水利工程基坑施工对临近桥梁墩台影响的数值模拟研究

芮福才

(安徽省马鞍山市当涂县沿江水利管理服务中心，安徽 马鞍山 243100)

1 概 述

水利工程基坑施工较为常见，学者们针对基坑施工安全进行了广泛研究。胡杰等[1]分析基坑开挖时其支护措施的受力规律，发现中部支护结构的变形最突出。杨勇波[2]总结了深基坑施工过程中的一系列问题，可为类似的深基坑施工提供参考。林立华[3]对深基坑的开挖进行了研究，分析了临近隧道的水平位移、受力特征等，并通过以上分析对基坑的开挖施工等进行了总结。刘步云[4]结合基坑工程，对管廊工程的施工进行了总结。谢万东等[5]总结了悬臂式支挡结构嵌固深度的计算原理，并对国内外基坑设计存在的问题进行了分析，提出了改进计算方法。韦康等[6]结合深基坑工程，对不同桩插入比及不同岩面深度的模拟结果进行分析，分析结果表明可采取适当降低围护桩插入比的方法，降低施工成本。曹阳等[7]将基坑施工与BIM相结合，通过BIM实现了基坑施工的优化，节约了工程造价。李光诚等[8]从支护结构的概化、模型特性参数的选取及是否考虑基坑降水等3方面进行了研究，建立了6个数值模拟模型，研究表明支撑体系的简化模拟是可行和合理的。南晓飞[9]提出了基坑引水工程，该工程能够节约地下水。张星伟[10]从内支撑结构、排桩支护结构两方面总结了深基坑支护结构的设计方案及存在的问题，并针对这些问题提出了勘察建议。

上述研究均未考虑基坑开挖对临近桥梁墩台位移和受力的影响。因此，本文结合某实际基坑开挖工程，利用FLAC3D软件还原基坑开挖的全过程，并对临近桥梁墩台的受力和位移进行分析，总结基坑开挖回填过程应当注意的问题。研究成果可为类似的基坑工程提供参考。

2 工程概况

某高铁桥梁下方将进行水利工程基坑的开挖，基坑开挖深度为12 m，分4次进行，每次开挖的深度为3 m。基坑开挖区域为富水程度较高的地层，地层岩土体力学性质见表1。

表1 岩土物理力学性质指标

因为是在高铁下方进行基坑的开挖，结合《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)的规定可知，该项目为一级工程，按照一级工程的设计要求，支护结构参数为1.2，在基坑左边(高铁桥墩右侧)设计咬合桩，咬合桩的长度定为16 m，桩径为1.2 m，锚固深度为8 m，采用C40砼进行浇筑，地面以下5 m处为常水位。基坑处岩土体力学参数见表2。

表2 基坑岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

选择FLAC3D进行数值模拟研究，结合地勘和设计报告，数值模拟建立见图1。

由图1可知，所选研究区域高60 m，长为80 m。经试算，选择模型宽度为4 m。

图1 富水工况下基坑开挖

3.2 位移与受力

咬合桩长度选择16 m，数值模拟共计6 180个，单元共计23 988个，数值模拟总体位移结果见图2。

图2 基坑总体位移和最大不平衡力

由图2可知，基坑开挖完成以后，高铁桥墩右侧位移最大，最大数值为8.3 mm，该数值达不到1 cm，说明岩土体的位移控制在合理的范围内；基坑开挖完成回填后，位移几乎没有较大变化，说明基坑的开挖和支护是满足工程要求的；95%岩土体的位移集中于高铁桥墩右侧、基坑左侧，说明该区域是今后防治工程的重点。

进一步分析基坑开挖后周围岩土体的位移，见图3。

图3 水平方向位移(单位：m)

由图3可知，水平位移最大处依然位于高铁桥墩右侧、基坑工程左侧，水位位移数值最大为8.2 mm，该位移结果和数值与图2总体位移相对应。另一方面，基坑回填后，水平位移几乎没有变化，说明基坑开挖和回填是满足工程要求的。93%岩土体的水位位移变化区域与图2类似，说明数值模拟结果中总体位移和水平位移是相互对应的。

对模拟工程塑性区进行分析，基坑周围塑性区变化见图4。

图4 基坑周围塑性区变化

由图4可知，塑性区97%主要集中于基坑开挖区域，在高铁桥墩右侧，基坑左侧尤其集中。在该区域塑性变化最大，说明基坑开挖确实对周围岩土体造成一定的影响，尤其对高桥桥墩右侧。

对基坑开挖后的岩土体进行剪应变增量的分析，剪应变增量见图5。

图5 剪应变增量

由图5可知，剪应变增量的最大数值为2.41，位于桥梁墩台的右侧，正临近咬合桩。该区域剪应变增量的数值均较大，说明咬合桩的施工确实对临近岩土体造成了一定的影响。该变化区域与总体位移与水平位移较为对应，说明数值模拟结果的一致性和有效性。

对模型进行竖向应力的分析，竖向应力见图6。

图6 竖向应力

由图6可知，最大竖向应力数值为9e5Pa，96%应力较大区域主要集中在咬合桩下部，临近基坑处。该区域因为临空，必然会导致应力和应变相对集中，因此竖向应力数值较大。其他区域岩土体的竖向应力变化较为均匀，没有发生较大的变化，说明基坑的开挖与回填均在可控范围内，满足施工的要求。

3.3 数值模拟总结

基坑进行了4次开挖并及时回填，为保证不对临近桥梁墩台的位移和受力造成影响，对此施加了咬合桩，并进行了数值模拟研究，研究结果表明：

1)总体位移最大为8.3 mm，水平位移最大为8.2 mm，且位移最大位置一致，说明数值模拟最大位移为水平位移。因为位移不超过1 cm，说明位移控制在合理范围内，基坑的开挖和回填效果较好，满足工程位移的要求。

2)基坑周围塑性区主要集中在桥梁墩台右侧、咬合桩左侧，说明该区域岩土体易超出其应力承受范围而发生塑性变形。该区域为后期加固的重点，或者是后期监测的重点。

3)剪应力增量和竖向应力较大处位于咬合桩所在区域，说明该区域应力变化较大，施工中尤其应当注意。

4 结 论

基坑开挖和回填后，再施加咬合桩，以保证桥梁墩台的位移和受力不受影响。对此开展了数值模拟研究，结论如下：

1)施工完成后的总体位移和水平位移均控制在合理范围内，该位移不会对桥梁墩台造成不良影响。

2)基坑周围的塑性区位于桥梁墩台与咬合桩之间，说明该区域的岩土体易发生受力破坏，后期应当加强该区域的监测。

3)剪应变增量和竖向位移均说明咬合桩的施工确实会导致应力集中，应当注意咬合桩区域的受力变化，并加强该处的施工管理，以防止咬合桩发生变形破坏。

4)以上研究方法适用对象为浅基坑，对于深基坑则有待进一步研究。