李 佳

(三门峡职业技术学院 建筑工程学院，河南 三门峡 472000)

0 引 言

建(构)筑物沉降与不均匀沉降是导致建(构)筑物结构损坏的主要原因，其中建(构)筑物邻近堆载是主要的因素之一。近年来，在已建建(构)筑物周边堆载并进行地基处理施工的情况日益增多，如果堆载影响范围内地质条件十分复杂，堆载及地基处理施工将导致已建建(构)筑物产生较大的沉降、不均匀沉降及侧向位移，致使建(构)筑物发生质量事故。如何准确预测堆载作用及地基处理施工过程中建(构)筑物地基及结构的不均匀沉降与侧向位移，成为亟待解决的问题。

闵红文[1]考虑下沉式道路地道结构及周边复杂地质条件，利用ADINA有限元软件模拟分析基坑开挖与回填及不同类型基础施工引起的地道结构不均匀沉降。叶虔等[2]考虑复杂地质条件、结构自身的约束条件及结构与土体之间的相互作用，采用非线性有限元法对基坑开挖与回填过程进行了数值分析，研究其变形特性与规律。李瑞雄[3]、李兴文[4]等从推导考虑破裂面的土压力计算公式出发，分析了基坑回填处理不当和地面超载对有地下室的基础产生的影响。张晓斌[5]综合考虑结构、基础、地基的相互作用，利用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型，对大面积堆载作用下邻近建筑物的不均匀沉降进行分析。迟德芳[6]针对堆载及桩基础2种地基施工方案，利用有限元软件ANSYS分析机加工车间和大修车间的不均匀沉降。冯胜洋等[7]使用ABAQUS软件建立了三维有限元分析模型，结合临近桩基的沉降与地基土孔隙水压力的实测数据，系统研究了塑料排水板堆载预压处理软土地基对临近桩基的影响。胡晓明等[8]采用Midas NX软件分析了板桩、密排灌注桩及搅拌桩地基处理引起的临近桩基框架结构堤防变形。杨敏等[9]利用有限元数值模拟分析堆载作用下的土体位移及变形土体与邻近桩基的相互作用。M F Bransby等[10]利用离心模型试验研究了邻近堆载对群桩承载性状的影响。本文通过选取典型基坑剖面，采用有限元数值计算方法研究上覆道面和地道结构在基坑回填及道路填筑施工时产生的沉降和不均匀沉降，为基坑回填施工方案的选取提供依据。

1 工程概况

深港西部通道侧接线工程主线道路按双向六车道高速公路标准设计，设计车速为80 km·h-1。线路以高架桥方式经过大南山北麓，以地道下穿东滨路建成区和深圳湾填海区，其中主线下沉式道路长约3.09 km，受地形及通风技术要求分别设全敞开段一处及半敞开段两处。后海滨路以东即填海区，该段为半敞开段开挖，地道结构上部布置市政道路东滨路，道路断面宽于地道结构断面。地道结构宽度为28～30 m，顶板埋深为2～4 m，基坑开挖深度为10～12 m，采用排桩支护、放坡支护等多种支护结构形式。

地道结构下部存在淤泥或淤泥质亚黏土，两侧尤其是北侧以新近堆填松散素填土为主，2004年8月对地道结构下部及两侧进行了地基处理。地道结构以下地层采用预应力管桩处理。考虑地道结构南侧原有海堤，采用爆破排淤使抛石着底，抛石及爆破处理到位后，表面补填面夯处理。地道结构北侧主要采用抛石挤淤强夯块石墩置换处理。

2 基坑回填施工及后续地基处理

考虑到雨季基坑的稳定与安全，应对封顶的地道结构基坑进行及时回填[11]。但若在地道结构建成后直接进行回填，地道结构及其上覆市政道路东滨路会产生较大的不均匀沉降[12]。经过计算分析、方案比选，最终采取如下回填方案：先进行基坑部分回填，填至标高-2.0 m，高出基坑底面4.5 m；在地道结构北侧，采用PHC管桩与平台托板配合来承担高回填土的重量，PHC管桩桩径为0.4 m，间距为2 m×2 m，梅花形布置，打设深度约30 m；基坑其他部分土方回填与原地面标高3.0 m齐平；填筑上覆市政道路东滨路路堤，回填后上覆路堤标高为4.5～6.8 m。回填工况如图1所示。

图1 回填工况

根据场区地质条件及地区经验，对于一般建(构)筑物，堆载预压或强夯法(或强夯置换块石墩法)是该区较为可行的2种地基处理方法。堆载可采用高度为4 m、坡度为1∶1的土坡。强夯采用重20 t的夯锤，落距为20 m，单击夯击能为4 000 kN·m，锤击数为8～10。

地道结构基坑回填之后，上覆路面会产生一定的不均匀沉降，可能影响地面道路的质量。此外，道路北侧地基处理也将影响相邻地道结构，引起附近道路路面沉降。

3 基坑回填及地基处理施工的影响

3.1 计算断面

考虑基坑开挖坡度、土层情况、护坡桩类型以及路堤填筑高度等因素的变化，选取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5个典型断面进行计算。以典型断面Ⅰ为例，采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟计算，内容包括：基坑标高-2.0 m以上回填作用下地道结构底部和道面的不均匀沉降；路堤填筑完成后地道结构北侧强夯和堆载预压2种地基处理施工对地道结构及市政道路产生的影响，主要体现在水平位移、沉降及应力分布等方面。

典型断面Ⅰ地道结构周围地层分布如图2所示。根据勘察报告，从上到下各土层分布情况如下。

(1)人工填土①：南侧以大块填石充填黏性土为主，块石直径为30～80 cm，主要为原填海围堰路堤(①1)；北侧主要为新近堆积素填土，结构松散(①2)。

(2)淤泥②：灰～深灰色，局部含贝壳碎片和中细砂，仅在北侧分布。

(3)砾砂③：浅灰、灰黄色，饱和，松散～中密状态，含少量黏性土，厚度为0.2～12.6 m。

(4)淤泥质亚黏土④：灰黑～褐黑色，湿～饱和。

(5)粗(砾)砂⑤：深灰～灰色，饱和，松散～中密状态，有机质含量为1.93%～5.5%，不均匀，含少量黏性土和贝壳。

(6)砾质亚黏土⑥：褐红，褐黄夹灰白色，系粗粒花岗岩风化残积而成。

(7)燕山期粗粒花岗岩⑦：钻孔深度控制范围内揭露至全、强风化带。

图2 典型断面Ⅰ地道结构周围地层分布

地道结构以下地层采用预应力管桩处理，南侧采用强夯块石墩地基处理，与原老海堤相接，处理范围为离地道结构南侧边界36.2 m；北侧采用抛石挤淤强夯块石墩置换处理，处理范围为离地道结构南侧边界32.7 m。

3.2 有限元网格划分及计算参数

由于地道结构较长，按照平面应变问题进行有限元分析。为了网格划分的方便，采用三角形六节点和四边形八节点混合单元。有限元网格划分如图3所示。

图3 典型断面Ⅰ有限元网格划分

在有限元分析中，冲孔桩和地道结构假设为弹性体，各土层、塑性混凝土止水桩假设为弹塑性体，材料破坏准则采用莫尔-库仑准则。材料计算参数如表1所示。

表1材料计算参数

名称本构模型弹性模量/kPa波松比凝聚力/kPa内摩擦角/(°)地道结构线弹性3.0×1070.25冲孔桩线弹性3.0×1070.25预制管桩线弹性1.0×1070.25塑性混凝土桩理想弹塑性1.0×1070.2560032填石理想弹塑性15.0×1070.35335填土理想弹塑性4.0×1030.351015淤泥理想弹塑性1.5×1030.3551含黏土粗砂理想弹塑性3.6×1040.35832淤泥质亚黏土理想弹塑性3.0×1030.35128粗(砾)砂理想弹塑性1.95×1040.35530砾质亚黏土理想弹塑性2.4×1040.352025全风化花岗岩理想弹塑性6.6×1040.353530回填土理想弹塑性1.0×1040.351025堆载理想弹塑性1.0×1040.351015

3.3 计算结果与分析

3.3.1 基坑回填及道路填筑引起道面和地道结构的沉降

基坑回填及道路填筑后路基沉降等值线如图4所示。从图中可见，由于路堤填筑，路基自身仍有较大沉降，最大沉降为8.76 cm，发生在堆载北侧路堤附近。由于地道结构下方打设预制管桩，该区域沉降及影响范围要小于周围土体，而未打设预制管桩或冲孔桩处的沉降相对较大，影响深度较深。

图4 基坑回填及道路填筑后路基的沉降等值线

基坑回填及道路填筑后道面沉降如图5所示。从图中可见，由于基坑回填及路堤填筑，基坑南北侧均有沉降发生，总体呈现由南往北逐渐增大的趋势。最大沉降发生在地道结构北侧，由于北侧有变形模量较小的淤泥及淤泥质亚黏土，沉降相对较大。地道结构基础下打设管桩，沉降较小，为2～3 cm。地道结构北侧布设有管桩支撑与平台托板，起到了很好的沉降过渡作用，承台范围内道面沉降为4 cm，而承台外侧道面急剧下降，最大处达到8.76 cm。

图5 基坑回填及道路填筑后道面沉降

基坑回填及道路填筑后地道结构底板的沉降如图6所示。从图中可见，沉降在2.2～2.8 cm之间，满足地道结构不均匀沉降的要求。由于北侧附近有变形模量较小的淤泥及淤泥质亚黏土，所以沉降相对较大。地道结构中轴线处沉降相对于周围底板沉降有所增大，主要是由于该部分底板传递了一部分上部荷载。

图6 基坑回填及道路填筑后地道结构底板的沉降

3.3.2 堆载预压施工对相邻地道结构和道路的影响

对距地道北侧边界20、40 m处堆载预压施工对相邻地道结构和道路的影响进行分析，仅列出离地道北侧边界20 m处堆载预压对相邻地道结构和道路的影响分析结果。

在离地道结构北侧边界20 m处堆填4 m厚填土，地道结构及路堤的沉降等值线如图7所示，由图可见，堆载预压作用产生的地面最大沉降为37.82 cm。

图7 距地道北侧边界20 m处的堆载沉降等值线

在路堤与堆载共同作用下地道结构底板的沉降如图8所示，从图中可以看出，沉降绝对值在2.3～4.1 cm之间，不均匀沉降为1.8 cm，满足地道结构不均匀沉降的控制标准。

图8 路堤与堆载共同作用下地道结构底板的沉降

在距地道北侧边界20 m处堆填4 m厚填土，路堤与堆载共同作用下地道结构及地基的水平位移等值线如图9所示。从图中可以看出，最大水平位移发生在淤泥层及木桩下的淤泥质亚黏土中，为5.23 cm。

图9 距地道北侧边界20 m处堆载时水平位移等值线

地道结构右侧壁水平位移如图10所示，横坐标起点为地道结构右侧壁上方。从图中可见，水平位移绝对值在1.3～1.7 cm之间，相对较小。

图10 地道结构右侧壁的水平位移

3.3.3 强夯施工对相邻地道结构和道路的影响

对距地道结构北侧20、40 m处强夯对相邻地道结构和道路的影响进行分析，仅列出离地道结构北侧20 m处强夯对相邻地道结构和道路的影响分析结果。

在距地道结构北侧20 m处2击强夯，地道结构及地基的沉降变形等值线如图11所示。由图可以看出，夯锤底部正下方沉降最大，2击夯沉总量为59.1 cm，夯锤两侧一定范围内土体有所隆起。

图11 2击强夯作用下的沉降等值线

在距地道结构北侧20 m处强夯，地道结构底板的沉降情况如图12所示。从图中可以看出，在强夯作用下地道结构有所反弹，沉降在3.7～19.2 mm之间，不均匀沉降较小，在地道结构允许范围之内。

图12 强夯作用地道结构底板的沉降

在距地道结构北侧20 m处施加2击强夯，地道结构及地基的水平位移等值线如图13所示。从图中可以看出，夯锤底部两侧附近土体的水平位移量挤出较大，为18.03 cm。

图13 2击强夯作用下的水平位移等值线

在距地道结构北侧20 m处强夯时，地道结构右侧壁的水平位移情况如图14所示。从图中可见，水平位移绝对值在3.4～10.8 mm之间，不均匀水平位移较小。

图14 地道结构右侧壁的水平位移

根据前述计算结果，得到典型断面Ⅰ基坑回填及路堤填筑引起地道结构底板及道面的沉降，如表2所示。堆载预压和强夯2种地基处理施工对地道结构底板和道面的影响情况分别如表3、4所示。

表2 基坑回填及路堤填筑引起地道结构底板及道面的沉降

表3 堆载预压对地道结构底板及道面的影响

由表2～4可以得到如下结论。

(1)地道结构底板不均匀沉降为0.6 cm，满足地道结构变形控制要求。道面最大沉降量为8.76 cm，在地道结构和承台边缘上方的道面之间，承台上方的道面与一般道面之间有4.77 cm的不均匀沉降。

表4 强夯对地道结构底板及道面的影响

(2)若市政道路已填筑完成，在距地道结构北侧40 m处进行4 m厚填土堆载预压，地道结构底板产生的不均匀沉降很小，仅为0.2 cm，说明在40 m以外堆载不影响地道结构的正常使用，并满足安全控制要求。原道路道面产生的不均匀沉降为1.3 cm，且不均匀沉降集中在靠堆载一侧15 m范围路面，容易造成路面开裂。

(3)若市政道路尚未铺设路面，在距地道结构北侧20 m处堆载4 m厚填土，地道结构底板产生的不均匀沉降为1.8 cm，不超过3 cm的控制要求，但地道结构的最大附加拉应力较大，已超过C30混凝土的抗拉强度。

(4)若市政道路已填筑完成，在距地道结构北侧40 m处强夯，地道结构底板产生的不均匀沉降也小于2 cm，且地道结构最大附加拉应力较小，说明在40 m以外强夯不影响地道结构的正常使用，并满足安全控制要求。但在40 m处强夯会使已建成道路路面产生较大的不均匀沉降。

(5)若市政道路尚未铺设路面，在距地道结构北侧20 m处强夯，地道结构底板产生的不均匀沉降仍小于3 cm，最大附加拉应力虽然比40 m处强夯有所增加，但地道结构仍有一定的强度安全储备，且对已建成道路路面造成的不均匀沉降将减少一半。

4 基坑回填及后续地基处理

4.1 针对基坑回填及市政道路施工的建议

由前述分析可知，由于基坑回填和市政道路填筑，在承台上方的道面与一般道面之间有接近5 cm的不均匀沉降。考虑到计算断面基坑回填范围下卧层的淤泥层较薄，且上下有砂层，所以基坑回填和道路填筑引起的沉降发展较快，预计工后沉降量不会超过总沉降量的50%。为了防止道面产生不均匀沉降，建议采取如下措施。

(1)基坑回填采用较好的回填材料，保证压实质量，结构和交接带设置土工格栅，减少差异沉降。

(2)路基填筑后经历一段时间，观测沉降发展情况，待沉降基本稳定后再铺沥青面层。

(3)选取回填试验段，在填筑施工时及施工完成后，监测地道结构和道面的沉降，利用沉降监测资料推算工后沉降。

4.2 针对后续堆载预压的建议

由前述分析可知，若市政道路尚未铺设路面，在距地道结构北侧20 cm处堆载预压，地道结构底板产生的不均匀沉降不超过3 cm的控制要求，但地道结构的最大拉应力增加较大，已远远超过C30混凝土的抗拉强度。考虑堆载施工过程中偶然荷载的影响，以及土体结构扰动强度降低等因素，建议在距地道结构北侧至少30 m范围开始堆载。

若市政道路已填筑完成并铺设路面，在40 m以外堆载不影响地道结构的正常使用，并满足安全控制要求。但是，原路面会产生1.3 cm的不均匀沉降，且不均匀沉降集中在靠堆载一侧15 m范围的路面内，容易造成路面开裂。建议在距地道结构北侧边界至少30 m处堆载。

根据勘察报告提供的三轴不固结不排水试验及静力触探试验，估算不排水抗剪强度指标Cu0=12 kPa。根据式(1)估算第一级荷载大小[13]。

P1=5.52Cu0/1.5=44.16 kPa

(1)

式中：P1为第一级荷载(kPa)。

令填土容重γ=19 kN·m-3，换算得到第一级堆载允许高度为2.32 m，取2.0 m，换算P1=38 kPa。

根据式(2)计算第一级荷载下达到某固结度所需的时间t[14]。

(2)

由式(2)计算第一级荷载下达到70%固结度所需时间为15 d。

根据第一级荷载的大小，利用式(3)估算第一级荷载下达到70%固结度时的强度Cu1。

(3)

式中：Cu0为土层初始不排水抗剪强度，Cu0=12 kPa；φcu为土层的不排水内摩擦角(°)。

由式(3)估算Cu1=18 kPa。

由式(1)估算第二级允许堆载为66 kPa，换算堆载高度H2=3.5 m，即第二级堆载高度为1.5 m，实际换算荷载为28.5 kPa。在第二级荷载作用固结度达到70%时，由式(4)计算此时的抗剪强度Cu2。

(4)

式中：P1、P2分别为第一级、第二级堆载换算荷载。

计算得Cu2=33 kPa，大于地基所需强度22.6 kPa，因此可以施加第三级荷载。

由上述计算分析可知，可按如图15所示的方式施加堆载。

图15 堆载施加方式

4.3 针对后续强夯的建议

由前述分析可知，若市政道路尚未铺设路面，在地道北侧20 m处强夯，底板不均匀沉降小于3 cm，地道结构强度有一定的安全储备。但考虑到强夯作用下扰动使得土体结构强度降低等因素，建议在距地道北侧30 m范围内禁止强夯。若市政道路已填筑完成并铺设路面，在距地道结构北侧40 m处强夯，地道结构产生的不均匀沉降均小于2 cm，但道面产生15.8 cm的不均匀沉降，以沉降变形1 cm控制，影响范围最大可达30 m。考虑安全储备，建议在距道路北侧边缘40 m处进行强夯施工。

5 结 语

(1)地道结构基坑回填及上覆道路填筑引起地道结构底板产生较小的不均匀沉降，满足地道结构变形控制要求；上覆道路承台上方道面与一般道面之间会产生接近5 cm的不均匀沉降。为了防止产生不均匀沉降，提出了基坑回填及道路填筑施工的建议。

(2)综合分析了堆载预压施工引起地道结构底板的不均匀沉降、地道结构的最大附加拉应力及道面的不均匀沉降，提出在距地道结构北侧边界至少30 m处进行堆载施工的建议。

(3)综合分析了强夯施工引起地道结构底板产生的不均匀沉降、地道结构的最大附加拉应力及道面的不均匀沉降，提出在距道路北侧边缘40 m处进行强夯施工的建议。