基于渗流-应力耦合分析的基坑开挖对既有桥墩位移的影响.pdf

-119-基于渗流-应力耦合分析的基坑开挖对既有桥墩位移的影响赵 娜（中铁上海设计院集团有限公司南京设计院，江苏 南京 210000）摘要：以扬州市某深基坑工程为背景，利用Midas GTS有限元软件，模拟了不考虑渗流和考虑渗流-应力耦合两种情况下基坑开挖数值模拟，对比计算分析了两种情况下深基坑开挖对既有高铁桥墩墩顶和承台的水平向和沉降方向位移的影响，得出渗流是影响深基坑变形的重要原因。关键词：基坑降水；渗流；应力耦合；有限元中图分类号：U416.217文献标识码：AInfluence of foundation pit excavation on displacement of existing bridge piers based on seepage-stress coupling analysisZHAO Na（Nanjing Design Institute of China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Jiangsu Nanjing 210000 China）Abstract：BasedonadeepfoundationpitprojectinYangzhoucity,MidasGTSfiniteelementsoftwareisusedtosimulatethenumericalsimulationoffoundationpitexcavationwithoutconsideringseepageandconsideringseepage-stresscoupling.Theinfluenceofdeepfoundationpitexcavationonthehorizontalandsettlementdisplacementofthepiertopandcapoftheexistinghigh-speedrailwaybridgeunderthetwoconditionsiscomparedandanalyzed.Itisconcludedthatseepageisanimportantreasonforthedeformationofdeepfoundationpit.Key words:foundationpitdewatering;seepageflow;stresscoupligt;finiteelement引言当深基坑开挖选在临近各种既有建筑物的地块上，对周围环境的影响不可忽视，尤其是当临近既有高速铁路时。以扬州市GZ143 地块房地产项目深基坑工程为背景，分析了深基坑降水开挖对既有高铁桥墩墩顶和承台的水平向和沉降方向位移的影响，证明了支护方案对深基坑安全起到了有效作用，该支护方案设计及高铁桥墩墩顶和承台的变形规律研究可应用于今后类似工程。1 工程概况1.1 深基坑工程概况拟建项目基坑周长约421m，面积约11500m2。现场地内已整平并已铺设施工临时道路，场地内整平标高约为+6.50m，南侧外侧场地标高约为+7.0+7.80m，筏板垫层底标高为-2.40m，基坑开挖深度为9.8m。基坑与铁路侧中间，距离基坑18.5m位置处存在一道既有地连墙，地连墙深3841m。深基坑平面布置见图1。图 1 深基坑平面布置1#既有高铁2#3#105 m4#5#计算范围既有地连墙基坑北侧和东侧采用“加强型工法桩+二道装配式钢支撑”支护结构，南侧和西侧采用“密插工法桩+二道装配式钢支撑”支护结构，基坑围护结构见收稿日期：2022-10-12作者简介：赵娜（1990），女，江苏南京人，工学硕士，高级工程师，一级建造师，研究方向为桥梁设计、基坑安全评估。赵 娜：基于渗流-应力耦合分析的基坑开挖对既有桥墩位移的影响-120-图2。坑中采用800600高压旋喷桩重力式挡墙，出土口及西北角采用双排桩加强支护。降排水方案：坑外三轴搅拌桩形成封闭止水帷幕，基坑顶设置截水沟。基坑内采用管井降水，坑外设置回灌井。图 2 基坑围护结构钢板桩采用 600 200 10 型，型钢板采用HN7003001324（Q235B），装配式钢支撑主撑和钢围檩采用 HW4004001321（Q345B），盖梁采用HHC400GB（Q235B）。托梁采用HM294200812（Q235B），斜连梁采用25a（Q235B），支撑立柱采用型钢HW3503501219（Q235B），其他钢构件均采用Q235B钢材。1.2 既有高速铁路概况本项目临近的既有高铁为双线电气化高速铁路。线路等级：客运专线；列车设计速度：250km/h；正线线间距：4.6m；有砟轨道。既有高铁桥梁上部结构为32m预制双线简支箱梁。35#39#桥墩下部结构均为圆端型实体墩，墩柱尺寸为6.63.4m，承台尺寸8.95.62.5m，基础采用6根直径1.2m钻孔灌注桩。2 基坑降水对既有桥墩的有限元模型2.1 模型介绍采用有限元计算软件MidasGTS建立三维模型进行数值计算分析。模型中土体的本构模型采用修正莫尔-库伦模型1-2，桩土相互作用采用界面单元处理。开挖降水过程是利用应力渗流耦合作用原理，地下水的渗流是由渗流区域边界条件的水头差引起的，通过对整个场地设置一个总水位，对基坑内部设置不同的降水水位来实现降水过程。模型沿X、Y、Z三个方向的尺寸分别为357m、230m、65m，其中X为横桥方向，Y为顺桥方向，Z为竖向。有限元模型见图3和图4。图 3 有限元结构模型 图 4 既有高铁桥墩与基坑围护2.2 施工模拟在MidasGTS有限元软件中通过激活围护结构、横撑单元，冻结开挖范围内土体单元，模拟基坑开挖过程。通过基坑内冻结节点水头，模拟降水过程，对止水帷幕设置刚性网格约束来实现止水帷幕的不透水性。2.2.1 考虑渗流的基坑开挖模型施工过程模拟按照实际施工顺序分步进行，在有限元施工模拟开挖过程中划分具有特征性的16个步骤3：（1）初始渗流场分析：（阶段类型：稳态）激活所有原状土，激活总水位和坑内初始水位，同时激活止水帷幕刚性连接网格；（2）初始应力场分析：（阶段类型：应力）激活自重和边界约束，同时对位移清零；（3）既有高架、既有地连墙：（阶段类型：应力）激活既有高铁的桩基、承台、桥墩、既有地连墙和边界约束，同时对位移清零；（4）围护结构施工：（阶段类型：应力）激活止水帷幕、围护结构和立柱和第一道横撑，激活围护结构约束和立柱约束，钝化止水帷幕刚性连接网格；（5）第1次降水：（阶段类型：瞬态）钝化坑内初始水位，激活第1次降水水位（-4.5m）；（6）渗流-应力耦合：（阶段类型：应力）空过程，为应力-渗流耦合过程；（7）XYZXYZ2023 年第 3 期山东交通科技-121-第1次开挖：（阶段类型：应力）钝化第1层开挖土，同时激活第二道横撑及相关约束。（8）第2次降水：（阶段类型：瞬态）钝化第1次降水，激活第2次降水水位（-7.7m）；（9）渗流-应力耦合：（阶段类型：应力）空过程，为应力-渗流耦合过程；（10）第2次开挖：（阶段类型：应力）钝化第2层开挖土；（11）第 3 次降水：（阶段类型：瞬态）钝化第 2 次降水，激活第3次降水水位（-9.3m）；（12）渗流-应力耦合：（阶段类型：应力）空过程，为应力-渗流耦合过程；（13）第3次开挖：（阶段类型：应力）钝化第3层开挖土；（14）第4次降水：（阶段类型：瞬态）钝化第 3 次降水，激活第 4 次降水水位（-13.0m）；（15）渗流-应力耦合：（阶段类型：应力）空过程，为应力-渗流耦合过程；（16）第4次开挖：（阶段类型：应力）钝化第4层开挖土，即开挖到底。2.2.2 不考虑渗流的基坑开挖模型施工过程模拟按照实际施工顺序分步进行，在有限元施工模拟开挖过程中划分具有特征性的8个步骤：（1）初始应力场分析；（2）既有高架；（3）既有地连墙；（4）围护结构施工；（5）第1次开挖；（6）第2次开挖；（7）第3次开挖；（8）第4次开挖。土层计算参数结合工程的地质勘察报告和相关的工程经验按表1进行取值。表 1 岩土体相关参数材料名称重度/（kN m-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（）压缩模量/MPa杂填土18.813.010.26.21粉土18.75.823.17.45粉土粉砂19.02.527.711.01粉土粉砂18.67.024.611.23粉质黏土18.823.713.85.99粉土粉砂19.75.722.912.033 数值模拟结果分析3.1 考虑渗流的高铁桥墩承台变形基坑开挖到底时既有高铁桥墩承台的水平向和竖向位移云图见图5和图6。从图5、图6可以看出，考虑应力渗流耦合时，基坑开挖到底导致的既有高铁桥墩墩顶水平向最大位移为0.66mm，最大竖向位移为-2.61mm，承台水平向最大位移为0.53mm，最大竖向位移为-2.64mm。图 5 第 4 次开挖 X 向桥墩承台位移云图/mm+6.649 17e-001+6.092 82e-001+5.536 47e-001+4.980 13e-001+4.423 78e-001+3.867 43e-001+3.311 08e-001+2.754 74e-001+2.198 39e-001+1.642 04e-001+1.085 70e-001+5.293 51e-002-2.699 52e-0033.2%4.7%14.6%13.3%14.5%9.0%14.5%5.6%17.1%1.0%0.9%1.6%0.230.180.340.290.500.400.580.460.530.66DISPLACEMENTTX，mm图 6 第 4 次开挖 Z 向桥墩承台位移云图/mm-1.82-1.546 91e+000-1.685 68e+000-1.824 45e+000-1.963 22e+000-2.101 98e+000-2.240 75e+000-2.379 52e+000-2.518 29e+000-2.657 06e+000-2.795 82e+000-2.934 59e+000-3.073 36e+000-3.212 13e+0000.2%0.1%0.4%0.1%0.2%38.3%37.8%20.0%1.2%1.1%0.5%0.2%DISPLACEMENTTX，mm-2.28-2.29-2.34-2.35-2.50-2.53-2.51-2.48-2.64-2.613.2 不考虑渗流的高铁桥墩承台变形基坑开挖到底时既有高铁桥墩承台的水平向和竖向位移云图见图7和图8。图 7 第 4 次开挖 X 桥墩承台位移云图/mm+2.584 18e-001+2.374 01e-001+2.163 83e-001+1.953 66e-001+1.743 49e-001+1.533 32e-001+1.323 15e-001+1.112 97e-001+9.028 01e-002+6.926 28e-002+4.824 56e-002+2.722 84e-002+6.211 16e-0034.1%3.3%3.2%22.0%9.9%19.0%17.4%5.4%12.5%1.0%1.3%1.0%DISPLACEMENTTX，mm0.120.090.130.140.250.190.260.180.190.13赵 娜：基于渗流-应力耦合分析的基坑开挖对既有桥墩位移的影响-122-图 8 第 4 次开挖 Z 向桥墩承台位移云图/mm-2.484 77e-001-3.117 95e-001-3.751 13e-001-4.384 32e-001-5.017 50e-001-5.650 68e 001-6.283 86e-001-6.917 05e-001-7.550 23e-001-8.183 41e-001-8.816 60e-001-9.449 78e-001-1.008 30e+00029.5%34.4%27.1%3.7%0.0%0.0%2.4%1.3%0.9%0.3%0.3%0.1%-0.31-0.32-0.35-0.38-0.44-0.48-0.31-0.34-0.37-0.37DISPLACEMENTTX，mm从图7、图8可以看出，不考虑应力渗流耦合时，基坑开挖到底导致的既有高铁桥墩墩顶水平向最大位移为0.26mm，最大竖向位移为-0.44mm，承台水平向最大位移为 0.18mm，最大竖向位移为-0.48mm。3.3 两个模型的结果对比考虑渗流-应力耦合模型对既有高铁桥墩位移的影响远大于不考虑渗流-应力耦合模型既有高铁桥墩位移的影响，桥墩墩顶和承台的位移在同一个模型的工况下位移结果相差不大。图9和图10分别对比了不同开挖阶段的两个模型对桥墩水平向和竖向最大位移的对比结果：开挖较浅时，两个模型对既有桥墩墩顶的位移影响较小且差别不大，随着开挖深度的增大，考虑渗流对高铁桥墩墩顶的位移影响明显增大，成4.55倍的差距。4 结语主要对比分析了考虑渗流-应力耦合模型和不考虑渗流模型的既有高铁桥墩墩顶和承台位移的计算结果，从计算结果对比分析中可以看出：（1）考虑渗流-应力耦合模型对既有高铁桥墩位移的影响远大于不考虑渗流-应力耦合模型对既有高铁桥墩位移的影响，桥墩墩顶和承台的位移在同一个模型的工况下结果相差不大。（2）开挖较浅时，两个模型对既有桥墩墩顶的位移影响较小且差别不大，随着开挖深度的增大，考虑渗流对高铁桥墩墩顶的位移影响明显增大，成4.55倍的差距。参考文献:1 赵娜.基坑开挖对高铁桥墩位移影响的有限元分析J.北方交通,2020,1（321）:27-30.2 孙林,赵娜.不同土体本构模型分析深基坑开挖对邻近铁路位移影响的有限元分析J.中国水运,2021（10）:119-121.3 朱志鹏.基于渗流-应力耦合分析的基坑开挖数值计算和变形的研究D.合肥:合肥工业大学,2019.图 10 桥墩墩顶 Z 向位移值变化曲线0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0图 9 桥墩墩顶 X 向位移值变化曲线