梁樁基受力變形響應進行了研究。宗晶瑤等［6］建立了明挖基坑與鄰近高鐵橋梁的二維有限元模型，分析了明挖基坑對鄰近高鐵橋梁變形影響的主要因素，并提出了相應的改善措施。

在本篇文章中，依托某跨河橋梁深基坑項目，進行了現場監測和有限元數值模擬，提出了排樁深基坑支護措施，分析了橋梁深基坑開挖過程中水平位移和沉降變化規律，并對每個工序的深基坑支護結構變形規律進行了剖析。本文的研究成果對相似工程有一定的指導、借鑒意義。

1研究背景

1.1工程概況

本文依托某跨河橋梁深基坑項目，該項目橋梁全長185m，設計橋面寬度為7m，橋梁形式為索道橋，橋梁兩岸采用重力式錨碇，本文的研究對象為兩岸的錨碇基坑。橋位區最大相對高差為11.5m，橋軸線地面最大相對高差為14.6m，地質類型屬于侵蝕-剝蝕丘陵地貌。

巖層方面，由上至下依次為第四系人工填土、粉質黏土、卵石土、中風化砂巖、微風化砂巖，場區內未出現區域性斷裂構造。地下水方面，該河測時水位為403.5m，河面即為泄洪基準面，地下水類型主要為裂隙水，其水位基本與河面水位一致，因此地表和地下水對基礎施工影響較強烈。

1.2施工方案

根據現場實際情況，橋梁岸邊基坑采用排樁帷幕進行支護，排樁施工完成后再進行深基坑開挖施工。基坑開挖的最大深度為18m，其中包含2m表層土，計算中開挖深度為16m，內襯為2m厚的C30鋼筋混凝土。排樁為鉆孔灌注樁，采用鋼護筒護壁，設計樁長為27m，嵌巖深度不小于1/3樁長，樁凈距≤30cm，底部持力層為中風化基巖，根據水下混凝土施工標準，排樁混凝土強度提升一個等級，為C35抗滲混凝土，排樁施工完成后，設置橫向支撐與圈梁于樁頂。

2橋梁深基坑監測分析

對本次橋梁深基坑工程進行了現場監測，主要監測項目包括排樁樁頂圈梁位移沉降和周邊環境位移。表1給出了基坑沉降和水平位移的監測預警值。圖1給出了基坑周邊監測點布置情況。

圖2展示了基坑開挖過程中各監測點水平位移時程曲線。從圖2中可以看出，隨著基坑開挖，監測點水平位移整體上持續增大，但存在小范圍的波動。各監測點相比，位于基坑南側中部的4#監測點位移明顯大于其他監測點，基坑開挖完畢后峰值水平位移達到了16.8mm；其次為位于基坑北側中部的14#監測點，水平位移峰值達到了11.4mm；7#、11#、19#和20#監測點水平位移較小，水平位移峰值均未＞4mm。整體而言，基坑水平位移量較小，遠小于基坑沉降監測的預警值，因此水平位移變形方面，基坑符合設計要求。

圖3給出了基坑開挖過程中各監測點豎向沉降時程曲線。從圖3可以看出，隨著基坑開挖的進行，各監測點豎向沉降持續增大，部分監測點受到施工擾動的影響，出現了較為明顯的沉降變形波動。相比之下，最大峰值沉降出現在位于基坑東南角的1#監測點位置，沉降峰值達到了7.1mm；其次為位于基坑中部的4#監測點和14#監測點，沉降峰值分別達到了5.6mm和5.1mm；沉降變化最不明顯的為11#、19#和20#監測點，隨著基坑開挖的進行沉降變化幅度較小，未出現明顯的波動，表現較為穩定。整體而言，基坑開挖過程中排樁樁頂的沉降數值較小，遠未達到沉降監測預警值，說明排樁對基坑沉降和水平位移變形起到了較為明顯的改善作用。

3橋梁深基坑開挖數值模擬

為進一步研究基坑開挖過程中各監測點的變形情況并針對性地進行加固，本文通過有限元數值軟件建立了橋梁深基坑數值仿真模型，采用分步施工對基坑開挖過程進行了仿真模擬。

3.1數值模型的建立

根據工程實際情況，基坑開挖計算深度為16m，取3倍基坑開挖深度作為模型高度，即模型高度取50m，模型尺寸為100m×80m×50m（長×寬×高）。排樁支護方面，采用梁單元進行模型，排樁直徑設置為1.5m，支護和支撐結構按照彈性材料考慮，土體按彈塑性介質考慮。

邊界條件方面，根據工程實際情況和相關模擬經驗，模型底部設置為固定邊界，四周設為法向約束邊界，頂部設為自由邊界。

由于設置了雙排樁止水帷幕，因此在數值模擬過程中未考慮滲水的影響。在進行網格劃分時，對基坑周邊進行了局部網格加密處理，共劃分出312952個10節點有限元網格，圖4給出了該橋梁深基坑的網格劃分模型。

根據地勘資料，對模型土體計算參數進行了確定，具體如表2所示。

3.2工況設置

根據現場施工工序，在有限元數值模擬中采用了分步施工模擬方法，對整個基坑開挖過程進行了工況劃分，共劃分出10個工況，具體如下：

工況一：基坑表層填土開挖，深度1m。

工況二：排樁樁頂圈梁施工，以及第一道支撐和1m高度的內襯施工。

工況三：1層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況四：第二道支撐和4m高度內襯施工。

工況五：2層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況六：第三道支撐和4m高度內襯施工。

工況七：3層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況八：第四道支撐和4m高度內襯施工。

工況九：4層基坑開挖，開挖深度為4m。

工況十：4m高度內襯施工。

3.3結果分析與討論

圖5給出了不同工況下排樁水平位移在不同深度位置處的變化曲線。從圖5可以看出，隨著深度的增加，工況一即清理表層土工況下，排樁水平位移隨深度增加基本未發生變化，其余工況條件下，排樁水平位移呈現隨著深度增加而逐漸減小的變化規律，排樁水平位移與深度呈現負相關關系。各工況相比，工況一中排樁位移量較小，工況二即第一層基坑開挖工況下排樁水平位移隨深度變化曲線呈現緩降型，即隨著深度增加，排樁水平位移減小速率逐漸降低，而其余各工況未出現隨著深度增加排樁水平位移下降速率增大或減小的一般性規律。

圖6給出了各監測點位置處排樁樁頂沉降隨開挖深度變化曲線。從圖6可以看出，隨著開挖深度的增加，各監測點排樁樁頂沉降數值出現先增后減然后再增加的變化規律，整體呈“勺”狀。各工況峰值沉降出現在開挖深度2m位置處，且沉降峰值較為接近，排樁樁頂峰值沉降約為2.5mm。隨著開挖深度的增加，各監測點附近排樁樁頂沉降差異逐漸增大，相比之下4#、14#排樁樁頂沉降較小，1#、11#、18#樁頂沉降較為顯著，但整體數值均較小，遠小于預警值，不足以對工程安全造成影響。

圖7給出了各開挖深度下基坑最大隆起值的變化情況。從圖7可以看出，隨著基坑開挖的進行，基坑出現了較為明顯的隆起現象。最大隆起值出現在開挖深度5m條件下，隆起數值約為41.3mm。該隆起值已達到基坑監測預警值，出現這種現象可能是由于第一層土為回填土，壓縮量較小，且基坑坑底無承壓水，坑底出現了較為明顯的回彈。

圖8、圖9給出了不同襯砌厚度條件下排樁樁頂水平位移和沉降的時程曲線。

從圖8可以看出，增加襯砌厚度，能明顯改善排樁樁頂水平位移。襯砌厚度為0.5m工況下，開挖結束后其水平位移達到了65.2mm；襯砌厚度為1.0m工況下，最終排樁樁頂水平位移數值為33.1mm，較前者降低了49.23%，改善效果較為顯著；襯砌厚度為1.5m工況下，最終排樁樁頂水平位移數值為21.6mm，較前者降低了34.74%；襯砌厚度為2.0m工況下，最終排樁樁頂水平位移數值為16.7mm，較前者降低了22.69%。因此，增加襯砌厚度能明顯改善排樁樁頂水平位移，但隨著襯砌厚度的逐漸增大，其改善效果隨之降低。

從圖9中可以看出，不同襯砌厚度工況下，基坑開挖中后期排樁樁頂沉降差異較為明顯，與樁頂水平位移規律相反，增加襯砌厚度反而會引起樁頂沉降的增加。這是由于襯砌結構主要限制了基坑的水平變形，由于土體的擠壓作用，水平變形限制效果越大，基坑沉降變形越明顯。但整體而言，樁頂沉降變形數值較小，峰值沉降僅為2.5 mm，有較大的變形空間。因此，通過增加襯砌厚度改善基坑水平變形的措施是較為可行、有效的。在實際工程中，可根據工程實際條件合理設置襯砌厚度，保障深基坑開挖安全。

4結語

為研究橋梁深基坑開挖過程中基坑周邊環境及支護結構的變形規律，本文開展了現場監測和數值模擬，對基坑開挖過程中水平位移與豎向沉降的變化規律進行了分析，同時剖析了不同施工工序條件下支護結構變形的差異。得出主要結論如下：

（1）隨著基坑開挖，監測點水平位移整體上持續增大。位于基坑南側中部的4#監測點位移明顯大于其他監測點，基坑開挖完畢后峰值水平位移達到了16.8 mm，整體而言，基坑水平位移量較小，遠小于基坑沉降監測的預警值。

（2）最大峰值沉降出現在位于基坑東南角的1#監測點位置，沉降峰值達到了7.1 mm，排樁對基坑沉降和水平位移變形起到了較為明顯的改善作用。

（3）排樁水平位移呈現隨著深度增加而逐漸減小的變化規律，排樁水平位移與深度呈現負相關關系。第一層基坑開挖工況下排樁水平位移隨深度變化曲線呈現緩降型，其余各工況未出現隨著深度增加排樁水平位移下降速率增大或減小的一般性規律。

（4）增加襯砌厚度能明顯改善排樁樁頂的水平位移，但隨著襯砌厚度的逐漸增大，其改善效果隨之降低。與樁頂水平位移規律相反，增加襯砌厚度反而會引起樁頂沉降的增加。

參考文獻：

［1］赫德亮，李紅普，何本國.地鐵深基坑硬化土模型參數敏感性研究［J］.城市軌道交通研究，2023，26（12）：90-96，102.

［2］白曉宇，蘇杭，張鵬飛，等.深基坑土巖界面微型鋼管樁受力特性試驗研究［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2023，42（11）：36-42.

［3］鄧娜，石洪超，薛曉武.砂卵石地層地鐵車站基坑支護結構位移監測與分析［J］.成都工業學院學報，2023，26（6）：25-30.

［4］黃建華，李瑞.基于HS-Small模型臨江深基坑降水變形特性分析［J］.水電能源科學，2023，41（11）：116-120，203.

［5］楊濤，童立元，李丹.基坑開挖卸荷引起的公路橋梁樁基變形受力響應［J］.建筑科學與工程學報，2020，37（5）：214-222.

［6］宗晶瑤，豐土根.明挖基坑對鄰近高鐵橋梁變形影響因素分析［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2019，36（2）：47-50.

作者簡介：陶鑫（1986—），工程師，研究方向：公路工程。

收稿日期：2024-05-18