基坑开挖引起邻近桩板路基的变形及分区

梁浩毅，项瑞聪，狄宏规，杜 伟，李厚荣，盛灿军

（1. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201814；2. 同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海201814；3 中铁二十四局集团有限公司，上海200433）

桩板结构路基作为新型复合地基结构形式，在高铁路基领域具有广泛的应用[1]。 随着我国城市轨道交通的快速发展，近邻高铁路基进行基坑开挖的工程案例日益频繁[2－5]，这必然对桩板结构的桩基安全造成影响，这一问题在我国沿海软土地区更为突出。

基坑开挖改变周围土体应力环境，使周围的既有结构物桩基产生新的附加应力，这对桩基的变形控制提出了新的要求。 丁勇春[6]通过数值模拟研究了基坑开挖近邻高架桥桩变形特征，制定了各类型桥桩的变形控制方法。姜博[7]结合现场实测与数值模拟，研究了基坑开挖导致的桥桩应力与变形分布特征。陆志杰[8]利用数值模拟分析了基坑开挖对邻近建筑物桩基变形的变化规律，得到了桩基参数与基坑的距离会对建筑物桩基产生的变形影响。 目前国内外关于基坑开挖对邻近桩基影响的研究主要针对于桥梁桩基和建筑物桩基，对桩板结构的研究也仅集中在桩板结构的设计优化方面，而基坑开挖近邻桩板结构中桩基变形规律的相关研究几乎空白。

依托近接沪杭高铁既有路基的上海机场线1 号风井深基坑工程，对近接桩板结构路基的桩基变形规律展开研究，制定该类型工程下基坑变形限值取值方法，为今后类似工程设计提供一定的指导意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

上海机场线过七宝站后从南线路开始进入明挖和隧道段，该段线路与沪杭高铁并行，最近处不到10 m。其中，机场线1 号风井基坑外侧与沪杭高铁路基坡脚的最近距离为10.7 m，基坑与路基的位置关系见图1。 1 号风井结构平面尺寸为30 m×25 m，开挖深度25.5 m。高铁路基段地基加固采用钻孔灌注桩+C30 混凝土板的桩板形式，桩径0.5 m，桩间距2.4 m， 桩长33.0 m， 单桩承载力设计值为1 050 kN，按正方形布置，桩底位于⑦1 粉土层， 基本承载力150 kPa。管桩桩顶刚接于承载板， 承载板采用C30钢筋混凝土浇筑，板厚0.5 m，板宽17.4 m，板纵向节长15 m， 板之间设0.02 m 宽的伸缩缝，缝内填塞沥青麻筋。 桩板结构路基剖面图见图2。

根据地勘报告，本工程场地土层分布及物理力学指标参数汇总见表1。

图1 沪杭高铁路基和1 号风井深基坑位置关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the location relationship between the subgrade of Shanghai-Hangzhou high-speed railway and the No. 1 air shaft deep foundation pit

表1 施工现场岩土参数Tab.1 Geotechnical parameters at construction site

1.2 基坑支护方案

基坑围护结构采用1.5 m 厚地连墙，由水平支撑和竖向支承组成支撑体系。 水平方向设置6 道支撑，其中第1，3，4，5 道为混凝土支撑， 其余为钢支撑（φ=800 mm， 壁厚t=16 mm）。 第1 道混凝土支撑截面尺寸800 mm×800 mm，第3，4，5 道混凝土支撑截面尺寸为1 200 mm×1 200 mm，第3，4，5 道支撑与混凝土腰梁连接。 在地连墙外侧3 m 处采用钻孔灌注桩隔离。 基坑支护方案及工程剖面图见图2。

图2 沪杭高铁路基和1 号风井深基坑剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of the subgrade of Shanghai-Hangzhou high-speed railway and the No. 1 air shaft deep foundation pit

2 基坑开挖并行桩板结构路基的有限元模型

2.1 模型建立

利用Plaxis 3D 建立了基坑开挖并行桩板结构路基的三维有限元数值模型。 基坑平面开挖尺寸为30 m×25 m，开挖深度25.5 m。 为消除模型边界效应影响， 设置模型平面尺寸为260 m×200 m，深度为127.5 m。 有限元模型见图3。

2.2 参数选取

本工程中基坑与高铁路基的距离小于1 倍的基坑开挖深度，周围土体变形应属于小应变范围； 因此土体本构采用小应变土体硬化模型（HSS）。工程区域属于典型软土地区，针对HSS 模型主要参数的取值，根据王卫东等[9-10]，王浩然[11]土工试验结果和取值经验，研究得到上海黏性土层参数Eref50，Erefur，Erefoed与压缩模量Es1-2间的比例关系建议取：Erefoed=0.9～1Es1-2，Eref50=1～1.2Erefoed，Erefur=4～9.3Erefoed，对第⑦层粉细砂，Erefoed=Es1-2，Eref50=Erefoed，Erefur=4Erefoed；加卸载泊松比vur建议取0.2；小应变参数Gref0，对于黏性土，建议取Gref0=3.5～5Erefur；对于粉土和砂土，建议取Gref0=5Erefur；小应变参数γ0.7建议取2×10-4左右。结合地勘报告，制定HSS 本构模型参数如表2 所示。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

表2 HSS 本构模型参数Tab.2 HSS constitutive model parameters

地连墙采用板单元模拟，地连墙与周围土之间采用界面单元模拟墙土间的相互作用。 桩板结构中钻孔灌注桩采用Embedded 桩单元进行模拟，通过界面单元模拟桩土间的相互作用；承载板采用线弹性的实体单元模拟，承载板节间的伸缩缝用界面单元模拟。

为了准确模拟出桩基在邻近开挖影响下的变形特征，结合《建筑桩基技术规范》，计算确定桩在各层土体内的极限侧摩阻力和极限桩端阻力，结果如表3。

表3 桩基竖向极限承载力表Tab.3 Vertical ultimate bearing capacity of pile foundation

2.3 计算工况

在Plaxis 3D 里建立不同的施工工况来模拟动态基坑开挖过程，根据实际施工过程，设置主要工况如表4。

表4 施工工况表Tab.4 Construction condition

3 桩板结构的桩基变形规律

基坑开挖完成后，选取距基坑中轴线最近的一排桩基（1#～6#）和距基坑最近的一列桩基 （1# 桩、7#～35#桩）为分析对象，图4 为基坑开挖完成后各桩基的最大水平位移值。 其中水平位移最大的桩基为距离基坑和基坑中轴线最近的1# 桩， 水平位移为5.66 mm。

图5（a）为各桩基与基坑的相对位置，对与基坑中轴线距离最近的一排桩基（1#～6#）进行分析，距离基坑净距越大， 桩基水平位移最大值越小。 图5（b）为该排桩基沿深度变化的水平位移值， 水平位移曲线形状均呈弓形，最大值发生在18 m 深度处。桩顶水平位移均为2.85 mm， 这是因为桩顶与承载板刚接，水平位移协调一致。桩身水平位移在③1，④1 淤泥层处明显大于②3 砂质粉土层处，这是由于土层变形模量差异较大，桩基在淤泥层处变形较大。

图4 桩基的水平位移最大值（单位：mm）Fig.4 Maximum horizontal displacement of pile foundation (Unit: mm)

图5 开挖完成时桩基水平位移Fig.5 Horizontal displacement of pile foundation when the excavation is completed

对距基坑净距最小的一列桩基（1# 桩、7#～35# 桩）进行分析，距离基坑中轴线越远，桩基水平位移最大值越小。图5（c）为该列桩基中部分桩基的水平位移值。离基坑中轴线距离较近的1#桩、9#桩、21#桩及24#桩水平位移呈弓形特征，最大值发生在18 m 深度处；离基坑中轴线距离较远的14#桩、20#桩、29# 桩及35#桩的水平位移呈悬臂形特征，最大值发生在桩顶处，较深处桩身水平位移很小。

4 基坑开挖对桩板结构桩基的影响分区

对于基坑开挖近邻既有桩基，桩基变形受基坑开挖深度、基坑与路基净距、支撑刚度、工程地质等因素影响。 对于既定工程，无法改变工程地质因素，为制定合理的桩基变形影响分区，需要探究其他人为可控因素对桩基变形的影响。

4.1 计算方案

由于桩基中心线距离路基坡脚距离为5.1 m，为便于后续过程的数据处理，同时考虑实际施工情况，在上节的有限元模型基础上， 设置不同路基坡脚与基坑边缘距离L 和地连墙厚度h 组成多种计算方案，L 设置8 种方案：6，9，12，18，24，33，42，54 m；h 设置4 种方案：0.4，0.6，1.0，1.5 m。 参数两两组合可形成32 组不同的组合方案以形成不同开挖条件，计算相应的桩基变形。

4.2 不同开挖条件下桩基变形

当开挖深度H 为9.5，17.4，25.5 m 时，不同开挖条件下桩基水平位移值如表5～表7。

表5 开挖深度为9.5 m 时不同开挖条件下的桩基水平位移最大值Tab.5 The maximum horizontal displacement of pile foundation under different excavation conditions when the excavation depth is 9.5 m mm

表6 开挖深度为17.4 m 时各开挖条件下的桩基水平位移最大值Tab.6 The maximum horizontal displacement of pile foundation under different excavation conditions when the excavation depth is 17.4 m mm

表7 开挖深度为25.5 m 时各开挖条件下的桩基水平位移最大值Tab.7 The maximum horizontal displacement of pile foundation under different excavation conditions when the excavation depth is 25.5 m mm

由表5～表7 的计算结果表明，随着开挖深度减小，路基与基坑距离增大，地连墙厚度增大时，桩基变形均显著减小。

4.3 影响区划分

根据《建筑桩基技术规范》[12]，可认为高铁桩板结构路基属于水平变形敏感的结构物，选取6 mm 作为桩基水平变形允许值。 行业规范中，衡量轨道交通结构安全的控制指标为监测项目实测值与结构安全控制指标值之比G，以0.6 为警戒值分界线，当G＜0.6 时，可以正常进行施工；当G≥0.6 应采取施工安全保障措施[13]。 桩基变形监测警戒值设置为允许值的60%，即3.6 mm。 据此，制定影响桩基水平变形分区的控制标准：允许值6 mm；警戒值3.6 mm。

对表5～表7 计算结果数据进行插值处理， 分别绘制3 种开挖深度下桩基变形允许值和警戒值等值线，如图6。 规范规定，既有高铁路基坡脚外3 m 范围为施工禁区，图6（a）等值线起点的横坐标为0.32，图6（b）等值线起点的横坐标为0.17，图6（c）等值线起点的横坐标为0.12。

图6 3 种开挖深度下桩基变形允许值和警戒值等值线Fig.6 Contours of allowable and warning values of pile foundation deformation under three types of excavation depths

为方便工程应用，根据参考文献[14]，绘制两段折线式的包络线，得到各开挖深度下基坑开挖对邻近桩板结构桩基变形影响分区图，如图7，基坑开挖引起邻近桩板结构桩基变形区域分为A～C 三区。当桩基水平变形最大值小于警戒值时为C 区（安全区），无需采取特殊保护措施；当桩基水平变形最大值介于警戒值与允许值之间时为B 区（警戒区），须加强对桩基变形的监测；当桩基水平变形最大值大于允许值时为A 区（危险区），必须采取加固保护措施。

图7 3 种开挖深度下的桩基变形影响分区Fig.7 Deformation effect of pile foundation under three types of excavation depths

5 基坑变形允许限值取值方法

图8 3 种开挖深度下的桩基水平位移允许值控制线Fig.8 Control line for allowable value of horizontal displacement of pile foundation under three excavation depths

《基坑工程技术规范》[15]规定：根据不同环境保护对象距基坑的距离s 与基坑开挖深度H，确定基坑环境保护等级与基坑围护侧移最大限值。当s

为得到基于桩基变形控制要求下的基坑开挖近邻桩板结构的围护结构变形允许限值，将3 种开挖深度下桩基水平位移控制线绘制在同一张图中，见图8 所示。 图8 显示，当横坐标大于0.75 时，3 条水平位移控制线基本重合，可认为此时的控制线与基坑开挖深度间相互独立；当横坐标小于0.75 时，随着开挖深度的增大，水平位移控制线斜率随距离变化的斜率增大，此时相应的A 区（危险区）的范围也随之增大。

图9 围护结构变形允许限值取值方法Fig.9 Method for determining allowable limit value of deformation of envelope

对图8 进行插值处理，得到不同开挖深度下桩基水平位移控制线如图9 所示。 根据《基坑工程技术规范》，考虑不同环境保护等级的基坑，由图9 所示， 当开挖深度小于11 m， 此时规范中一、二级基坑的围护结构侧移允许限值均小于基于桩基变形控制得到的围护结构侧移允许限值，应采用规范的限值要求。 当开挖深度大于11 m，此时水平位移控制线与规范中一级基坑的变形控制线相交，当基坑与路基坡脚距离小于交点对应的距离时，应采用基于桩基变形控制得到的围护结构侧移允许限值，当基坑与路基坡脚距离大于交点对应的距离时，应采用规范的限值要求。

6 结论

1） 近邻桩板结构路基进行基坑开挖时，距离基坑较近处桩基的水平位移曲线呈弓形，整个桩身包括桩底的水平位移均较大，桩基最大变形为5.66 mm；距离基坑较远处桩基的水平位移曲线呈悬臂形，水平位移最大值发生在桩顶处，较深处桩身水平位移很小。

2） 在邻近既有高铁桩板结构路基开挖基坑时， 将基坑开挖深度为9.5，17.4，25.5 m 时桩板结构桩基的变形影响区划分为A 区（危险区）、B 区（警戒区）、C 区（安全区），并对各分区提出了工程保护措施。

3） 得到了各开挖深度下邻近桩板结构桩基水平位移控制线， 并基于此提出了基坑围护结构变形允许限值取值方法：当开挖深度小于11 m，依据《基坑工程技术规范》，一、二级基坑的围护结构侧移允许限值均小于基于桩基变形控制得到的围护结构侧移允许限值，应采用规范的限值要求。 当开挖深度大于11 m，桩基水平位移控制线与规范关于一级基坑的变形控制线相交， 当基坑与路基坡脚距离小于交点对应的距离时，应采用基于桩基变形控制得到的围护结构侧移允许限值，当基坑与路基坡脚距离大于交点对应的距离时，应采用规范的限值要求。