基坑开挖对邻近路基应力变形的影响研究

华良山

(江西省抚州市城市防洪工程服务中心，江西 抚州 344000)

基坑开挖对道路稳定性的影响日益成为一个研究重点和难点[1- 4]。基坑开挖卸荷时，坑底及邻近土体应力状态随之改变，进而引起周边构筑物产生变形，严重时会影响道路的运营安全[5- 7]。近年来，研究人员对基坑开挖设计理论以及邻近路基的变形响应进行了研究。高伟等[8]通过对比分析数值模拟结果和现场监测数据，发现基坑与道路的水平距离对构筑物变形影响的敏感性弱于基坑开挖深度和基坑止水帷幕深度两种因素。樊金山等[9]对某软土基坑开挖进行了数值计算，认为基坑每次开挖深度不宜过大。楼春晖等[10]整理了现场监测数据后，发现在邻近基坑两倍开挖深度范围内，建筑具有明显的沉降且差异显著。马新文[11]研究发现基坑周边地表堆载及行车荷载会影响道路沉降，其变形发展具有显著的时间效应。龙志伟等[12]研究了砂卵石超深基坑开挖对邻近道路的影响，认为支护结构的桩径、桩间距和锚索数量对道路沉降影响较大。

为适应道路邻近土体的利用及发展需求，有必要采用相关手段分析基坑开挖在不同卸荷工况时的路基稳定性控制指标及其动态变化规律。鉴于此，本次拟采用三维有限元分析方法，探讨基坑开挖对邻近既有路基应力变形分布规律的影响，以期为基坑开挖的安全实施和道路正常运营提供可靠理论依据。

1 有限元数值模型的建立

1.1 工程概况

该基坑工程采用放坡开挖方式，分4级开挖。基坑周边地形较为平坦，距离基坑边缘12.2m处有一填方路基，路基底宽27m，高度7.5m，坡度为1∶1.5。土层类型包括3种，从上至下依次为杂填土、粉质黏土和粉砂，地下水位较低，忽略其影响。基坑地基材料分区如图1所示。

图1 路基材料分区及监测点布置图

1.2 有限元数值模型及计算方案

采用有限元分析软件MIDAS/GTS-NX实现三维有限元模型的建立及其计算，路基及土体均采用实体单元，模型尺寸为111m(长)×50m(宽)×29m(最高点)，单元总数为6227，网格划分如图2所示。坐标系选各方向代表意义为：x方向与道路垂直，y与道路方向一致，z方向为竖直向上。土体采用理想弹塑性模型，具体材料参数见表1。为研究基坑放坡开挖时既有路基的应力变形情况，设定以下5个施工工况：①对土体进行初始应力分析，位移清零；②开挖第一层杂填土，厚度4m；③开挖第二层杂填土，厚度4m；④开挖第三层粉质黏土，厚度3m；⑤开挖第四层粉质黏土，厚度3m。

表1 地层及材料参数

图2 有限元数值计算模型

2 结果及分析

2.1 基坑变形分析

不同开挖阶段时基坑的水平位移云图和竖向位移云图如图3、图4所示。在基坑开挖过程中，土体向基坑侧产生一定程度的位移，放坡面下部区域的侧向位移相对较大。开挖至8m时(工况3)，最大水平位移为1.74mm；开挖至14m时(工况5)，最大水平位移为2.65mm。对基坑竖向变形而言，由于基坑开挖的影响，基坑底部土体产生一定程度的隆起，且深度越大隆起值越小，但路基及其下部地基则表现为沉降。开完至8m时(工况3)，土体竖向位移值介于-0.46～3.03mm；开挖至14m时(工况5)，土体竖向位移值介于-0.68～3.83mm，沉降值最大区域由路基顶部转移至路基坡脚位置。

图3 不同工况下边坡水平位移云图(左为工况3，右为工况5)

图4 不同工况下边坡竖向位移云图(左为工况3，右为工况5)

2.2 路基应力与变形分析

2.2.1应力分析

不同工况下路基的最大主应力云图和最小主应力云图如图5—6所示。不同施工阶段路基的最大主应力呈对称分布，且应力值随深度增大而增大。与初始状态相比，最大主应力始终为负值，表明路基尚未出现受拉区；对于工况3和工况5，路基最大主应力值变化不大，即基坑开挖对其影响较小。此外，不同工况下路基最小主应力始终为负值，表明其受到压应力作用，且压应力随路基深度增大逐渐增大，呈两侧对称分布。与初始应力状态(工况1)相比，工况3和工况5时路基压应力极值略有增大，增幅分别为0.32、0.37kPa，其主要原因为：由于在变形协调作用下，路基底部土体与地基土的共同向基坑开挖侧偏移，路基底部土体受到一定挤压作用所导致的。

图5 不同工况下路基最大主应力云图(从左到右依次为工况1、工况3和工况5)

图6 不同工况下路基最小主应力云图(从左到右依次为工况1、工况3和工况5)

2.2.2变形分析

通过分析不同工况下路基的水平位移分布云图发现，路基整体向基坑方向偏移，且距离基坑越近位移值越大。对比工况3和工况5位移云图可知，不同基坑开挖深度下路基的变形趋势基本一致，开挖深度越大，路基侧向变形量越大。此外，路基中部不同深度土体的侧向位移量随基坑开挖深度增大逐渐增大，且速率逐渐减小，如图7所示。基坑开挖结束时，监测点A、B、C、D的水平位移值分别达到1.02、0.99、0.98和0.98mm。

图7 各监测点的水平位移变化曲线

对不同工况下路基的竖向位移分布而言，基坑开挖时邻近基坑侧路基竖向位移值最大。基坑开挖深度越大，路基整体的沉降量越大。同时，发现随基坑开挖深度的增大，路基中部不同深度土体的竖向位移量逐渐增大，但增量逐渐减小，如图8所示。基坑开挖结束时，监测点A、B、C、D的沉降量分别达到0.61、0.59、0.55和0.49mm。

图8 各监测点的竖向位移变化曲线

3 结语

本文通过建立基坑开挖对临近路基变形影响的计算模型，获得了不同开挖深度对基坑及路基应力及变形的影响规律。主要结论如下。

(1)基坑开挖使土体向基坑侧产生位移，且放坡面下部区域侧向位移相对较大；基坑底部土体会产生隆起，且深度越大地基隆起值越小，但路基及其下部地基则发生沉降，沉降值在-0.68～3.83mm。

(2)路基最小主应力随路基深度增大而增大，呈两侧对称分；路基中部不同深度土体的侧向位移量和沉降量随基坑开挖深度增大逐渐增大，但速率逐渐减小。

本文研究成果对类似工程基坑开挖中临近路基变形沉降评价及其处治方法等具有指导意义，但不同工程地基开挖影响分析中应进一步考虑工程岩土层结构及性质的差异。