交通荷载作用下深基坑支护结构稳定性分析

张向东，张晨光，刘家顺

（辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000）

0 前言

随着城市化进程的加快发展，多层高架道路、地铁、轻轨交通逐渐形成一个立体的交通体系，从地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民住宅区、商业中心和工业区。城市交通道路最多已达5～7层，离建筑物的最短距离小到只有几米，加上交通密度的不断增加，使得振动的影响日益增大。伴随着大量兴建的城市高层建筑，产生大量的深基坑工程，基坑在施工阶段受到周围交通荷载产生的振动和静载的作用，而且交通荷载是一种长期重复作用的荷载，作用次数往往高达几十万次［1］，尤其是施工中应用的大型运输机械，施工质量和安全以及结构的稳定受到一定的威胁。

交通荷载对周围建筑结构的影响主要有静载产生的竖向压力及由于车辆的行走及路面的不平整引起的地面振动，这一振动通过弹性波的传播，从而引起周围建筑结构的振动。城市深基坑岩土边坡所受的环境振动主要是来自交通荷载，这种动荷载是变频率、变振幅、长期作用的不规则循环荷载［2］。与地震动荷载不同，在这种荷载作用下岩土的变形与失稳有其特殊性与复杂性。交通荷载不同的频率与幅值变化及作用时间，会引起岩土边坡的不同响应，同时列车、汽车等交通荷载的反复振动必然会加剧边坡岩土支护结构的强度弱化，并进而产生疲劳破坏［3］。道路交通荷载的周期较长，自身振动频率较低，荷载产生的振动波的波长较长，波传播较远，影响范围较大，岩土边坡动力响应更为复杂。

1 工程概况

工程为大型综合性高层建筑，附带裙房部分，位于沈阳市沈河区惠工广场/哈尔滨路/北京街/团结路段，拟建建筑物总建筑面积约100×104m2，基坑最大开挖深度20.6m，为地下3层结构（图1）。场区内地形较平坦，北侧为团结路，南侧为哈尔滨路并临近沈阳地铁工程线路，东侧为惠工街，西侧紧临华府天地一期工程。该工程紧邻城市交通主干道及地铁线路，受过往车辆及地铁动荷载振动影响。

根据详细勘察阶段岩土工程勘察报告，地层主要由杂填土、粘性土、砂类土组成，对土层分布做一定简化，相应的土层及各种材料参数取值见表1。根据场地工程地质条件、基坑开挖深度、周边环境等情况综合考虑，基坑支护设计采用2m以上1：0.5放坡挂网喷护，下部采用螺旋钻孔压灌桩加土层锚杆联合支护。根据附加荷载情况设3排锚杆联合支护钻孔压灌桩，桩身采用C25混凝土，直径为0.6m，桩间土二次护壁采用挂铁丝网喷射C20混凝土支护，冠梁采用C25混凝土［4］，锚杆采用 DZ50地质锚杆，锚孔直径150mm，腰梁采用2［20］槽钢连接。

2 交通荷载对周围建筑结构的影响

2.1 道路交通荷载作用下振动的产生及传播规律［5］

随着人们生活水平的提高，城市机动车辆日渐增多，交通负荷的增加，一方面加大城市交通的负担，另一方面又加速了道路的磨损，促使振动源的强度加大。道路交通下振动的产生主要是由车辆的运行及路面的不平整引起，其传播机理与轨道交通十分相似。虽然不同类型的车辆的前后轮的轮轴距离及质量均不相同，但对振幅的影响较小。而对振幅影响较大的车辆自振频率在各车型之间的变化不大，满载时，主要取决于车体部分的自振特性，而空载时则取决于轮轴部分的自振特性。另一方面，路面的凹凸程度对车辆的影响也较大，若车辆的自振频率与路面的粗糙频率度相近时可引起车辆的宽频振动。

2.2 交通荷载作用下土体的动力特性［6］

在交通荷载（车辆荷载）作用下，路面或地铁下面的路基土单元的受力状态是交替变化的，并成圆形。重复的汽车或火车车轮作用，产生一系列循环荷载，传递到下覆及周边土层中。当车轮处于距所研究土单元一段距离时，最大应力分量是水平剪应力。而在某一时刻，当车轮正好位于土单元之上时，水平剪应力消失，而应力差分量处于主导地位；当车轮荷载离开时，土单元又处于受剪状态，最终处于无应力状态。因此，在车轮荷载通过时，土体单元出现由单剪引起的剪应力分量转为三轴模式又转为单剪模式，由车轮荷载所引起的剪应力的循环交替也是伴随着主应力方向的旋转而发生的。由交通荷载引起的循环应力随主应力方向的改变，其循环应力大小也在改变，而其放大倍数在某一方向是保持不变的。

图1 基坑平面图Fig.1 Plane view of foundation ditch

表1 土体主要物理力学指标Table 1 Them ain physical and m echanical indexes of the soil

2.3 对周边建筑物可能造成的损伤

交通荷载振动下引起的建筑物损伤不仅取决于地面振动的剧烈程度，而且受到建筑物的结构特性，建材特性以及动力特征的影响。所以制定准确统一的地面振动极限值响应规律有一定困难。同时结构响应受到振动激励大小及频率的影响，结构损伤往往跟地面振动的幅值及优势频率有关［7］。国内外学者及标准化权威部门采用地面振动速度峰值（PPV）用来反映结构振动限值，但并未形成统一的规范。

3 有限元分析模型

根据勘察资料，综合考虑工程周边交通实际情况，采用大型非线性有限元软件ADINA对本工程进行模拟分析。为了提高运算效率，建立部分基坑的模型如图2。基坑开挖深度为20.6m，水平地面取为基坑深度的2倍，竖直方向为开挖深度的2倍。计算时施加边界约束条件：地面和基坑开挖面为自由表面边界，不受任何约束；左右边界受水平向位移约束；模型的软土地基下层边界受到竖直方向的全约束。

图2 二维有限元分析模型Fig.2 2D finite elem en t analysism odel

在模型中，根据工程实际深度将土体按照不同材料分为4层，土体、支护结构采用八节点六面体单元，在不考虑桩间土体挤压变形的条件下，把桩与土体按照刚度等效简化为混凝土墙，锚杆采用Rebar单元进行模拟。土体采用Mohr-Coulomb材料模型，土体的材料参数、变形模量根据岩土勘察报告确定。实际土体情况较为复杂，为了能更好贴近实际情况，本文进行多次反运算，在合理范围内调整相关参数，其中砂土的粘聚力理论上为零，考虑到实际土体中有一定含水量时的假内聚力，计算时取值10kPa［8］。计算模型采用总应力法，不考虑降水过程中液面下降对土体产生的影响。在后处理中提取支护结构变形值与实测值比较，分析其可行性，并且考查基坑的空间效应。

4 各参数对支护结构变形的影响

基坑工程存在空间效应，最大变形出现在坑边中点，主要分析在中点处的支护结构变形情况。本文采用有限元方法对基坑进行多次数值模拟，讨论在交通荷载作用下影响支护结构变形的关键因素，以及这些因素对支护结构位移的影响规律。

4.1 交通荷载参数的影响

交通荷载对于基坑的影响主要集中于运行车辆自重产生的静载以及运行过程中所产生的振动，研究静载时将交通荷载视为一系列低速运动的连续集中力［9］作用在路基基础上，其中图3（a）和图3（b）是在改变车辆载重及交通量的情况下基坑支护结构变形情况，其中交通量的数值模拟通过改变均布力的大小来实现，从中可以了解到随着车辆载重的增加及交通量的增大支护结构变形明显。

研究动载时将路面简化为无限大薄板，交通荷载简化为简谐均布、矩形运动荷载。采用 Biot波动理论并引入势函数及Helmholtz分解原理，得到了交通荷载作用下路基应力情况［10］，改变其相应参数分析振动对于基坑边坡的影响。动应力峰值随着行车速度的增加而增大，但增大的程度不是很明显，这可能是由于车速越高振动频率越高，而高频主要是对车辆自身的振动产生影响，对土体的影响较小［11］。图3（c）即为车辆速度对于基坑边形的影响，随着速度的增加，支护结构变形不明显。

4.2 基坑参数的影响

灌注桩主要承受基坑开挖卸载所产生的土压力和水压力，是保证基坑稳定的一种临时的挡土结构。基坑受力破坏主要是灌注桩的变形破坏，并且灌注桩的造价占工程总造价的比例较大，所以灌注桩的稳定对于工程的质量和安全具有一定的意义。图4是影响桩稳定的两个重要因素，图4（a）是灌注桩嵌岩深度对其结构稳定性的影响，嵌固深度为2m时，支护结构的变形相对较大，嵌固深度变大到4m和6m后，支护结构的变形越来越小。考虑到施工的经济性，嵌固深度达到基坑稳定的要求即可。基坑距离道路及其他建筑的距离必须保证在一定范围内，由于实际施工情况的限制有时无法满足这个要求。由图4（b）可知当基坑距离道路较近时基坑支护结构变形较大，影响较明显，随着它们之间的距离逐渐增加，当达到一定距离后这种影响逐渐变小，对于基坑的影响变得不再重要。

图3 交通荷载的影响规律Fig.3 The in fluence law of traffic load

4.3 支护结构变形影响因素分析

（1）交通荷载对基坑支护结构的影响主要来自静载产生的竖向压力及由于车辆的行走引起的地面振动，通过进行现场实际检测及统计，周边道路为市内主干道路，车载、车速都有严格的控制，且对基坑的影响较小，交通量的影响主要体现在静载压力的影响，高峰期车辆较密集，对基坑有一定的影响，这些影响都小于数值模拟结果，符合施工安全条件。

图4 支护结构参数对支护结构变形的影响Fig.4 Param eters effect on thesupporting structu re deform ation

（2）灌注桩主要承受基坑开挖卸载所产生的土压力和水压力，是保证基坑稳定的一种临时的挡土结构。通常影响灌注桩变形的参数包括桩的嵌固深度和桩径，以及距离周边建筑物的距离等。桩径受施工设备的制约，在此没有做细致的研究。通过将数值模拟的结果与实际工程的测量结果进行对比并考虑工程的造价，实际嵌岩深度与道路距离基坑的距离符合变形控制要求，且具有良好的经济性。

5 结论

（1）交通荷载作用产生的静载对支护结构的影响较为明显，其中车辆载重和交通量的影响较为显著，在施工阶段遇交通高峰期时应该加强对支护结构的监测或采取一定的控制交通量的方法。

（2）交通荷载产生的动载主要是振动对支护结构的影响，振动主要与车速及车型有关，车速的变化对于支护结构的影响较小，城市道路对于车辆都有限速要求，对于周边建筑的影响基本可以忽略。

（3）支护结构的嵌固深度越大，支护结构的变形越小，达到一定深度其变化对支护结构变形的影响减弱，考虑施工经济及安全，采取合适的嵌固深度非常重要。基坑与交通道路的距离较大时，对基坑的影响不明显；距离基坑较近时，对基坑的影响较为显著，在交通线路距基坑不同距离的情况下，建筑物距离越近，基坑支护结构的水平位移越大。

［1］魏星，黄茂松.交通荷载作用下公路软土地基长期沉降的计算［J］.岩土力学，2009，30（11）：3342－3346.WEI Xing，HUANG Maosong. A simp le method to predict traffic-load-induced permanent settlement of road on soft subsoil［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（11）：3342 －3346.

［2］樊秀峰，简文彬.交通荷载作用下边坡振动响应特性分析［J］.岩土力学，2006，27（S）：1197－1201.FAN Xiufeng，JIAN Wenbin.On characters of slope vibration due to traffic loads［J］. Rock and Soil Mechanics，2006，27（supplement）：1197－1201.

［3］Popescul M.A suggested method for reporting landslide remedialmeasures［J］.Bulletion of Engineering Geology and Enviroument，2001，60（l）：58 －62.

［4］GB 50010－2002，混凝土结构设计规范［S］.GB 50010－2002，Code for design of concrete structures［S］.

［5］周云.交通荷载对周边建筑的振动影响分析［D］.浙江：浙江大学硕士学位论文，2005.ZHOU Yun.Study on building vibrations induced by trains and vehicles［D］.Zhejiang：Zhejiang Univ，2005.

［6］周健.土动力学理论与计算［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.ZHOU Jian.Theory and calculation of soil dynamics［M］.Beijing：China architecture＆building press，2001.

［7］Dowding C H.Consturetion vibration［M］.Prentice Hall，1996.

［8］宋二祥，娄鹏，陆新征，等.某特深基坑支护的非线性三维有限元分析［J］.岩土力学，2004，25（4）：538 －543.SONG Erxiang，LOU Peng，LU Xinzheng，et al.Nonlinear 3D finite element analysis of an extremely deep excavation support system［J］.Rock and soil Mechanics，2004，25（4）：538 －543.

［9］Alan B.A model for the problem of ground vibration induced by the wheels of a moving train［J］.App Math Modelling，1989，13：710 －715.

［10］刘干斌，周晔，郑荣跃.交通荷载作用下软土路基 －路面三维振动研究［J］.宁波大学学报（理工版），2008，21（3）：380 －385.LIU Ganbing，ZHOU Ye，ZHENG Rongyue.3D ground vibration analysis on pavement and soft subgrade under traffic load［J］.Journal of Ningbo University（NSEE），2008，21（3）：380 －385.

［11］赵俊明，刘松玉，石名磊，等.交通荷载作用下低路堤动力特性试验研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2007，37（5）：921 －925.ZHAO Junming，LIU Songyu，SHI Minglei，et al.Experimental study on dynamic response of low embankment traffic load［J］. Journal of southeast university（Natural Science edition），2007，37（5）：921 －925.