河道开挖对周边土体影响的数值分析

刘建元 邱 超

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

1 概述

河道开挖工程对临近建筑物和周边土体有着重要的影响，开挖过程中，周边土体会向河道方向产生位移，如果不加以控制，会导致周边土体失稳而发生工程事故，因此河道开挖一直是工程界研究的热点问题之一[1-3]。

研究表明，河道开挖引起的周围地表变形及建筑物的沉降是多种因素作用的结果。由于数值分析能够更加真实的反映近些年来，数值模拟与工程监测数据相结合的方式已经在各种工程中推广，其结果对工程实践有重要的指导意义。郭星宇[4]运用数值模拟的方法研究了河道开挖对周围建筑的影响;邱超等[5]研究了河道开挖对临近桥墩桩基的影响；周晋[6]运用岩土工程分析软件Plaxis分析了基坑开挖对临近建筑物及地下水的影响。以往研究大多以基坑开挖对周围环境的影响为研究对象，而对河道开挖对周边土体的影响的研究相对较少。

本文以河道开挖实际工程为背景，通过监测数据反演得到土体的本构关系参数，运用Abaqus数值分析软件研究了河道开挖对周围土体变形的影响，对土体变形作了初步的预估。为以后的实际工程提供借鉴。

2 河道开挖桥墩影响的数值分析

2.1 模型的建立

河道开挖对周边土体的影响模拟，可以结合现场观测试验进行对比反演，地质资料主要参照该工程的地勘报告。考虑到现场观测试验段河道相对顺直，河岸断面性状呈线性特征，采用平面应变进行分析。建模尺寸为：土层总厚度(模型Y方向)取为53 m，宽度(模型X方向)取为120 m。

模型采用标准约束形式，水平方向仅约束其相应的水平位移，底部采用固定约束，约束其竖向及水平向位移。

土体采用实体单元C3D8来模拟，并考虑计算成本和精度要求合理的划分网格，在靠近河道处的土体采用较细的网格划分以保证所关注计算区域的计算精度。

2.2 岩土参数敏感性分析

为了合理的反映土体应力应变的非线性，计算区域内的土采用改进的Mor-Colomb弹塑性本构模型。为了能获得相对准确的岩土参数，以便对数值计算结果与观测值进行合理性比较，有必要先对地层岩土参数进行敏感性分析。

敏感性分析是在保持计算模型其他参数不变条件下，求解变量参数的敏感系数ηSR，分析变量参数对计算结果的影响程度。计算公式如下：

(1)

式中：x——参数初始输入值；

xL，R——参数输入变量值；

f(x)——初始输入值对应的计算结果；

f(xL，R)——变量值对应的计算输出结果。为了计算敏感系数，输入变量xL，R在全部的2N+1个计算内独立变化；

N——所考虑参数变化的数量。

本工程河道开挖揭露及下卧土层主要为黏土、淤泥、细圆砾土，根据M-C模型的参数特性，主要分析粘聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比四个参数，参数基准参照岩土力学参数统计表，参数变幅取值20%。

模型区域水平变形的岩土参数敏感系数由高到低分别为淤泥的粘聚力(ηSR=37.2%)、淤泥的内摩擦角(ηSR=22.6%)、淤泥的弹性模量(ηSR=21%)、淤泥的泊松比(ηSR=15.4%)；竖向变形的岩土参数敏感系数由高到低分别为淤泥的泊松比(ηSR=43%)、淤泥的粘聚力(ηSR=19.6%)、淤泥的内摩擦角(ηSR=13.9%)和淤泥的弹性模量(ηSR=13.8%)、黏土的泊松比(ηSR=6.4%)，其余参数影响不大。

2.3 模拟工况

工程建设范围内对铁路的影响主要为河道开挖的施工过程。有限元分析结合河道实际开挖过程，共分4个步骤进行分析：

Step1:初始地应力计算，形成初始自重应力场并确保初始位移接近于0;

Step2(Remove1):开挖1.8 m;

Step3(Remove2):继续开挖2.0 m;

Step4(Remove3):继续开挖1.5 m。

3 模拟结果分析

3.1 周边土体的位移

河道第一级开挖产生的最大地层水平、竖直变形分别为1.0 mm和3.3 mm；第二级开挖产生的变形分别为1.7 mm和6.4 mm；第三级开挖(至河底)产生的变形分别为2.1 mm和8.4 mm。可见，随着开挖深度加大，近河道位置的应力消散作用更加显著，地层变形逐渐增加。

表1给出了开挖到河底高程时，不同距离的地层水平位移随基础埋深的关系。在地表位置，距离开挖堤顶边距10 m位置产生的水平位移为-1.16 mm(负号表示朝着河道方向)，40 m位置的水平位移为-1.02 mm，60 m时为-0.60 mm。而在堤顶边距40 m位置的竖直方向，从地表到30 m埋深的地层水平位移由-1.02 mm降到了-0.55 mm。可见，开挖卸荷对地层的影响随着距离、埋深的增加，影响程度逐渐减小。

表1 第三级开挖后(开挖至河底)的地层水平位移随基础埋深的关系

3.2 仿真结果合理性分析

图1为第三级开挖阶段的地表沉降观测值与计算值的关系曲线。图1中计算结果的数值点与实际观测点位置相同。分析两者数据可知，虽然观测数据相对离散，其原因可能主要与现场条件复杂和设备的机械误差有关，但理论计算值与观测值的总体规律基本一致，而且沉降变形计算值基本能反映实际情况。

图2为第三级开挖测斜孔监测数据与理论计算值的关系。由图2可知，实际开挖最大水平位移1.0 mm，埋深21.5 m左右，而理论计算最大值为1.0 mm，出现位置土层埋深15.5 m左右。由此可见，水平变形方面理论计算值与实际测量值数值基本一致，最值的出现位置相近。

4 结语

1)河道开挖工程量较大，在河道开挖过程中，由于受原状土开挖影响，原始地基应力得到释放和重新分布，使得河道和周边一定范围内的土体受到不同程度的影响。总体上看，土体水平位移和沉降量的量级较小(均为mm级)，且距离河道边线的距离越远，土体变形越小。

2)河道周边常见淤泥层，该层土呈流塑状，具有高压缩性，土体性能较差，开挖过程中对土体的稳定性较为不利，在河道开挖工程中应予以重视。

3)因缺乏数值模拟的相应本构参数的试验值，本次分析主要结合现场监测结果进行了参数敏感性分析和反演分析，理论计算值与监测值大体相当，能有效反映施工引起的地层整体变化规律。

4)根据实际监测和数值分析可知，开挖卸荷对底层的影响随着距离、埋深的增加，影响程度逐渐减小。在45 m堤边距位置，地表的水平变形和沉降量分别为-0.92 mm和1.13 mm。