流固耦合作用下基坑开挖对邻近桥桩的影响分析*

郭 涛，王海涛，祁可录，刘利刚

(1.大连交通大学土木工程学院，辽宁 大连 116028；2.中铁七局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

在地下城市轨道交通、高层建筑及相关基础设施建设中，深基坑工程的周围环境一般较复杂。深基坑开挖必将引起周围土层中应力场和渗流场的改变，尤其处于富水地区的渗流场变化更为显著，坑外周围土体在流固耦合作用下逐渐变形，对深基坑周围的建(构)筑物产生一定的不利影响，严重的更会导致建(构)筑物发生破坏，最终可能处于无法使用的状态[1-2]。当邻近桥桩的深基坑开挖遇到地下水渗入的情况时，坑内降水与坑外截水有效降低了地下水给深基坑及邻近桥桩带来的风险，但土体颗粒打破了原有力学平衡状态。根据有效应力原理可知，有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加，此外深基坑降水及其开挖引起的水平地层位移对邻近桥桩的影响更为显著，桥桩产生较大的挠曲与弯矩，进而影响桥桩上部结构功能[3-4]。因此，探讨基坑降水及其开挖对邻近高架桥桩的影响规律，寻求可行的变形控制方案及对策具有一定的实际意义。

目前，考虑流固耦合作用下，基坑降水及其开挖对邻近高架桥桩的影响问题研究相对较少。文献[5-6]研究了基坑开挖中渗流场和应力场及其导致的地面沉降和坑底隆起的规律；文献[7-10]对考虑渗流情况的基坑三维有限元数值模型进行了相应施工工况模拟分析；文献[11-12]总结近年来国内外有关基坑工程的渗流耦合理论研究现状并分析了具有代表性的流固耦合模型；文献[13-16]基于Biot固结理论对基坑降水及其开挖引起坑外地表沉降进行了数值模拟分析；文献[17-21]分析了基坑开挖过程中对邻近桥梁桩基的响应形状及影响规律。

本文结合大连某地铁车站深基坑工程，建立流固耦合三维有限元数值模型，研究了深基坑降水及开挖下排桩、坑外地表及高架桥桩的变形规律，研究结果可为基坑降水及开挖时邻近桥桩的安全性提供参考。

1 工程概况

大连某地铁车站深基坑工程采用明挖法施工，开挖深度为18.9m，共分4次开挖，分别开挖2.6，5.9，5.0，5.4m。支护结构采用钻孔灌注桩结合3道内支撑系统，钻孔桩嵌固深度为2.5m。基坑首道内支撑采用0.8m×0.8m钢筋混凝土支撑，其余支撑采用φ609×16钢管，基坑顶部施作混凝土挡墙来增加支护结构稳定性。车站基坑距离大连某快轨线桥桩最外皮最小净距7.5m，且基坑开挖深度大于桥桩基深度。基坑与高架桥桩相对位置及基坑支护结构如图1所示。

图1 基坑与高架桥桩相对位置关系及基坑支护结构(单位：m)

根据工程地质勘察报告，该基坑场地所属地层共4层，分别为：①素填土，厚2.2m；②粉质黏土，厚2.7m；③强风化石灰岩，厚1.7m；④中风化石灰岩，厚43.4m。基坑邻近水塘和水塔，泉水富集，根据群井抽水试验测定，该场地地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙潜水，地下水位深度约为地表以下1m，含水层埋深是在基坑开挖深度以上，故地下水处理采用坑外截水和坑内降水相结合，其中坑外截水采用桩间止水加帷幕注浆方式，止水帷幕深度为23m。

2 数值分析

2.1 流固耦合理论及其模拟

基坑降水过程中地下水水量减少及土层的微小颗粒流失导致土体颗粒数量的减少，原有应力平衡由于地下水位降低而被打破，亦会导致周围土层中地下水运动而产生渗流的附加应力，引起周围土层中应力重分布。基于Biot固结理论的完全耦合模型将土体变形方程与渗流方程结合，并考虑地下水渗流与土体变形的动态变化及相互影响，其中三维Biot固结方程及三维渗流连续方程分别如式(1)，(2)所示。

(1)

(2)

式中：G为剪切模量；2为拉普拉斯算子；wx，wy，wz分别为x，y，z方向的位移分量；μ为泊松比；u为孔隙水压力；εv为体积应变；pw为超孔隙水压力；Kx，Ky，Kz分别为x，y，z方向的土体渗透系数。

将Biot固结方程以增量形式表示为：

(3)

连续性流固分析方法是通过计算分析求出相应渗流场的孔隙水压力，并将所求数值代入应力场分析中得出耦合结果，分析中主要考虑了地下水渗流对系统应力及变形的影响，这种方式交替迭代能够得到最终的分析结果。

2.2 三维数值计算模型

采用MIDAS GTS NX有限元分析软件进行基坑施工工况数值模拟，建立三维流固耦合计算模型。根据基坑工程影响分区，确定模型长139.9m、宽134.8m、高50m。结点共25 567个，单元共56 057个，三维有限元数值模型如图2所示。荷载有结构相关荷载和自重，其中结构相关荷载由动力荷载简化为静荷载，故将快轨线及桥面荷载简化为桥墩顶部受到的均布静荷载，模型整体设置自动约束边界条件。

图2 三维有限元数值模型(单位：m)

2.3 本构模型及计算参数

在数值模拟分析中，采用1D梁单元模拟冠梁、腰梁、内支撑、高架桥桩；采用2D板单元模拟排桩和混凝土挡墙，结构为线弹性本构；采用3D单元模拟桥墩，参数如表1所示。采用3D实体单元模拟相应土层，本构为修正莫尔-库仑模型，土层参数由工程勘察报告确定，如表2所示。

表1 基坑及高架桥材料参数

表2 土层物理力学参数

2.4 基坑开挖方案模拟

根据基坑开挖的实际施工步骤，模拟计算共划分为17个计算工况，如表3所示。对考虑流固耦合影响的三维有限元数值模型做出相应的简化。

表3 模拟计算工况

1)由图3可知，基坑降水采用设置节点水头的边界条件，运用瞬态的阶段类型，降水相应工况是通过节点水头位置的变化达到仿真目的，降水后产生的渗流场与应力场耦合。

图3 降水前后水位

2)对土体中的高架桥桩施加桩界面及桩端单元，模拟桥桩与土体之间的相互影响。由于桩基扭转情况产生弯曲应力，需在高架桥桩位置设置扭转约束。高架的部分桥墩存在于土体，使用改变属性设置桥墩处的边界条件。

3)排桩采用等效刚度转换理论，将排桩等效转换为地下连续墙，选用板单元。止水帷幕通过板单元设置强度折减系数为0.65及渗透系数为0的界面单元模拟截水防渗作用，以此达到基坑止水体系效果。建立止水帷幕时，需设置对应的刚性连接单元，用以模拟支护体系与土体的协同作用。

3 数值模拟结果分析

基坑降水及开挖后，坑内卸载的土体会引起坑外周围土层的变化，进而对高架桥桩产生一定的变形影响，有限元数值模型最终变形云图如图4所示。分析不同工况下高架桥桩和土体之间的作用，深入了解基坑降水及开挖的影响规律。

图4 模型最终变形云图(单位：mm)

3.1 基坑排桩变形

基坑排桩侧向位移如图5所示。排桩侧向位移中间大、两边小，呈纺锤体形。每步降水引起的变形与开挖步骤贴近，第n(2≤n≤4)步降水引起的排桩侧向位移变化趋势与第(n-1)步开挖基本一致，故排桩侧向位移与开挖深度密切相关。因降水引起的应力变化会作用于排桩，导致相同的开挖深度时，降水变形产生的位移量均大于开挖阶段。排桩侧向位移随着开挖深度的增加而增大，最大位移点也随之下移，但基本形态并未改变。当基坑开挖深度达到坑底位置附近时，排桩最大侧向位移为5.8mm，因场地所处地层大部分为岩质地层，故侧向位移不会产生较大数值。此外，随着基坑开挖深度增加，排桩侧向位移变化速率有所减缓，主要是因为支护结构组成的刚度体系逐渐发挥作用。

图5 不同工况下排桩侧向位移

不同开挖深度下排桩竖向位移如图6所示。在相同开挖深度时，开挖工况的排桩竖向位移始终大于降水变形工况，主要是由于降水引起地层中渗流场的变化，产生应力重分布。基坑开挖的卸载特性引起排桩竖向位移整体不断增大，开挖至13.5m时达到了最大值，为1.9mm，故基坑开挖对排桩竖向位移影响较小。

图6 不同开挖深度下排桩竖向位移

3.2 坑外地表沉降

基坑降水及开挖结束后，坑外地表最终沉降云图如图7所示，坑外地表沉降最大值约为10.22mm。通过设置线段AB(坑外地表沉降最大位置与支护桩垂直延伸到模型边界的线段)，可得不同施工工况下坑外地表沉降变化趋势(见图8)，通过研究坑外地表沉降在各工况下的沉降变化情况，得出如下结论。

图7 开挖结束后地表沉降云图(单位：mm)

图8 不同施工工况的坑外地表沉降

1)由图7可知，高架桥墩对坑外土体的位移场有明显的影响作用，距离桥墩较远的土体沉降值相对于桥墩附近的土体沉降值较小。虽然高架桥墩桩基具有一定刚度及桩土间包括黏结、摩擦等相互作用，能够减少附近土体沉降，但桥墩受到一定的均布荷载(700kN/m2)，严重影响了桥墩附近土体沉降值。

2)由图8可知，绝大部分距排桩较近的坑外土体产生了各工况下的最大沉降值，随着距排桩距离的逐渐增大，坑外土体沉降变化不再明显。坑外地表沉降的变化趋势在不同施工工况下大体一致，坑外地表沉降分布基本呈中间大、两头小的V形。

3)每步降水变形工况与相应开挖工况的坑外沉降数值几乎一致，说明分步降水能有效解决土体产生较大沉降的问题。降水过程中，随着孔隙水压力的不断减小，坑外土体有效应力相应增加，同时降水后的水头差产生的渗流应力均会导致土体加密，使地表沉降增大，故分步降水对于邻近桥桩的基坑开挖更具有可靠性。

3.3 邻近桥桩竖向位移

基坑开挖结束后，高架桥下部结构沉降云图如图9所示。通过提取各桥墩墩顶中心点沉降变形结果，间接反映高架桥桩沉降情况，得出从第1次降水变形直至第4次开挖的8个工况下的沉降曲线如图10所示。

图9 开挖结束后高架桥下部结构的沉降云图(单位：mm)

图10 不同施工工况下各桥墩墩顶中心点沉降曲线

由图9可知，开挖结束后，距离基坑最近的为4号桥墩，竖向沉降达到最大值，约7.14mm；距离基坑较近的3，5号桥墩及距离基坑较远的2，6号桥墩竖向沉降值变化规律大致相同；1号桥墩距离基坑最远，达到最小沉降值，约4.18mm。桥桩沉降与基坑距离呈现负相关关系。

由图10可知，随着施工步骤的不断进行，各桥墩沉降变化趋势大体一致，4号桥墩在各施工工况下的沉降值均大于其他桥墩。每步降水与前一步开挖引起的沉降变化量呈减小趋势，第4步开挖与第4步降水所产生的沉降值几乎一致，这是由于支护及止水结构体系逐渐发挥作用，有效减小了坑周土体变形量。

3.4 邻近桥桩水平位移

基坑降水及开挖使土体内部的力学平衡状态发生了改变，根据有效应力原理可知，有效孔隙水压力减小等于有效应力的等量增加，故高架桩基受到一定影响的应力场发生水平方向位移。基坑开挖完成后，高架桥桩水平位移云图如图11所示，这是x，y方向叠加后的水平位移。由模拟结果可得如下结论。

图11 开挖结束后高架桥桩水平位移云图(单位：mm)

1)开挖结束后，3号桥墩桩基产生了最大位移，约2.66mm，因场地大部分为岩石地层，故水平位移并不会有较大数值的改变。基坑降水开挖完成后，随着距离基坑的距离逐渐增加，桥桩水平位移呈下降趋势。

2)1，2，6，7号桥墩桩体水平位移在桥桩顶部产生最大值，随着桩体深度的逐渐增加，水平位移具有上端大、下端小的变形趋势；3，4，5号桥墩桩体的水平位移峰值出现在桥桩后末端，桥桩水平位移随着桩体深度的增加，基本呈先增后减的变化趋势。由于距离基坑较远，受到基坑降水及开挖的影响较小，故1，2，6，7号桥墩桩体水平位移小于3，4，5号桥墩桩体。

3)基坑工程采用分步降水的方案，随着基坑开挖深度的逐渐增加，坑周受扰动的土体范围逐渐扩大及分步降水引起的渗流场不断变化，使在流固耦合作用下的桥桩变形受力趋势逐步增大。故随着开挖深度的不断增加，桥桩水平位移逐渐增大。

4 结语

1)随着基坑开挖深度不断增加，排桩侧向位移变化速率有所减缓，最大侧向位移位置随之下移且基本形态并未改变。基坑开挖的卸载特性引起排桩竖向位移整体不断增大，基坑开挖对排桩竖向位移影响较小。

2)不同施工工况下，坑外地表沉降发展趋势大体一致，基本呈V形分布；在基坑降水开挖过程中，分步降水对于邻近桥桩的基坑开挖更具有可靠性。

3)桥桩沉降与基坑距离呈负相关关系，每步降水与前一步开挖引起的沉降变化量呈减小趋势。

4)随着基坑降水及开挖的完成，随着距离基坑距离的逐渐增加，桥桩水平位移呈下降趋势，且桥桩水平位移与开挖深度呈正相关关系；距离基坑较远的1，2，6，7号桥墩桩体水平位移随着桩深的增加，呈上端大、下端小的变形趋势；3，4，5号桥墩桩体水平位移随着桩深的增加，基本呈现先增大后减小的变化趋势。