1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202306039开放科学（资源服务）标识码（OSID）放坡开挖基坑变形及对邻近桥梁桩基影响模拟分析杨明媚1，李文斌2，上官士青2（1.中交房地产集团有限公司，北京100088；2.中交公路规划设计院有限公司上海分公司，上海200082）摘要：以成都市简州新城电力隧道二期一阶段朝阳路电力隧道工程为背景，针对放坡开挖基坑的稳定性及对周围桥梁桩基变形影响开展研究。结果表明：放坡开挖基坑水平变形主要集中在基坑两侧坡顶处，土体距基坑中心越远隆起量越小，基坑变形均在合理控制范围内。桥梁桩基整体位移形态为距离基坑较近一侧向上隆起，整体呈现倾斜状态
2、。桩基与基坑间距越大，桩基位移响应就越小，土方开挖后应力释放产生的影响就越薄弱。土方开挖所产生的地应力影响范围约 15 m，建议基坑施工过程中，应充分利用时空效应原理，分区、分层开挖，以减小应力释放对桩基产生的变形影响。关键词：基坑工程；放坡开挖；邻近桥梁；变形特性；地应力中图分类号：TU43文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)05 0123 06 0 引言随着现代化城市的高速发展，地下空间的开发利用越来越受到人们重视，无论是基坑工程的数量还是建设难度都大幅提高，基坑施工设计须考虑相邻基坑开挖产生的相互影响1。当放坡开挖深度较大时，可能导致桩基发生倾斜、拉裂等工程事故2，采用
3、放坡开挖的基坑工程场地应较为空旷。但对于周边有邻近桥梁桩基的特殊情况下采用放坡开挖，基坑开挖土体会产生水平和竖向上的变形，对邻近的桥梁桩基产生扰动影响，严重的将会导致桩基产生倾斜变形，建筑物上部功能失效3 5，因此，基坑开挖对邻近桥梁的影响不容忽视。王振祥6认为基坑不同的开挖顺序可有效减小桩基侧向移动；郭曜祯等7指出：在基坑开挖过程中，高架桥桩基础竖向位移很小，位移响应以水平位移为主。为保护基坑工程及其周边建构筑物的安全，需对基坑开挖期间建构筑物临近桩基的变形进行严格把控，我国建筑桩基技术规范8对桩基变形制订了严格的控制标准，许多学者运用数值模拟软件开展基坑开挖对邻近建筑物的影响研究9 10。
4、本文依托成都市简州新城电力隧道二期一阶段朝阳路电力隧道工程项目，采用 midas GTS 软件建立放坡基坑开挖过程的数值模型，研究放坡开挖基坑稳定性及对邻近桥梁桩基的变形影响。可为管廊的设计和施工提供参考。1 工程实例 1.1 工程概况拟建朝阳大道（方家林大道武康大道）电力隧道工程，隧道长约 1.9 km，起点为方家林大道与朝阳大道交叉口东侧，终点为武康大道与朝阳大道交叉口南侧。电力隧道总平面，见图 1。方家林大道项目起点简-5站下穿赤水河处双舱段800 m单舱段1100 mR=800R=500向家沟南街简州新城站项目终点碧山大道规划四路规划五路武康大道青阳路图1电力隧道总平面其中双舱电力隧道
5、（2.5 m+2.5 m）3.0 m，长768.0 m，单舱电力隧道 2.5 m3.0 m，长 6 032.0 m，隧道基坑采用明挖法施工，开挖深度 012.7 m，收稿日期：2023 08 17作者简介：杨明媚（1981），女，北京人。高级工程师，主要从事房建工程的成本管理控制，房地产开发运营管理等方面工作。E-mail：。杨明媚，等：放坡开挖基坑变形及对邻近桥梁桩基影响模拟分析 123 基坑旁边坡高 012.9 m，基坑宽 8.048.5 m。根据开挖深度及周边环境，围护结构采用放坡开挖、土钉墙、支护桩+锚索、支护桩+内支撑。1.2 周边环境电力隧道沿线场地较为空旷，现状管线较少，周边主要
6、建筑/管道为新建阿里地块，有雨水涵1 道、污水管 1 根。过河段基坑放坡开挖及土钉支护段基坑上口线距离桥梁桩基 3.53.8 m，基坑开挖面临土体卸荷导致的基坑失稳、桥梁桩基变形等安全影响问题。赤水河大桥全长 147.0 m，跨径布置为 4.030.0 m，斜交角度为 55；上部结构采用预应力混凝土小箱梁，下部结构采用桩柱式桥墩、肋板台，钻孔灌注桩基础。桥梁全宽 36.0 m，单幅桥梁宽18.0 m，单幅桥墩采用三柱式墩，墩柱直径 1.4 m，桩基直径 1.6 m，桩长 19.021.0 m，桩顶反力9 500 kN。单幅桥台采用三肋板式台，肋板宽 1.2 m，每个肋板底设置 2 根直径 1.
7、5 m 桩基，桩长 15.0 m，桩顶反力 4 150 kN。墩台桩基均按摩擦桩设计，拟建管廊与桥梁桩基位置，见图 2。97603.56 m拟建桥梁桩基及承台2000050003341578083411078015002000100217341002173410006000100020001500-2中风化砂岩K1cK1c-4黏土-2中风化砾岩CQK24417.91整平地面标高+411.190+419.406+402.850+409.4961 0.3B-1 0.3桥梁桩基余同拟建管廊Qal+pl4图2拟建管廊与桥梁桩基位置（单位：mm）1.3 工程地质及物理力学参数勘察区场址位于龙泉山东麓，四
8、川盆地简阳市西北部。区内以浅丘宽谷地貌为主，沿线为浅丘、鱼塘、坡度和山间槽谷地带。勘察区位于新华夏系第三沉降带四川盆地边缘之成都断陷及龙泉山褶皱带东侧。拟建场地地势起伏较小，根据区域地质资料，附近无活动断裂通过，无影响拟建道路安全使用和场地稳定性的不良地质作用，为稳定场地。根据地勘报告，基坑范围内地层主要以强风化、中风化基岩为主。场区内各土层物理力学参数，见表 1。表1各土体物理力学参数岩土名称容重/（kNm3）黏聚力c/kPa内摩擦角/（）杨氏模量E/MPa土、石等级强风化砂岩22.5928150中风化砂岩23.480038500 2 三维数值模拟 2.1 有限元模型的建立采用 midas
9、GTS 有限元软件对邻近桥梁桩基区段基坑放坡开挖进行模拟分析。土体本构模型采用程序内置的摩尔-库仑模型，本文计算域宽度60 m，深度 35 m，强风化花岗岩层厚取 5 m，中风化花岗岩层厚取 30 m，边界条件为模型顶部自由，底部固定约束，两侧法向约束。计算模型，见图 3。（c）放坡开挖（b）桥梁桩基（a）整体模型图3三维数值计算模型 路基工程 124 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）2.2 模型参数取值Mohr-Coulomb 弹塑性模型计算参数包含土体弹性模量 E，泊松比，土体黏聚力 c，内摩擦角 及土体密度。基坑地层主要为强风化层，其中土
10、体黏聚力 c、土体泊松比 及内摩擦角 的取值可从地勘报告中获取。岩体（包括风化岩体）可由钻孔岩土波速试验中动杨氏模量得到，一般取杨氏模量 E（偏大）。计算公式为E=2(1+)Gs（1）GsG0=11+/0.5（2）G0=V2s（3）G00.5GsG0式中：为土的小应变动剪切模量；为剪应变；为剪切模量/=0.5 时对应的剪应变。对场地内的勘探孔位进行波速测试，结果表明动模量低于经验的静模量，岩体破碎程度较高，风化较强，土体弹性模量按动模量的 1/10 取值，因此强风化土体模量取 150 MPa，c=9 kPa，=28，中风化弹性模量取 500 MPa，c=800 kPa，=38，土体波速测试结果
11、，见表 2。表2土体波速测试结果岩土名称Vp/（ms1）Vs/（ms1）密度D动泊松比 d动态弹性模量Ed/MPa动态剪模量Gd/MPa强风化砂岩9074532.200.3341654.75451.50中风化砂岩13456872.400.3244208.741135.75 3 基坑变形分析 3.1 土体水平位移基坑放坡开挖数值模拟，首先进行地应力平衡，然后按照实际施工顺序，分层开挖至基坑坑底。基坑放坡开挖后土体水平变形云图，见图 4。基坑开挖至坑底后，两侧土体发生较大变形，右侧坡顶土体最大水平位移为 0.9 mm，左侧坡顶土体最大水平位移为1.3 mm，坑底处基本没有产生水平向变形，变形主要集
12、中在基坑两侧的坡顶处，土体卸荷的应力释放过程中，两侧土体向坑内挤压所产生的变形主要由放坡的土体承担。两侧土体变形在控制范围内，符合基坑开挖变形要求。0.2%0.6%2.6%5.6%18.7%48.2%10.7%6.6%5.0%1.6%0.2%0.0%+9.09523e004+7.24976e004+5.40432e004+3.55886e004+1.71340e0041.32054e0051.97751e0043.82297e0045.66843e0047.51388e0049.35934e0041.12048e0031.30503e003DisplacementTY，mZYX图4放坡开挖土体
13、水平位移云图 3.2 土体竖向位移基坑开挖过程中，坑底土由于卸荷的影响会产生向上隆起的变形，放坡开挖至坑底后，土体的竖向位移云图，见图 5。基坑开挖至坑底后，土体竖向变形主要集中在坑底中心，产生的隆起量最大达 5.50 mm，距离坑中心越远土体的隆起量越小；观察坡的土体竖向位移可知：坡顶产生的竖向位移最大为 3.18 mm，最小为1.23 mm，台阶处竖向位移为 4.12 mm，基坑两侧土体竖向位移呈明显的对称现象。最大值分布在基坑坑底，最小值分布在坡顶处，且距离基坑越远土体竖向变形越小，说明距基坑越远，土方开挖后应力释放产生的影响越弱。0.1%0.2%0.5%0.7%1.0%1.5%2.2%
14、3.2%5.3%7.6%13.0%64.7%+5.54426e003+5.07193e003+4.59960e003+4.12727e003+3.65495e003+3.18262e003+2.71029e003+2.23796e003+1.76563e003+1.29330e003+8.20973e004+3.48644e0041.23685e004DisplacementTZ，mZYX图5放坡开挖土体竖向位移云图 4 桥梁桩基影响分析 4.1 桩基整体位移桥梁桩基在基坑开挖后的整体变形云图，见图 6。桩基整体位移形态为一侧向上隆起，基坑开挖前期，由于卸荷量较小，桥梁桩基水平位移近似相等，随
15、基坑中土体逐渐卸载，桥梁桩基水平位移逐渐变大，开挖至坑底后，桩基整体最大隆起量达2.2 mm，出现在距离基坑较近一侧。基坑放坡开挖后，土体在竖向的变形带动了桩基变形，越靠近基坑侧，桩基变形越大。此外，由于此处地质情况较好，而基坑放坡开挖对桥梁桩基的影响还存杨明媚，等：放坡开挖基坑变形及对邻近桥梁桩基影响模拟分析 125 在，基坑施工过程中，基坑应充分利用时空效应原理，分区、分层开挖，减小应力释放对桩基产生的变形影响。0.3%1.9%3.6%6.3%3.7%1.9%6.5%7.3%6.2%11.8%14.2%36.2%+2.17471e003+1.99449e003+1.81428e003+1.
16、63407e003+1.45385e003+1.27364e003+1.09342e003+9.13208e004+7.32994e004+5.52779e004+3.72565e004+1.92351e004+1.21361e005DisplacementTotal T，mZYX图6桩基整体变形云图 4.2 桩基垂直位移桥梁桩基在垂直方向上的变形云图，见图 7。桩基也是在靠近基坑一侧会产生较大向上的隆起变形，其中桩基顶部墩台位置的变形较大，下部桩底变形相对较小，桩基最大垂直位移为 2.13 mm，即桩基顶部位置有向上隆起的趋势，最小垂直位移为1.00 mm。进一步可以判断强风化岩体对桩基有较
17、好的保护作用，但距离基坑越近，桩基的垂直位移变形越大，随着距离的增大，桩基垂直变形逐渐减小。0.4%1.6%3.6%6.1%4.2%1.3%5.6%8.9%2.6%12.6%15.7%37.5%+2.13377e003+1.94761e003+1.76145e003+1.57528e003+1.38912e003+1.20296e003+1.01680e003+8.30633e004+6.44470e004+4.58307e004+2.72144e004+8.59810e0051.00182e003DisplacementTZ，mZYX图7桩基垂直变形云图 4.3 桩基水平位移基坑开挖至坑底后
18、的桩基水平位移变形云图，见图 8。2.9%12.8%10.8%3.2%18.6%20.2%9.4%9.4%5.8%3.3%2.3%1.1%+6.14776e004+4.92108e004+3.69439e004+2.46770e004+1.24101e004+1.43213e0061.21237e0042.43906e0043.66574e0044.89243e0046.11912e0047.34581e0048.57250e004DisplacementTY，mZYX图8桩基水平变形云图 桩基在基坑开挖过程中发生了一定的侧向变形，对比不同桥桩方案下的水平位移分布图可看出，三肋板式承台最大水平
19、位移达 6.1 mm，三柱式墩最大水平位移为 4.9 mm。这是因为三柱式墩与三肋板式承台相比，桩径和桩长更大，因此三柱式墩处的桩基水平位移相对较小。进一步分析发现：桩顶与桩底的水平位移变形方向相反，三柱式墩桩基顶部最大水平位移为1.20 mm，桩端处最大水平位移为7.30 mm，三肋板式桩基顶部最大水平位移为 3.60 mm，桩端处最大水平位移为8.57 mm，即桩基呈现倾斜的变形趋势。4.4 桩基内力变化桥梁桩基为摩擦型桩，原设计桥墩桩底反力合计 9 820.6 kN，桩基承载力为 11 853.3 kN，桥桩竖向承载力有一定富裕。桩基内力变化情况云图，见图 9。（a）弯矩（b）轴力2.4
20、%3.5%5.7%7.7%11.5%25.9%16.0%10.6%6.8%4.4%3.0%2.5%+1.23506e002+1.01137e002+7.87673e003+5.63980e003+3.40288e003+1.16595e0031.07098e0033.30791e0035.54484e0037.78177e0031.00187e0031.22556e0021.44926e002ZYX2.7%2.7%3.8%2.7%2.3%1.5%3.1%4.6%13.4%9.9%18.3%35.1%+4.94912e000+4.52116e000+4.09320e000+3.66523e000
21、+3.23727e0002.80931e0002.38135e0001.95339e0001.52542e0001.09746e0006.69500e0012.41538e0011.86424e001ZYX图9桩基内力变形云图 在基坑开挖至坑底后桩基附加弯矩最大值为145 kNm（图中数值需乘以 1e4)，发生在桥梁桩基底部位置处。桩基附加轴力最大值为 494 kN（图中数值需乘以 1e2)，三肋板式桩基受力情况要好于三柱式墩桩基，距离基坑边越近的桥梁桩基内力变化越明显，在施工过程中需加强监测，由于桥桩设计较为富裕，未采取加固措施。4.5 地层应力变化基坑开挖前后的地应力变化云图，见图 10。
22、图 10（c）、图 10（d）计算结果显示：在基坑开挖至坑底后侧向土压力减小 1371 kPa，侧向土压力是原来的 82%99%，在 15 m 范围内侧向土压力减小幅度在 82%87%，即土方开挖所带来的地应力影响大部分集中在 15 m 范围内，为尽可能减小基坑放坡开挖对桩基的不利影响，应避免基坑路基工程 126 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）边大量堆载，地面超载应控制在 20 kPa 以内。（a）初始地应力（b）开挖后（c）侧向土压力（d）侧向土压力减小比例0.0%0.1%0.1%0.3%0.6%2.4%6.8%14.4%17.6%24.6
23、%30.0%3.1%+6.36943e+001+5.75353e+001+5.13764e+001+4.52174e+001+3.90585e+001+3.28996e+001+2.67406e+001+2.05817e+001+1.44227e+001+8.26379e+000+2.10485e0014.05409e+0001.02130e+001NoneNone,NoneZYX30.3%18.0%12.4%9.0%6.8%5.4%4.4%3.7%3.1%2.6%2.2%2.0%+9.90000e001+9.65833e001+9.41667e001+9.17500e001+8.93333e
24、001+8.69167e001+8.45000e001+8.20833e001+7.96667e001+7.72500e000+7.48333e001+7.24167e001+7.00000e001NoneNone,NoneZYX6.6%9.5%10.3%14.6%10.0%10.1%9.7%8.8%7.6%6.2%4.5%2.1%Solid stressS-ZZ，kN/m2+2.11207e+0015.37932e+0011.28707e+0022.03621e+0022.78535e+0023.53449e+0024.28363e+0025.03276e+0025.78190e+0026.
25、53104e+0027.28018e+0028.02932e+0028.77846e+002ZYX8.1%14.8%9.2%8.7%8.9%9.3%9.2%8.7%7.8%6.6%5.2%3.3%+1.07205e+0007.25042e+0011.46080e+0022.19657e+0022.93233e+0023.66809e+0024.40385e+0025.13962e+0025.87538e+0026.61114e+0027.34690e+0028.08267e+0028.81843e+002Solid stressS-YY，kN/m2ZYX图10地层应力变化云图 5 结语通过对简
26、阳市电力隧道过河段邻近桥梁桩基的基坑放坡开挖工程进行数值模拟分析，研究了基坑放坡开挖的稳定性及对桥梁安全性的影响。（1）根据基坑变形结果，坑底处土体基本没有产生水平向的变形，土体最大水平位移为1.3 mm，水平变形主要集中在基坑两侧的坡顶处，土体竖向变形主要集中在坑底中心，产生的隆起量最大达5.5 mm，距离坑中心越远土体的隆起量越小，基坑变形均在合理控制范围内。（2）在基坑放坡开挖过程中，桩基整体位移形态为距离基坑较近一侧向上隆起，桩基最大垂直位移为 2.13 mm，最大水平位移达 6.10 mm，建议基坑工程施工过程中，基坑应充分利用时空效应原理，分区、分层开挖，减小应力释放对桩基产生的变
27、形影响。（3）桥梁桩基距基坑越近变形越明显，土方开挖所产生的地应力影响在 15 m 范围内，为尽可能减小基坑放坡开挖对桩基的不利影响，建议避免基坑边大量堆载，地面超载应控制在 20 kPa以内。（4）在施工过程中加强监测，除基坑常规监测外，监测内容有桥梁桩基承台处竖向和水平变形、桥梁（盖梁）支座处水平变形等。参考文献(References)：1 叶建峰,林海,颜桂云.相邻双基坑开挖相互影响二维性状分析 J.福州大学学报(自然科学版),2017,45(2):190 198.YE J F,LIN H,YAN G Y.Two-dimensional characteristic analysis o
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33、epublic of China.Technical codefor building pile foundations:JGJ 942008S.Beijing:China BuildingIndustry Press,2008.9 颜超.基于 Midas GTS 分析深大基坑开挖对邻近建筑物的影响 J.建杨明媚，等：放坡开挖基坑变形及对邻近桥梁桩基影响模拟分析 127 筑施工,2021,43(6):1131 1134.YAN C.Analysis of effect of deep foundation pit excavation on adjacentbuildings based on
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35、ement softwareJ.China Water Trans-port(Second Half Month),2020,20(01):255 258.SimulationAnalysisoftheFoundationPitDeformationbyGradingExcavationandItsInfluenceonthePileFoundationofAdjacentBridgesYANG Mingmei1，LI Wenbin2，SHANGGUAN Shiqing2（1.CCCC Real Estate Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China；2.Shan
36、ghai Branch,CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200082,China）Abstract:Based on the power tunnel project of Chaoyang Road in the second phase of the power tunnel inJianzhou New City of Chengdu,this paper conducts a study on the stability of the foundation pit by gradingexcavation and its influ
37、ence on the deformation of the surrounding bridge pile foundation.The results show thatthe horizontal deformation of grading excavation pit is mainly located at the top of the slope on both sides of thefoundation pit.The farther the soil is from the center of the pit,the smaller the amount of the so
38、il uplift is,and thedeformation of the pit is within a reasonable control range.The overall displacement pattern of the bridge pilefoundation is in the form of upward uplift on the side closer to the foundation pit,and the whole pile foundationshows the inclined state.The larger the distance between
39、 the pile foundation and the foundation pit,the smallerthe displacement response of the pile foundation,and the weaker the influence produced by the stress release afterexcavation.The influence range of the ground stress generated by excavation is about 15 m.It is suggested thatthe foundation pit sh
40、ould make full use of the principle of the time-space effect and be excavated in separate zonesand layers during the construction of the foundation pit so as to reduce the influence produced by stress release onthe deformation of the pile foundation.Keywords:foundation pit engineering；grading excavation；adjacent bridges；deformation characteristics；ground stress路基工程 128 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）
