基坑工程土体开挖卸载后基坑四周土体移动和地表下沉, 坑底土体易隆起变形^[1], 坑外水土压力造成基坑支护结构和周围既有构筑物发生水平位移。当深基坑施工遇到地下水时, 基坑内部降水能够减少地下水的影响, 但改变了土体内部力学平衡状态, 孔隙水压力的减小转变为相应的有效应力增大, 而且形成降水漏斗后水力梯度增大, 产生作用在土体上的渗流力, 综合造成了基坑周围土体变形^[2]。而既有高架桥桩对基坑开挖降水响应更加敏感, 主要是因为显著的水平地层移动使桩基内部产生较大的挠曲和弯矩, 桥桩因此产生水平位移和不均匀沉降, 导致上部结构变形功能失效^[3]。因此, 分析基坑开挖降水后临近高架桥桩的变形机理, 提出可行的降水及开挖变形控制对策具有一定实际意义。

近年来, 国内外学者大量研究了基坑降水及开挖的影响。主要方法可分为理论分析^[4-6]、试验模拟^[7-9]、现场实测数据论证及数值解析法^[10-12]。HUANG Ming等^[13]提出了一种计算基于弹性半空间Melan解的深基坑开挖后地表沉降的新解析方法, 分析了基坑开挖后正常固结土土压力变化规律, 建立了考虑基坑开挖卸荷影响下的弹性位移的计算模型。Ye Shuang-Xu等^[14]建立了上海软基地区基坑开挖降水导致的地表沉降计算模型, 总结了土层分层的沉降特征。XU Ping等^[15]为分析黄河冲击地貌地区地铁车站深基坑开挖对周围的影响, 及时测量和分析施工过程中的地下水位、地面沉降和土层水平位移。胡斌等^[16]结合BP神经网络预测分析、FLAC^3D数值模拟和现场监测手段, 分析了武汉地铁街道口车站施工期间其上跨高架桥墩受到的影响。杨科等^[17]对在室内取上海地区第④层土模拟得到基坑开挖后侧向和轴向卸荷下的应力路径, 根据室内实验结果和现场实测数据, 分析了上海地区基坑的变形特征和坑外土体扰动变形规律。

以上研究侧重于分析基坑开挖后周围土体或临近既有建筑物的响应规律, 单纯应用水土分算或水土合算的土力学原理而没有考虑孔隙水渗流场的变化^[18], 忽略地下水与土体的渗流应力耦合作用, 这对计算结果有很大的影响。因此, 本研究依托福州某涵洞深基坑工程, 建立应力渗流耦合三维有限元模型, 基于该数值模型, 研究基坑降水开挖下地表及高架桥下部结构变形规律, 并进行了优化降水方案效果分析, 减少降水带来的影响。

福州某涵洞基坑开挖深度为19.2 m, 分5次开挖, 分别开挖2.5, 3.8, 5.8, 3.6, 3.5 m。支护采用地下连续墙结合内支撑系统, 地连墙厚度1 000 mm, 嵌入土体深度34 m。基坑顶部施作1道混凝土支撑, 内部分别从上到下施作3道钢支撑。通过设置2道格构柱和坑底设置2道抗拔桩增加支护结构稳定性。基坑下穿既有高架桥梁, 具体结构及其布置见图 1。

图 1 基坑和高架桥桩纵断面图(单位:m) Fig. 1 Longitudinal section of foundation pit and viaduct piles(unit:m)

根据地质水文勘察结果, 场地所处地层从上到下共有五层土, 分别为:①人工杂填土, 厚2.5 m; ②黏土, 厚11.4 m; ③粉土, 厚9.7 m; ④粉细砂, 厚5 m; ⑤强风化砂岩, 厚3.6 m; ⑥中风化砂岩, 厚32.8 m。根据测水井测试结果, 该场地为富水区, 静水位埋深位置约为地表以下1 m, 开挖深度在含水层埋深以下, 采取降水措施。

基坑降水过程中的渗流固结作用是指饱和土体在外力作用下引起内部应力变化将一部分孔隙水挤出、土骨架发生变形、土体积产生压密的过程。采用Biot理论来建立流固耦合模型, 三维方程如下:

(1)

(2)

式中, w_x, w_y和w_z分别为x, y和z方向的位移; ε_ν为体积应变; p_w为超孔隙水压力; K_x, K_y和K_z分别为x, y和z方向的土体渗透系数; ∇²为拉普拉斯算子; G为剪切模量; ν为泊松比; u为孔隙水压力; γ为土的重度; γ_w为水的重度。

在施工阶段分析中应用MIDAS GTS中的应力-渗流耦合分析功能, 首先进行渗流分析得到孔隙水压力分布, 再把得到的孔隙水压力反映到将在随后步骤中进行应力分析的总应力/有效应力关系式上, 如此交替迭代得到最终分析结果。

对基坑施工步骤采用有限元软件数值模拟, 建立三维渗流应力耦合模型。模型长360 m, 宽190 m, 高70 m。节点共72 520个, 单元共127 833个, 网络划分见图 2。荷载有自重和结构荷载, 其中结构荷载为将桥面及车辆荷载转化为作用在桥墩的均布荷载。边界约束条件为:顶面设置自由面边界, 左右边界设置水平约束, 底部水平固定。

图 2 三维有限元模型 Fig. 2 Three-dimensional finite element model

分析中, 采用1维梁单元模拟内支撑、格构柱、抗拔桩、桥桩, 采用板单元模拟地下连续墙, 结构本构为线弹性, 参数见表 1; 采用3D实体单元模拟土层, 本构为修正mohr-coulomb模型, 土层参数根据场地岩土勘察报告确定, 见表 2。三维有限元模型见图 2。

计算具体施工过程模拟分步数见表 3。对基坑开挖降水应力渗流耦合三维模型做适当简化具体实现方法为:

(1) 如图 3所示, 基坑减压降水使用瞬态分析, 通过改变节点水头位置来模拟, 降水后形成的孔隙水压力与施工应力耦合。

图 3 降水前后水位 Fig. 3 Water level before and after dewatering

(2) 分析既有高架桥桩对基坑降水及开挖的响应, 模拟初始阶段激活既有桥墩和初始水头单元, 。

(3) 高架桥桩与土之间施加桩界面单元和桩端单元, 模拟桩土的相互作用。在格构柱和抗拔桩底部设置扭转约束, 考虑由于扭转形成的弯曲应力。

(4) 由于土层中存在粉细砂, 经计算降水时产生的渗流应力小于粉细砂层的自身重力, 不考虑产生流砂现象, 避免产生的地层损失影响数值模拟计算。

基坑开挖后坑内土体的卸载必然会导致坑外周围土体的移动, 造成高架桥桩的变形, 基坑施工完毕后模型整体变形云图如图 4所示。分析基坑每一步施工后土体和高架桥桩的响应, 详细了解基坑开挖影响的规律, 对可能出现的问题提出相应的应对措施。

图 4 模型最终变形云图(单位:mm) Fig. 4 Nephogram of final deformation of model(unit:mm)

基坑施工完毕后坑外地表沉降云图如图 6, 从图 6可判断沉降最大值约为32.33 mm, 通过沉降最大值点与地连墙作出垂线AB, 在垂线AB上布置一系列测点, 得到不同施工步骤下坑外地表沉降与随地连墙之间的距离变化曲线如图 7所示, 分析不同施工步骤下坑外地表沉降, 得出结论。

图 6 不同施工步骤下地表沉降 Fig. 6 Ground settlements in different construction steps

图 7 施工完毕后高架桥下部结构的沉降云图(单位:mm) Fig. 7 Nephogram of settlement of substructure of viaduct after construction(unit:mm)

(1) 从图 5可看出, 基坑周围土体的位移场的分布受高架桥墩的影响明显, 距桥墩附近土体沉降值相对远离桥墩土体沉降值较小, 主要因为高架桥桩具有一定刚度, 与隔离桩的作用相似, 能够减少附近土体的沉降。同时, 由于桩土间的包括摩擦、黏结等相互作用, 进一步减少了桥桩附近土体的沉降。

图 5 施工完毕后地表沉降云图(单位:mm) Fig. 5 Nephogram of ground settlement after construction(unit:mm)

(2) 基坑不同施工步骤下坑外地表沉降计算结果虽然数值存在差异, 但总体的沉降发展趋势大致一致, 坑外地表沉降的分布呈现两头小中间大的"勺形"。

(3) 从图 6可以看出, 基坑整体降水引起地表沉降量占总沉降量的比例约32.4%。降水过程中, 由于承压水的消散, 导致孔隙水压力减少, 根据有效应力原理, 坑外土体中的有效应力增加, 土体将会产生沉降; 同时, 由于降水后坑内外将会形成水头差, 导致坑外土体产生向下的渗流应力, 进一步使得土体加密, 增大地表沉降。因此, 进行基坑施工影响性分析时, 需要考虑降水引起的土体沉降。

(4) 基坑降水及开挖过程坑外地表沉降不断增大, 但是增速变缓, 这是因为开挖到一定深度, 地连墙和坑内支撑等围护结构施工, 对坑外地表沉降有一定的控制效果。地表沉降最大值位置由基坑边缘向外移动, 最终出现在距地连墙22 m附近, 其值约32.6 mm。

基坑施工完毕后高架桥下部结构沉降云图见图 8。承台能够协调桥梁桩基的位移, 同一承台下桩基位移场演变相似, 故提取各个施工步骤下各桥墩的墩顶中心点沉降变形结果见图 9, 间接反映高架桥桩的沉降。

图 8 不同施工步骤下各桥墩的墩顶中心点沉降 Fig. 8 Settlements at center point of pier top in different construction steps

图 9 施工完毕后高架桥下部结构水平位移云图(单位:mm) Fig. 9 Nephogram of horizontal displacement of substructure of viaduct after construction(unit:mm)

根据图 7, 施工完毕后离基坑较近的2、3号桥墩竖向沉降值大致相同, 约19.84 mm, 施工完毕后离基坑较远的1、4号桥墩竖向沉降值大致相同, 约13.51 mm。由于坑外土体的沉降, 桥桩与土体之间桩端阻力变小, 导致桥桩产生向下的沉降, 并且沉降规律与坑外土体规律相同, 距离基坑越远, 桥桩的沉降越小。

根据图 8, 基坑降水引起的桥桩竖向沉降约占桥墩最终总沉降量的48.8%, 且随着基坑降水开挖逐渐增大。第4次开挖之前, 桥桩沉降值增幅较大, 之后增大的趋势趋于平缓, 这是因为基坑支护体系逐渐发挥作用, 有效地限制了周围土体的变形。

桥桩和土接触, 由于基坑开挖降水导致土层的水平移动, 产生的周围水土压力使桩基内部产生较大的挠曲和弯矩发生水平位移。图 9给出了施工完毕后高架桥下部结构水平位移分布, (正值代表位移指向基坑方向, 下同)。可以看出, 桩体的横向水平位移上部相比下部大, 且距离基坑较近的桩体水平位移较大。各高架桥墩4根单桩不同施工步骤下的平均水平位移分布曲线见图 10, 分析得出以下规律

图 10 不同施工步骤桩体平均水平位移 Fig. 10 Average horizontal displacements of piles in different construction steps

(1) 对比各桥墩桩体水平位移, 可以发现基坑两侧对称桥墩桩体平均水平位移数值上大致相同, 方向相反, 都指向基坑。

(2) 1、4号桥墩桩体水平位移最大值在桩顶, 且桩体各点的水平位移随着各桩深度的增加而逐渐减小, 呈现上端大下端小的变形形态; 2、3号桥墩桩体水平位移最大值在桩体中部, 桩体各点的水平位移随着各桩深度的增加先增大后减小, 呈现中间大两端小的变形形态。1、4号桥墩相对2、3号桥墩, 距基坑边缘较远, 受基坑开挖降水影响较小, 其桩体水平位移较小。

(3) 基坑采取的是坑内一次整体降水(降至坑底以下1 m), 基坑降水阶段地连墙和内支撑系统尚未施作, 因而导致降水引起的桩体水平位移占比很大, 达到了49.0%。另外, 随着基坑不断向下开挖, 桩体水平位移逐渐增大, 最大水平位移从桩顶不断下移, 最终出现在坑底开挖面位置附近。

对该工程项目进行的监测项目包括(1)围护结构变形; (2)地表沉降; (3)桩顶位移。在桥墩中心共布置4个测点, 沿着地表测线AB每3 m布置一个测点, 共20个, 具体监测测点布置见图 11。

图 11 监测测点布置 Fig. 11 Layout of monitoring points

图 12给出了坑外地表沉降监测数据与数值模拟的结果对比。由图可见, 实测数据略大于数值模拟, 最大值相差约4 mm, 为这是由于在模拟时做出的相关假设, 其计算的结果是保守的。但数值模拟结果与实测数据变化趋势基本一致, 对于实际工程具有较强的参考意义。

图 12 地表沉降监测点实测与模拟结果对比 Fig. 12 Contrast of measured ground settlement at monitoring point and simulated ground settlement

基坑一次降水引起的地表沉降及高架桥桩变形显著, 为减少降水带来的影响, 模拟了分次降水, 即每次开挖土体前, 将坑内水位降低至土体开挖面以下1 m, 降水和开挖依次交替进行, 对比优化降水后得变形结果, 探索基坑施工降水最佳模式。图 13给出了不同降水方案下基坑施工完毕后最终坑外地表沉降, 图 14给出了不同降水方案下1、2号桥墩4根单桩最终平均水平位移分布曲线。

图 13 不同降水方案的地表沉降 Fig. 13 Ground settlements in different dewatering schemes

图 14 不同降水方案的1、2号桥墩桩体平均水平位移 Fig. 14 Average horizontal displacements of piles of piers 1 and 2 in different dewatering schemes

(1) 由图 13可知, 相对于一次整体降水, 分次降水所对应的最终坑外地表沉降有一定幅度降低, 最大沉降降低幅度为15.4%, 且距离地连墙越远, 降低的幅度逐渐减小。

(2) 通过对比图 14(a)、(b)可知, 分次降水后1、2号桥墩桩体平均水平位移都有一定程度降低, 离基坑较近的2号桥墩相对离基坑较远的1号桥墩降低幅度大, 桩身中上部较下部降低幅度大。其中1号墩及2号墩桩身最大水平位移降低幅度分别为29.4%和23.2%。

(3) 一次降水时基坑没有开挖, 只存在地层和桥桩的初始应力; 分次降水时基坑开挖一次后降水一次, 基坑开挖土体卸载后坑底会产生向上的应力, 改变了应力路径, 分次降水后的固结状态相比一次降水将会改变, 导致土体沉降减少。

(1) 基坑降水及开挖后, 降水引起的坑外地表沉降量占总沉降量32.4%, 坑外地表沉降呈"勺形"分布, 且随开挖深度不断增大, 最大值的位置逐渐外移。

(2) 基坑降水过程后, 降水引起的桥桩沉降量占总沉降量48.8%;距基坑近桥桩沉降相对较大, 且随施工过程不断增大, 但增加的速度变缓。

(3) 基坑施工完毕, 离基坑较近的1、4号桥墩桩体水平位移随深度增加而减小, 呈现上端大下端小的变形形态, 最大水平位移发生在桩体顶部; 离基坑较远2、3号桥墩桩体水平位移随深度的增加先增大后减小, 最大水平位移发生在桩体中部, 呈现"S"形分布。

(4) 采用分次降水控制基坑施工对临近桥桩影响的效果明显, 地表沉降及桥桩水平位移都有一定程度减小, 尤其桩基承台顶部水平位移减小幅度明显。