新建承台施工对既有道路的扰动沉降影响研究

王春燕， 洪宝宁， 刘 鑫， 吴 昭

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，南京 210098； 3.河海大学隧道与地下工程研究所，南京 210098）

近年来，随着市内交通情况越来越复杂，更多的城市选择在地上或地下空间拓展交通线路. 在既有道路上修建高架桥是常用的拓展交通线路的手段之一，然而在既有道路上进行承台区域的施工会扰乱既有道路原先的沉降状态，既有道路与后期承台区域的沉降不同步，进而产生差异沉降. 因此，许多学者对造成差异沉降的原因进行了大量研究［1-9］. Peck［10］考虑与土层性质和基坑开挖深度相关的土体沉降计算方法，提出了基于基坑开挖深度、土层性质、基坑支护系统等因素的地表沉降计算公式；Liu等［11］通过理论分析和有限元数值计算方法，对典型复杂基坑群开挖过程中的叠加影响效应进行分析研究；Jia等［12］通过对基坑开挖引起的隧道和车站位移的理论分析，总结了隧道和车站位移的规律，预测了车站对隧道非均匀变形的影响. 吴昌将［13］经过大量的实测数据分析，得到基坑的开挖深度与离基坑的距离是影响基坑周围建筑沉降的重要因素；贾德祥［14］利用Midas/GTS软件对基坑开挖施工进行数值模拟分析，研究了基坑开挖对基坑外土体沉降、地下连续墙水平位移和建筑物沉降的影响；高伟等［15］通过数值计算模型，分析了基坑开挖各阶段的不同施工方法的影响，定量评价基坑施工过程对周围土体的影响. 孙建波［16］通过有限元软件MIDAS/GTS分析了不同段长度对变形的影响，确定了最佳段长；吴劭旸［17］通过地铁段两侧基坑开挖顺序和加固措施的数值模拟，研究了地铁段的位移和衬砌内力的变化，得到了合理的开挖顺序和加固措施.

目前，大部分在既有道路旁进行承台施工，造成的差异沉降无法避免，若不采取相应的工程措施解决差异沉降问题，随着道路的通车使用，差异沉降值也会逐渐增加. 因此，新建承台区域与既有道路差异沉降研究显得尤为重要. 由于不同开挖面积和工期条件下承台施工的差异沉降的研究较少，本文借助有限元数值计算，研究不同开挖面积和不同施工工期条件下的既有道路的沉降规律，并对工程实践进行指导.

1 工程概况

古神公路经过地区为新构造动力的珠江三角洲断陷区. 珠江三角洲为弯头复合三角洲，三角洲本身底积层、前积层不明显，基底受断陷台地影响，基底不平而形成多个沉积中心，第四系沉积厚度最大可达60～70 m，一般为20～40 m. 古神路的工程地质情况具有以下的区域性特点：含水率高、渗透系数低、土体孔隙比大、压缩性高、抗剪强度差、承载力低等.

在既有道路的平顺和新建承台区域的施工中，软土层受到扰动，会加大既有道路沉降. 在承台基坑开挖施工过程中，因土体抗剪强度差，承载力低，易出现滑塌现象，需增加支护结构. 因此，承台基坑开挖过程中对土体扰动的影响较大.

2 有限元模型建立

2.1 模型参数选取

本文采用PLAXIS 2D进行基坑施工的数值模拟计算，数值模型采用摩尔-库伦土体本构模型. 基坑围护结构中的板为钢板支护桩，内支撑锚杆为钢材. 各计算参数具体见表1和表2.

表1 计算土层的物理力学性质Tab.1 Physical and mechanical properties of the calculated soil layers

表2 支护结构参数Tab.2 Support structure parameters

1）土层计算参数

根据地勘资料选取典型路段，计算土层分为四层，分别为：粉质黏土层、淤泥层、淤泥质粉质黏土层、砂质黏性土层. 各土层参数见表1.

2）围护结构计算参数

在开挖施工的过程中，沿开挖基坑四周设置钢板桩支护. 完成第一步开挖后，在基坑内部布置一排用于支撑钢板桩的锚杆，并设置腰梁. 各围护结构参数见表2.

2.2 计算模型

为了研究不同开挖面积下的承台施工对既有道路的沉降影响，数值模拟计算中选取四种工况，不同工况下基坑尺寸见表3. 不同施工工期条件为20、40、60、80、100 d.

表3 不同开挖面积下的基坑Tab.3 Foundation pits under different excavation areas 单位：m

根据工程经验，基坑开挖所影响的土体范围为基坑开挖尺寸的3～5倍，为了便于不同工况基坑的施工影响对比，将计算土体统一取长40 m、深25 m的计算范围. 同时，为了模拟正常道路上的行车荷载，在道路的顶部施加25 kN/m2的初始的均布荷载作用. 土体顶部自由，左右两侧受到法向约束，底部受到固定约束. 基坑的计算模型见图1.

图1 PLAXIS 2D计算模拟示意图Fig.1 Schematic diagram of PLAXIS 2D calculation simulation

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟计算结果

其他工况条件下既有道路的最大水平位移值和沉降值汇总见表4～7，图2～5.

1）工况1的基坑计算结果如表4所示.

表4 工况1的基坑数值计算结果Tab.4 Calculation results of the foundation pit in working condition 1

图2 工况1的基坑计算结果图Fig.2 Calculation results of the foundation pit of working condition 1

2）工况2的基坑计算结果如表5所示.

表5 工况2的基坑数值计算结果Tab.5 Calculation results of the foundation pit in working condition 2

图3 工况2的基坑计算结果图Fig.3 Calculation results of the foundation pit of working condition 2

3）工况3的基坑计算结果如表6所示.

表6 工况3的基坑数值计算结果Tab.6 Calculation results of the foundation pit in working condition 3

图4 工况3的基坑计算结果图Fig.4 Calculation results of the foundation pit of working condition 3

4）工况4的基坑计算结果如表7所示.

表7 工况4的基坑数值计算结果Tab.7 Calculation results of the foundation pit in working condition 4

图5 工况4的基坑计算结果图Fig.5 Calculation results of the foundation pit of working condition 4

3.2 开挖面积对道路扰动沉降的影响分析

根据计算结果显示，当开挖时间为20 d时，开挖深度分别为4.5 m（1.0 m+承台高度）和5 m（1.5 m+承台高度）时，不同开挖面积对既有道路路基水平位移影响情况，结果见图6. 对既有道路基坑施工后沉降影响的部分计算，结果见表8.

从图6和表8可以看出，水平位移和对工后沉降影响随基坑开挖面积增大而增加. 最大的水平位移发生在基坑顶下部的1/5处，不同开挖面积下最大水平位移在4.0～7.5 cm之间. 开挖深度为1 m+承台高度（4.5 m）时，最大的沉降发生在距基坑边缘0.5 m左右处，开挖深度为1.5 m+承台高度（5.0 m）时，最大的沉降发生在距基坑边缘0.6 m左右处，不同开挖面积下沉降量在0.8～1.5 cm之间.

综合分析可知，开挖面积每增加1 m2，既有道路路基的工后沉降量将增加0.1～0.2 cm.

图6 不同开挖面积对既有道路水平位移的影响Fig.6 Effect of different excavation areas on horizontal displacement of existing roads

表8 不同开挖面积对工后沉降影响Tab.8 Effect of different excavation areas on post-construction settlement

3.3 施工工期对道路扰动沉降的影响分析

当开挖基坑长宽均为8.6 m、深度为1.0 m+承台高度和1.5 m+承台高度时，施工工期对水平位移及沉降值的影响，结果见图7；对既有道路基坑施工后沉降影响，结果见表9.

图7 不同开挖施工工期对既有道路水平位移的影响Fig.7 Influence of different excavation construction period on horizontal displacement of existing roads

表9 不同开挖施工工期对工后差异沉降影响Tab.9 Effect of different excavation construction periods on post-working differential settlement

可以看出，水平位移和对工后沉降的影响随基坑开挖施工工期延长而增加. 最大的水平位移发生在基坑顶下部的1/5处，不同开挖时间下最大水平位移在4.0～8.5 cm之间；开挖深度为1 m+承台高度（4.5 m）时，最大的沉降发生在距基坑边缘0.5 m左右处，开挖深度为1.5 m+承台高度（5.0 m）时，最大的沉降发生在距基坑边缘0.6 m左右处，不同开挖时间下沉降值在1.4～3.0 cm之间.

综上所述，每延长1个月，既有道路路基的工后沉降量增加1.0～2.0 cm. 所以在既有道路上进行新建承台区域的施工时，应该尽量减少施工开挖的时间，做到快挖快填.

4 现场沉降监测数据对比分析

新建承台施工时会对既有路产生扰动沉降，承台区域（承台沉降很小，可忽略不计）势必会与既有道路产生差异沉降. 所以，在承台顶部设置调节层，能够有效缓解老路基与承台区域之间的不均匀沉降. 根据古神公路老路基的沉降发展情况，选择调节层厚度为0.7 m，调节层为土料. 其中，假定路面结构层在施工过程和工后均不变形（沉降）.

将同一段路基的未进行承台施工既有道路沉降（相当于不考虑扰动影响的沉降）与考虑承台施工既有道路沉降进行对比，具体对比见表10.

表10 不考虑与考虑扰动影响的沉降量对比Tab.10 Differential settlement without considering the influence of construction disturbance 单位：cm

从表10可以看出，考虑承台基坑开挖对既有道路沉降影响，比不考虑施工扰动影响的情况沉降大2～3 cm，与数值计算结果接近，由于实际情况中，既有道路的沉降不仅受到开挖时间及开挖面积的影响，还受到开挖深度等影响，所以实际值较计算值大.

5 结论

基于PLAXIS 2D数值模拟软件，建立基坑开挖施工的数值计算模型，研究不同开挖面积和不同施工工期条件下基坑施工过程对既有道路造成的扰动沉降影响情况. 经过计算分析，可以得到以下结论：

1）通过比较不同开挖面积对既有道路路基水平位移影响和工后沉降值影响的计算结果，可以得知，既有道路的水平位移和工后沉降随基坑开挖面积增大而增加.

2）通过比较不同施工工期对既有道路路基水平位移影响和承台施工后沉降值影响的计算结果. 可以得知，既有道路的水平位移和工后沉降随基坑开挖施工工期延长而增加.

3）施工工期每延长1个月，将增加既有道路路基承台施工后沉降量1.0～2.0 cm. 所以在既有道路上进行新建承台区域的施工时，应该尽量减少施工开挖的时间，做到快挖快填.