道路受基坑开挖影响沉降变形的有限元分析.pdf

2442023年4月江西建材工程技术与应用道路受基坑开挖影响沉降变形的有限元分析王龙生安徽省地质矿产勘查局3 2 1地质队，安徽铜陵244000摘要：文中以某医院建筑基坑开挖工程为例，基于该工程地质地形参数和荷载作用情况，通过有限元计算方法及模型分析基坑开挖对已有道路结构沉降变形的影响，最终证明，基坑开挖深度、锚索竖向间隔及预应力大小、车辆荷载均会对路基顶面竖向变形程度及深层水平方向变形程度造成影响，相关研究可为建筑项目基坑开挖提供参考。关键词：基坑开挖；道路沉降变形；有限元计算方法中图分类号：TU753；U 418文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 2 44-0 3Finite Element Analysis of Settlement Deformation ofRoad Affected by Foundation Pit ExcavationWang LongshengAnhui Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration 321 Geological Team,Tongling,Anhui 244000Abstract:Taking the foundation pit excavation project of a hospital building as an example,based on the geological and topographicparameters and load action of the project,this paper analyzes the influence of foundation pit excavation on the settlement deformation ofexisting road structures through the finite element calculation method and model,and finally proves that the excavation depth of foundationpit,the vertical spacing and prestress size of anchor cables,and the vehicle load will affect the vertical deformation degree of the subgrade topsurface and the deformation degree of the deep horizontal direction,Relevant research can provide reference for excavation of foundation pitsin construction projects.Key words:Foundation pit excavation;Road settlement and deformation;Finite element calculation method0引言如果在已有道路周边进行基坑开挖作业，临近基坑开挖工程一侧的道路路基会逐渐变为高路堤，从而产生沉降变形现象，变形会随着基坑开挖深度的增加而不断增加，最终形成路面病害，降低路线等级 1。由此可见，施工方有必要对已有道路结构在基坑开挖作业过程中的沉降变形规律及特征进行研究，尽量控制和规避基坑开挖对已有道路结构的影响，降低道路出现沉降变形问题的概率 2 。1工程概况1.1水文地质条件某医院建筑基坑开挖工程东侧紧邻已有城市道路，北侧紧邻临时道路及高层建筑，西侧和南侧均紧邻低层建筑，为一级基坑。本文探究基坑开挖对城市道路结构沉降变形的影响3)。经勘察发现，该基坑为剥蚀残丘地貌，地层分布依次为人工填土层、第四系坡洪积粉质黏土层、元古界板岩层、强风化板岩层、中风化板岩层，物理力学指标参数如表1所示。表1基坑物理力学指标参数统计表密度/（g/cm）弹性模量/MPa厚度/m泊松比人工填土层1.8557.500.40强风化板岩层2.126240.20中风化板岩层2.328一0.20作者简介：王龙生（19 8 8-），男，河南新乡人，本科，工程师，主要研究方向为工程测量、无人机航测。地层钻探可见地下水，主要为人工填土层、第四系坡洪积粉质黏土层的上层滞水。1.2基坑支护方案设计该基坑开挖工程东侧已有城市道路路基为岩土体，不存在可共用的建筑构造物，加之需要满足一级基坑安全系数要求，基坑支护只能选择锚拉式支护结构 4。锚拉式支护结构由锚索和支挡结构构成，该基坑开挖工程人工填土层深度较深，达到7 m，且为弱透水层，选择单排桩支挡结构能够有效降低施工难度及造价成本。因此，项目方最终确定锚索+单排桩的基坑支护方案 5 1,锚索数量为5 根，单排桩直径为1.2 0 m。2模模型构建及参数选取2.1模型选取本次有限元分析软件为Plaxis，有限元分析模型为15 节点平面应变模型 6 。本次有限元分析假设条件包括：（1）不计雨水对该基坑开挖工程地质条件的影响；（2）有限元分析模型自上而下的地层分布为人工填土层、强风化板岩层、中风化板岩层。2.2模型锚索及单排桩参数选取应用板单元模拟方法完成单排桩模型参数选取，设定单排桩材料属性为弹塑性，单排桩与土体接触属性为刚性接触，单排桩与土体接触厚度为0.10 m，设定t为相邻单排桩间距（m），D为单排桩直径（m），（D+t）为与单排桩长度相等的连续墙(D+t)h3TD4的长度（m），通过抗弯刚度相等算法（），可以得12642452023年4月江西建材工程技术与应用1到连续墙厚度=0.8 3 8 D3。该基坑开挖工程单排桩直径为+D1.20m，由此可得，连续墙厚度为0.8 3 m。借助点对点锚索单元模拟方法完成锚索自由端模型参数选取，通过土工格栅单元模拟方法完成锚索锚固端模型参数选取，设定锚索与板单元连接方式为铰接，自由端为锚索预应力施加点，锚索预应力为3 5 0 kN，锚索两侧应用水平约束方式，锚索底端应用竖向约束方式。在此基础上，通过室内试验确定模型锚索及单排桩参数，具体如表2 所示。表2 模型锚索及单排桩参数统计表重量（kN/m）抗弯刚度（kN/m）轴向刚度（kN/m）单排桩17.844.5 1067.5 106锚索锚固端一2 106锚索自由端2 1052.3模型车辆荷载及局部路基参数选取按照45 的荷载扩散角将车辆荷载换算成均布荷载，车辆荷载在该基坑邻近土体中的作用情况如图1所示。车辆荷载与基坑距离为a，车辆荷载宽度为b，车辆荷载为Po，车辆荷载扩散角为，均布荷载作用的深度为Z，均布荷载作用的宽度为C。将等效后的作用线、路基顶面荷载作用线、右侧荷载扩散角右边线、左侧荷载扩散角左边线包裹的区域作为模型的局部路基，具体如图2 所示。已有道路与基坑距离为a，车道宽度为b，车辆轴载为Po，路基深度为Za，路基顶面宽度为c，该基坑开挖工程中的a为3 m、b 为7 m，由此可以得到c为13 m、Z a 为3 m、均布荷载为3 0 kN/m。在此基础上，基于城市主干道路基回弹模量3 0 MPa、次干道路基回弹模量2 0 MPa的设计标准，模型局部路基参数具体如表3 所示。表3模型局部路基参数统计表弹性模量/MPa厚度/m泊松比3030.353基基坑开挖对道路沉降变形的影响分析将单排桩到已有道路中间位置竖向深度3 3 mm左右的横向深层水平方向变形量/mm0一2203040-6-8-10-12-14深度4m-16深度8 m-18深度12 m-20深度14m-22-24-26-28-30-32-34-36图1路基深层水平方向变形曲线图位移作为已有道路的路基深层水平方向变形，将已有道路右路肩到左路肩的竖向位移作为路基顶面竖向变形。对比分析该基坑开挖前后的变形情况，可以得到如下结论：（1）已有道路路基存在竖向变形；（2）基坑支护结构存在横向变形，且两端变形程度较小，中间变形程度较大；（3）基坑底部存在竖向变形。3.1基坑开挖度对道路沉降变形的影响设定基坑开挖深度分别为4m、8 m、12 m、14m。通过有限元分析软件及模型绘制路基变形曲线，具体如图1、图2 所示。由图1可以得到如下结论：（1）路基深层水平方向变形随着基坑深度的加深先增大后减小；（2）基坑附近的路基深层水平方向变形最大；（3）当基坑开挖深度为14m时，路基深层水平方向变形最大，能够达到3 0 mm。距离基坑距离/m05101520-2-4-6一深度4m-8一深度8 m一深度12 m-10一深度14m12-14-16-18-20图2路基顶面竖向变形曲线图由图2 可以得到如下结论：（1）在路基顶面范围内，路基顶面竖向变形随着基坑深度的加深而增大，路基顶面竖向变形最大的位置随着基坑深度的加深而向基坑边缘方向移动；（2）当基坑开挖深度为14m时，路基顶面竖向变形最大，能够达到16mm；（3）当基坑开挖深度为12 m时，路基顶面竖向变形率最大,为0.1%。通过有限元分析可以得到如下结论：（1）路基深层水平方向变形、路基顶面竖向变形均在可控制范围内；（2）该基坑开挖工程涉及已有道路的路基顶面竖向变形敏感度要高于路基深层水平方向变形；（3）随着路基顶面竖向变形的加大，已有道路的平整度会减小，性能会下降；（4）随着路基深层水平方向变形的加大，已有道路会出现路基失稳现象。3.2锚索竖向间隔及预应力大小对道路沉降变形的影响设定第一处锚索竖向间隔为2.40 m，随后等距增加，锚索竖向间隔分别为2.5 0 m、3 m、3.5 0 m，对应的锚索预应力分别为250kN、3 0 0 k N、3 5 0 k N、40 0 k N。基于有限元分析软件及模型路基变形曲线，得到如下结论：（1）在锚索预应力不变的条件下，路基顶面竖向变形、路基深层水平方向变形均随着锚索间距的增加而加大；（2）在锚索间距不变的条件下，路基顶面竖向变形、路基深层水平方向变形均随着锚索预应力的增加而减小；（3）当锚索间距在H锁300kN。通过有限元分析可以得到如下结论：路基深层水平方向变形、路基顶面竖向变形均在可控制范围内；随着锚索间距的增加，锚索支护效果会下降；该基坑开挖允许施工误差，将锚索间距控制在2.5 0 3 m即可。3.3车辆荷载对道路降变形的影响设定车辆轴载分别为10 0 kN、12 0 k N、140 k N、16 0 k N、18 0 k N，通过有限元分析软件及模型绘制路基变形曲线，得到如下结246上接第2 43 页）上接第2 41页）2023年4月江西建材工程技术与应用论：（1）路基顶面竖向变形、路基深层水平方向变形均随着车辆荷载的增加而加大；（2）路基顶面竖向变形程度大于路基深层水平方向变形程度。通过有限元分析可以得到如下结论：（1）计算数据无法完全符合实际情况；（2）实际车辆轴载需要16 0 kN。4结语通过案例基坑开挖对道路沉降变形影响的有限元分析试验，本文得到如下结论。（1）路基深层水平方向变形随着基坑深度的加深先增大后减小，路基顶面竖向变形随着基坑深度的加深而增大。（2）在锚索预应力不变的条件下，路基顶面竖向变形、路基深层水平方向变形均随着锚索间距的增加而增加；在锚索间距不变的条件下，路基顶面竖向变形、路基深层水平方向变形均随着锚索预应力的增加而减小。（3）路基顶面竖向变形、路基深层水平方向变形均随着车辆荷载的增加而增大。限内可以正常工作。5结语本文以祁连山水泥有限公司某既有跨越铁路的大跨度皮带通廊廊身钢桁架结构为案例，对长期粉煤灰环境下既有胶带机廊身型钢结构进行静载试验研究，通过分析得出以下结论。（1）1/2 荷载和满载工况下，挠度、应力的实测值均小于其理论计算值。（2）该既有胶带机通廊廊身型钢结构构件材料的应力最大工作值远小于其屈服强度2 3 5 MPa。（3）各静载作用下，皮带廊廊身挠度校验系数小于1，皮带廊廊身结构构件的挠度、应力试验值小于其理论计算值，可以确定皮带廊廊身结构、构件、支座无损伤。参考文献1 美姜迎秋.工业皮带运输通廊钢桁架腐蚀损坏状况和处理对策J：工业建筑，19 9 5,2 5（10）：3-7.2梁军.洛阳水泥厂2 皮带廊改造工程的设计【C.北京：建筑科技与管理学术交流会论文集，2 0 13：3 7，2 4.3张锡兵.某选矿厂皮带通廊胶带机钢析架检测及处理【J.工业的相关理论，为今后的类似工程作业提供经验参考。参考文献【1】高健利.铝合金模板高大模板施工技术在某超高层建筑中的应用J】.建筑技术开发，2 0 2 2，49（2 1）：9 5-9 6.2陈志文.高大模板施工中出现的技术问题及解决方案研究一一以凤竹纺织安东新厂染整车间二项目为例J.中国建筑装饰装修，2022(21):147-149.3林辉.探究高大模板施工技术在大型公共建筑施工中的应用J建设科技，2 0 2 2（18）：6 5-6 8.4引张冲.某厂房工程高大模板施工技术应用以某农业产业融参考文献【1】张俊杰，高林静，范兆东，等，洛阳龙门地铁站狭长深基坑变形规律及控制措施分析J】.河南科技大学学报：自然科学版，2 0 2 2，43（6):8-9,5 9-6 6.2易领兵，杜明芳，孟旭央，等.地铁深基坑施工对超近距互通式立交桥基础变形的影响J合肥工业大学学报：自然科学版，2022,45（6):7 8 5-7 9 2.3周启宏。深基坑开挖对既有建筑物的沉降变形影响分析【J】.住宅与房地产，2 0 2 1，6 3 3（3 4）：18 4-18 5.【4于季，邱世民.矿山深基坑开挖对地层沉降变形影响的参数敏感性分析J】.世界有色金属，2 0 19，5 3 7（2 1）：2 5 1-2 5 3，2 5 5.【5 马韩丹.基坑开挖对管线沉降变形的影响与分析J】.四川建材，2018,443):77-79.【6 方诗圣，张振，郭杨，等.深基坑开挖对周围高层建筑沉降变形的影响分析J.建筑技术，2 0 14，45（7）：5 9 2-5 9 5.安全与环保，2 0 0 4，3 0（4）：113-116.【4曹滨，许庆，六玉台.某高炉超长主皮带通廊钢结构性能评价J.工业建筑，2 0 19，49（2）：17 9-18 3.【5 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