深基坑开挖对邻近高架桥基础的影响研究.pdf

7 8 江苏建筑 2 0 1 4年第 4期 总第 1 6 3期 深基坑开挖对邻近高架桥基础的影响研究 谭新飞 韩爱民 南京工业大学交通学院 江苏 南京 2 1 0 0 0 9 摘 要 对昆山市中诚商务广场深基坑开挖对邻近轻轨高架桥的影响进行了分析研究 简要介绍了该基坑工程的概况 利用有限元方法建立工程模型 进行施工模拟 分析其对邻近轨道交通高架桥 的影响 结果表明 采取的加 固措施 能有效控 制 高架桥的变形 保护邻近高架桥 的安全 关键词 基坑工程 高架桥 有限元模拟 变形 加固措施 中图分类号 I U 4 6 3 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 5 6 2 7 0 2 0 1 4 0 4 0 0 7 8 0 5 I n fl u e n c e R e s e a r c h o f D e e p E x c a v a t i o n o n Ad j a c e n t V ia d u c t F o u n d a t io n T AN Xin f e i HAN Ai min C o l l e g e o f T r a n s p o r t a t io n S c i e n c e E n g i n e e r in g N a n j in g U n iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 C h i n a A b s t r a c t I n t h e C o m m e r c e S q u a r e K u n s h a n C i t y d e e p e x c a v a t i o n o n a d j a c e n t r a i l v ia d u c t w e r e a n a l y z e d in t he pa p e r Bri e f o v e r v ie w o f t h e e x c a v a t io n is in t r o d uc e d t he f in it e e l e me n t me t h o d is u s e d t o e s t a b l is h e n g in e e ri n g mo d e l f o r c o n s t r u c t io n s im u l a t io n it s im p a c t o n t h e a d j a c e n t r a il v ia d u c t is a n a l y s e d T h e r e s u l t s s h o we d t h a t s t r e n g t h e n in g t h e me a s u r e s t a k e n c a n e f f e c t iv e l y c o n t r o l t h e d e f o r ma t i o n o f t h e v ia d u c t t o p r o t e c t t h e s a f e t y o f n e ig h b o ri n g v ia d u c t Ke y wo r d s e x c a v a t i o n v ia d u c t f in it e e l e me n t s imu l a t io n d e f o r m r e in f o r c e me n t 0 引言 轨道交通 I 的发 展使得基坑 开挖工程受 到了更严格 的 环境制约 由于轻轨 高架线近似于无 限的连续桥梁 加上荷 载不同于普通道路桥梁 其不仅受力较 为复杂 且对过大的 沉降和差异沉降较为敏感 基坑开挖一方面会引发周围土 体位移导致土体发生不均匀沉降 由此导致上部结构的变 形 另 一方 面 土体水平位移过大就会使邻近桩基础I 2 3 1 产生 附加 的挠 曲变形和弯矩 当弯矩 和变形过大 时 桩基础就会 发生破坏导致上部结构的毁坏 在 国外 由于基坑开挖引起 的地层移动导致邻近桩基破坏 的事故屡有报道 国内外岩土学者就深基坑开挖对邻近建筑物的影响开 展 了研究 P 0 u l 0 s 等 4 帔 平面应变 问题分析基坑 开挖对临近 桩基 的影 响 S J B o o n e等tz li 究 了基坑开挖对邻近建筑物 的影响 袁正辉旧 研 究施工过程 预加轴力 以及支护体系刚 度不 同的情况下 支护结构变形 以及基坑周围地层移动对 桥桩变形 的影 响 张鸿儒 7 等研究 了深开挖 引起周 围地层位 移对地下 工程设施 的影 响 陈福全 S l研究用有 限元法对排桩 支护基坑 开挖过程 进行数值模拟 分析 了基坑开挖时影响 邻近桩基 的各 种因素 本文 依托昆山市某基坑工程 采用 弹塑性有 限元I9 10 1方 法 构 建了模 拟基坑开挖过程的数值模型 基 于该数值模 型 研究深基坑开挖对邻近高架桥基础的影响 并讨论 了控 制邻 近基 坑的高架 桥变形措施 1 工 程 概 况 该基 坑 工 程 地 下 室 为 2层 地 下 室 总 建 筑 面 积 为 2 0 2 0 9 8 0 m2 其 中一 1 F地 下 室建筑 面积 为 1 0 1 5 1 4 0 m2 一 2 F地下室建筑面积为 l O o 5 8 4 0 m 2 地下室外轮廓 线较规 则 地下室形状 为规则 的矩形 周长约 4 4 0 m 总 面积约 1 0 5 0 0 m 2 本项 目 0 0 0标 高相 当于吴淞高程 4 6 5 0 m 自 然地 面高程约为 4 0 0 0 吴淞 高程 基坑 普遍坑 底标 高 一 l O 2 O 0 m 主楼坑 底标 高一 l 1 0 0 0 m 基坑 挖深 9 5 5 m 1 0 3 5 I n 综合本基坑挖深 周 边环境等 因素 基坑安全等级 为二级 重要性 系数 1 O 基坑北侧 7 7 m以外 为光 明路 路 中央 为上海地铁 l 1号线轻轨 高架距 离围护结 构 约 3 3 m 桥桩基础均采用 1 6根 中8 0 0 m m 钻孔 灌注桩 桩长 5 2 In 5 7 m 桩的承载类 型是端承摩擦 桩 桥梁跨度 7 x 3 0 In 影响 范 围内 基坑距离轻轨高架桥 墩中心最近为 3 3 m S 4 桥 桩桩长 5 7 m 承台长宽均为 7 2 m 基坑与桥桩关系剖面图 见图 1 收稿日 N1 2 0 1 4 0 5 0 6 作者简介 谭 新 飞 1 9 8 7 一 南 京 工 业 大 学 交 通 学 院 硕 士 生 主 要 从 事 深 基 坑 工 程 方 面 研 究 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 4期 总第 1 6 3期 图 4 基坑沉降点平面布置 图 S MW 工法 桩 二道混 凝土支撑 的围护结构前 提下 基坑 开 挖对 邻近桥 桩的影 响主要 体现 在引起 桥桩 的竖 向变形 上 邻 近桥桩 最大沉降为 2 1 6 m m 因此 基坑开挖对 邻近 高架桥 桩的影响很小 采用 的基坑支护方案能满 足基 坑开 挖 对周 围建筑物保护 的要求 2 5 工程实测值与计算值对 比分析 基坑施工过程 中 在 l 一 1 断面上布置 了 2 个沉降观测点 D T 6和 D L 5 分别 观测此断面上 的高架桥墩 S 错 和靠基 坑边缘侧道路 D L 5 沉降情况 基坑测点布置如 图 4所示 图 5给 出了 S 钳 桥桩在不 同开挖工况下 的沉降 图 6 给 出了 1 一 l 断面上一个道路观测点 的沉降情况 从图 5和 图 6可以看出 计算 得到的桥桩以及周 边地 表沉降变化情 况与监测结果基本吻合 说明有限元模 型能够较好地模拟 施工 中的实际情况 计算结果 真实可靠 3 高架桥受影响分析 由实测结果和有限差分法模拟结果均可看 出 基坑 的 开挖使邻近土体 的应力场发生 了改变 进而对桥桩产生 了 不同开挖工况 2 图 5 D T 6沉 降点监测结果与模拟结果对 比 不同开挖工况 图 6 D L 5沉降点监测结果与模 拟结果对 比 一 定程度 的影 响 为 了进一步研究基坑开挖引起 的周围土 体变形对 附近桥墩产生影 响的机制 利用有 限差 分数值模 型进行 了仿真分析 3 1 对高架承台的影响 图 7为承台不同位置处 的沉降量随基坑 开挖 的变化情 况 由图中可以看出 基坑开挖过程 中 沉 降量最大值发生 在距离基坑最近的承台点上 且距 离基 坑越 远 沉降值越 小 承台总体呈现倾斜状态 根据计算承 台随着基坑开挖到 底的过程中 承 台最大倾斜率 为 2 5 x l 0 5 倾斜角 度非常小 表 明基坑开挖过程 中 高架 承台受 到的影 响很 小 不影 响高 架 的正常使用 3 2 对高架桥桩的影响 选取距离基坑最近的 s 4 桥墩 当基坑开挖到坑底 s 4 桥桩桩身水平位移情况如图 8 所示 其 中按照距离基坑从远 到近 将桥桩划分为 1 2 3 4 挣 如图 1 由图中所示 沉 降最大值均发生在桥桩顶部 最大值为 2 1 6 m m 4 且距 离 图 7 承台不 同位置处沉降变化情况 H 宝 掩 苜 I 世蛙懈震 1 d m M u 且 蟋蜷端 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 4期 总第 1 6 3期 冒 冀 羹 柝畦沉降量 珈 m O n 2 O J 0 6 0 8 1 2 6 1 8 2 m 2 2 图 8 桥 桩不同深度的沉降量 基坑越远桥桩变形越小 这是 由于桩顶上端 承台不均匀沉 降引起的 桩体整体沉降较小 不影响高架结构安全适用 3 3 附加沉降 为了研究 距基坑不 同距离处 的桥桩所 受 的变 形情 况 改变桩 的位 置 对桩与基坑 距离为 5 m 1 0 m 1 5 m 2 0 m 2 5 m 3 0 m 3 3 m 3 5 m 的不 同情况进行计算 图 9为桥 桩到基坑的距离不 同时桥桩 的沉 降位移变 化情况 由图中 可以看出基坑施工引起 的沉 降随着桥 桩距 离基坑 的由远 及 近呈现递减的变化趋势 距离基坑最 近的桥桩最大沉 降大 小为 2 8 mm左右 而距离基坑 3 3 m处的沉降为 2 1 mm左 右 沉 降较小 满足工程安全要求 在有效的支护结构下 在 距离基坑 的距离大 于 l 倍 的开挖 深度 时 桥桩 的变形小 于 2 5 mm 可认 为基坑开挖 对桥桩影响很小 4 控制措施 根据上文研究可 以发现 在到基坑距离一 定时 桥 桩的 附加 内力与基坑外 土体 的沉 降呈线性关系 基坑外 土体变 形引起邻近桥桩产 生变 形 因此为保证基坑工程本 身和其 邻近桥桩 的安 全 需要严格控制基坑外 土体位 移 根据地层 损失法 基坑周 围土体 的位 移是完全 由围护墙体侧 向位移 桥桩到基坑距离 岫 0 5 l 0 I 5 2 5 3 o 3 5 图 9 桥桩到基坑不 同距离处桥桩的沉降值 支撑刚度变化 日 0 柏 柚l0 0 I 2 o l 4 o 1 6 o I 2 0 0 2 2 0 图 1 O不 同支撑刚度下桥桩变形 引起 的 所 以可 以采取改变钢支撑 的剐度 改变围护墙体 的 刚度及 改变 土体 的强度 3种措 施来控 制邻 近高 架桥 的变 形 在有限差分法的模型中 通过分别调整 支撑梁 刚度 围 护墙体刚度和土体 的参数 可模拟不 同设计方案下基坑 围 护结构和土体 的位移情况 进而研究不 同工程措施对减 小 基坑及周 围土体位移 的作用效果 表 3 不同支撑刚度条件下分析结果 i 鞋蜉辑 J 5佃侣萄2 口 暂葛 舾蛳冀船蝤 眈 也 协 拈 I 叫 鞲 草 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 江苏建筑 2 0 1 4年第 4期 总第 1 6 3期 圄护墙刚度变化 日 0 2 0 帅 6 0 l l 加l 柏I 6 0 l 8 0 加 图 l 1 不 同围护墙 刚度条件下桥桩变形 土体强度变化 q 0 2 0 4 o 6 0 8 0 l 0 0 l 加1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 圈 l 2 不 同土体强度条件下桥桩变形 从 以上计算结果可以看出 随着墙体 刚度 支撑 刚度和 土体强度的提高 都 能有效 限制 围护墙体 和周边 地表变形 桥桩 的水平位移和土体 的沉降有所减小 由此可见 上述方 法均可减小深基坑开挖对邻近桥桩 的影响 5 结论 本文采用 A B A Q U S有限元数值模拟软件 以中城广场 深基坑开挖工程为依托 研究 了深基坑变形规律和深基坑开 挖对邻近高架基础的影 响 通过有限元软件模拟数据和实测 数据做了对比分析 结果基本一致 该模 型很好地模拟了分 步开挖过程 中基坑和高架桥的变形规律 得 出以下结论 1 在基坑施工过程 中 周围地表沉 降主要 因为基 坑开 挖释放 了土体侧 向约束 随着分布开挖后基坑深 度逐 渐增 加 基坑周围地表沉降变形越来越大 在距离基坑边缘 约 1 5 倍 的基坑深度距 离达 到最 大值 最大沉 降位置 主要由周围 建筑物等地 面超载 的位置决定 支护结构对周 围地表 沉降 发展起到 了很好的抑制作用 土体力学性质对地表沉降变 形亦有重要意义 2 基坑开挖对邻近高架桥承台沉降位移产生 的影响 大于水平 承 台总体呈现倾斜状态 根据计算 承台随着 基坑 开挖到底 的过程 中 承 台最 大倾斜率 为 2 5 x 1 0 倾 斜角度 非常小 桩基础限制 了承台和周围土体的变形表 明基坑开 挖对邻近轻轨高架的影响很小 3 计算 了桥桩距基坑不 同距离时 基坑施工引起 的桥 桩沉降量变化 分析结 果表 明 当桥桩距基坑的距离大于 l 倍 的基 坑深 度时 桥桩 的沉降 小于 2 5 mm 可 以认 为基坑 开挖对桥桩基本无影响 4 分 析了混凝 土支撑 刚度 围护墙体刚度 和土体 强度 对减小基坑及周 围土体位移的作用效果 为保护邻 近基坑 的高架桥提供 了工程措施 参考文献 1 刘朝 明 轨道 交通工程风 险远 程控 制浅析 c 大直径 隧 道 与 城 市 轨 道 交 通 工 程 技 术 2 0 O 5上 海 国 际 隧 道 工 程 研 讨 会 文 集 2 0 0 5 2 黎科 深基坑开挖对邻近桥桩 的影响研究p 天 津大学 20 0 7 I 3 张羽 基坑 开挖与邻近桩 基础的相 互影响分析 同济 大学 2 0 0 7 4 P OUL OS H G C HE N L T P i l e r e s p o n s e d u e t O u n s u p p o e d e x c a v a t io n i n d u c e d l a t e r