王小平， 李勇斐， 冉益铭

(1.重庆建筑科技职业学院， 重庆 401331； 2.重庆科技学院 建筑工程学院， 重庆 401331)

目前，工程界有关近接施工沉降控制方面的研究较多[1]。施工过程中对周围土层势必造成扰动。同时，对周围已有建构筑物的稳定性造成一些不良影响，特别是在一些地质结构较复杂环境中的建构筑物；且现有的关于桩基施工及沉降对邻近建筑物影响研究的参考资料相对较少[2]。Boone等[3]研究了基坑开挖对邻近建筑物的影响。李智彦等[4]运用三维数值模拟方法研究钻孔灌注桩施工过程对周围土体应力和变形的影响，认为各个施工步序对地层应力位移影响较大，基坑下部土体挤入较为严重。马文琪等[5]运用FLAC3D建立三维简化模型，分析了钻孔灌注桩施工过程对邻近隧洞影响。联合国海洋平面观测站(验潮井)作为海洋观测管理的重要基础设施，对潮位预报、风暴潮汐预测等具有重要意义。本文对广东省闸坡现代渔港建设项目防波堤扩建及其他附属设施工程项目中南岸防波堤桩基施工对验潮井影响数值模拟分析，以确保验潮井在南岸防波堤桩基施工过程中的安全运行。

1 工程概况

广东省闸坡现代渔港建设项目位于阳江市闸坡渔港，南防波堤扩建工程需扩建一条400 m长的观光步道，在扩建过程中基础采用钻孔灌注桩，桩端持力层为强风化岩层，附近有联合国海平面验潮井。项目地理位置、南防波堤总平面图设计中的观光步道桩基位置布置及联合国海洋平面观测站(验潮井)位置，如图1所示。

图1 海洋平面验潮井与桩基位置平面关系

验潮井距离最近桩基中心位置仅为19.54 m，共计16根桩，各桩距验潮井的距离，如表1所示。

表1 各桩距验潮井边缘的距离

根据钻探揭露地层情况并综合室内土工试验成果，工程区主要岩土层自上而下为:①杂填土-灰褐色；②淤泥质粉质黏土-深灰色，流塑-软塑，土质较均匀，黏性好，切面光滑，偶夹贝壳碎屑，部分钻孔含粉细砂；③砂质黏土，灰黑色，流-可塑，土质不均匀，黏性一般，含少量中粗砂；④1全风化花岗岩，灰褐色、灰白色，岩石风化剧烈，组织结构基本破坏；④2、④3强风化花岗岩(砂砾状、碎块状)，褐黄色，灰褐色，岩石风化强烈岩质极软；④4中风化花岗岩，灰麻色，细粒结构，块状构造；④5微风化花岗岩，灰麻色，细粒结构，块状构造。

2 验潮井计算模型及工况

2.1 建立模型

结合上述地质资料，取最不利地层断面进行计算，联合国海洋平面观测站(验潮井)如图2所示。

图2 联合国海洋平面观测站(验潮井)

建模型时，土体计算宽度和桩底开挖面下土体计算厚度原则上要取至开挖结构受力后不再产生变形影响的边界为止，为消除边界效应取基坑开挖深度的3～5倍[6]。因此，本次计算模型取宽度130 m，长度140 m，高度45 m；模型共158 184个节点，873 852个单元组成，如图3所示。

图3 桩基及验潮井结构

计算模型的基坑表面为自由面，考虑其影响范围等因素，模型边界条件确定为：在x=0 m和x=129.9 m平面上采用x方向位移边界条件约束；在y=0 m及y=139.9 m两个面采用y方向约束；在模型底部z=0 m平面的上进行z平面约束。

2.2 计算工况

结合工程的实际情况，计算采用最不利条件，潮水水位采用最高水位(4.99 m)，将水压直接施加在岩土体的表面位置上，验潮井坡屋顶建筑采用相同承重平屋顶结构代替。根据软件自带的分析流程模块，结合灌注桩的实际施工过程，为了模拟实际桩基成孔浇筑施工过程对既有建筑的影响情况，在计算分析时将整个加载历史定义为多个分析步骤，每根桩基均考虑以下7个分析子步：①施加各层土及验潮井的自重，建立初始地应力场，平衡自重应力；②保留自重生成的应力场，将位移场等消除，进行下一步计算；③第一次开挖填石及回填土层，开挖深度至淤泥层岩土体处；④第二次开挖淤泥层，开挖深度至砂质黏土层岩土体处；⑤第三次开挖砂质黏土层，开挖深度至花岗岩层岩土体处；⑥第四次开挖花岗岩层至桩基设计深度；⑦施作桩基。在模型中，结构的施加通过“激活”相应的单元来实现；结构的拆除通过“杀死”相应的单元来实现。各岩土层的物理力学参数如表2所示。

表2 各岩土层的物理力学参数

3 数值模拟结果分析

在基础施工过程中为了更好地反映验潮井的应力与应变，在计算过程中采用等值曲线，所有应力与应变等图，均取自等值曲线图相近的位置，图4为验潮井基础位移等值线图取图方位。

图4 验潮井基础位移等值线图

在确定单根桩施工工况后，整个基坑开挖模拟计算两种工况；第1种按照图4中1号桩至16号桩依次进行施工，即单桩施工对验潮井的影响。而在实际施工过程中，桩基施工顺序对沉降的影响也较大。故第2种工况采用隔桩施工，分别采用隔一根桩和隔两根桩的施工工艺，即依次施工图4中1、7、13号桩或1、5、9、13号桩。

3.1 单桩施工对验潮井变形及应力分析

单桩依次施工的施工工艺相同，着重对1号桩每一个施工阶段的变形与应力进行云图分析。其余桩基础对开挖完成前与开挖完成后x、y、z3个方向的最大位移量进行统计分析。

3.1.1 穿越填石层验潮井结构变形与受力特性

经数值计算1号桩穿越填石层验潮井位移的等值线图如图5所示。验潮井基础部分x方向产生了4.270 9×10-4mm的变形量，验潮井基础y方向位移最大值为2.718 3×10-4mm，验潮井基础部分z方向产生了-1.817 6×10-4mm的变形量，变形相对较小，说明初次施工对验潮井的变形影响较小。图6与图7分别为桩基开挖前与穿越填石层后既有建筑结构最小、最大应力等值线图，其中，FLAC3D中拉应力为正，压应力为负。

图5 1号桩穿越填石层成孔施工后验潮井基础整体变形等值线图

图6 桩基开挖前与穿越填石层后既有建筑结构最小主应力图

图7 桩基开挖前与穿越填石层后既有建筑结构最大主应力图

从图6与图7中可以看出，穿越填石层成孔前后，结构体最大主应力、最小主应力无明显变化，表明填石及回填土层的开挖对验潮井结构的扰动较小。

3.1.2 穿越淤泥质土层验潮井结构变形与受力特性

桩基成孔穿越淤泥质土层后，验潮井基础部分的位移等值线图如图8所示。

图8 桩基成孔穿越淤泥质土层后验潮井基础整体变形等值线图

由图8可以看出，在开挖成孔后，验潮井基础部分x方向产生了1.922 5×10-3mm的变形量，y方向位移最大值为1.370 0×10-3mm，z方向位移最大值为-7.122 3×10-4mm，变形相对于填石及回填土层开挖略有增加，这是因为淤泥质土层力学特性较差，成孔时土体容易松动、变形较大导致验潮井位移增大。图9与图10分别为桩基穿越淤泥质土层后验潮井结构最小、最大应力等值线图，由图可得，最小主应力较前述穿越第一层填石层略有减小，而最大主应力没变。

图9 桩基穿越淤泥质土层后验潮井结构最小主应力图

图10 桩基穿越淤泥质土层后验朝井结构最大主应力图

3.1.3 穿越砂质黏土层验潮井结构变形与受力特性

图11为1号桩穿越砂质黏土层验潮井位移的等值线图。在开挖砂质黏土层成孔后，验潮井基础部分x方向位移最大值为3.744 2×10-3mm，验潮井基础y方向最大位移为2.878 0×10-3mm，验潮井基础部分z方向产生了-1.063 3×10-3mm的变形量，变形增幅有所降低，这是因为砂质黏土层力学特性相对较好，但其饱和状态下成孔时侧壁变形较大引起验潮井位移增大。

图11 1号桩穿越砂质黏土层后验潮井基础整体变形等值线图

图12与图13分别为桩基穿越砂质黏土层后既有建筑结构最小、最大应力等值线图，根据图12与图13可以看出，最大主应力与最小主应力均较穿越淤泥层略有减小，但应力变化不明显。

图12 桩基穿越砂质黏土层后既有建筑结构最小主应力图

图13 桩基穿越砂质黏土层后既有建筑结构最大主应力图

3.1.4 进入基岩层验潮井结构变形与受力特性

桩基进入基岩层成孔后验潮井基础的位移等值线图如图14所示，可以看出，在成孔后，验潮井基础部分x方向最大位移值为4.867 4×10-3mm，验潮井基础y方向位移最大值为3.861 1×10-3mm，验潮井基础部分z方向产生了-1.218 6×10-3mm的变形量。

图15与图16分别为桩基进入基岩层后验潮井建筑结构最小、最大应力等值线图。由此可以看出，验潮井最大主应力较穿越砂质黏土层未发生变化；而最小主应力略有减小，应力变化不明显。

3.1.5 浇筑完成后验潮井变形与受力特性

图17为1号桩浇筑完成后，验潮井基础的位移等值线图，由图可知,在成孔后，验潮井基础部分x方向产生了5.665 2×10-3mm的变形量，验潮井基础y方向位移最大值为4.659 5×10-3mm，验潮井基础z方向位移最大值为-1.344 9×10-3mm。图18与图19为1号桩浇筑完成后验潮井结构部分主应力图，而最大主应力与最小主应力均未发生变化。

3.1.6 各单桩开挖及浇筑施工对验潮井变形的统计

通过对16根桩基础开挖与浇筑过程的数值模拟计算，最终得到每根桩在施工过程中对验潮井基础部分开挖完成后与浇筑完成后的最大位移值，如表3所示。

图20、图21分别为桩基开挖完成后验潮井基础最大位移与桩号关系曲线和浇筑完成后验潮井基础最大位移与桩号关系曲线。

图14 桩基进入基岩层成孔后验潮井基础整体变形等值线图

图15 桩基进入基岩层后验潮井建筑结构最小主应力图

图16 桩基进入基岩层后验潮井建筑结构最大主应力图

图17 1号桩浇筑施工后验潮井基础变形等值线图

图18 1号桩浇筑完成后验潮井结构部分最小主应力图

图19 1号桩浇筑完成后验潮井结构部分最大主应力图

表3 验潮井基础部位最大位移统计

图20 桩基开挖完成后验潮井基础最大位移与桩号关系曲线

图21 桩基浇筑完成后验潮井基础最大位移与桩号关系曲线

从图20与图21可知，1号桩距验潮井的距离较小，桩基在成孔与浇筑过程中对验潮井基础的位移影响相对较大；根据地质资料，4号、5号桩下部淤泥层厚度较大，对验潮井基础的位移影响明显有所增加，随着桩与验潮井的距离越远对其位移的影响呈减少趋势。验潮井近侧桩基的施工比远侧桩基的施工对验潮井基础位移影响相对较大，即同排位置中奇数编号桩比偶数编号桩产生的位移要大；同时也受到上部填石层厚度的影响，距验潮井距离越远位移越小。在距验潮井约50 m(即14号桩)后，对验潮井桩基的位移影响变化不明显，在15号桩和16号桩距验潮井距离约55 m，其位移明显减小，因此，建议平台桩基位置距验潮井的距离不宜小于55 m。

3.2 隔桩施工对验潮井变形及应力分析

3.2.1 1、7、13号桩桩基施工对验潮井变形及应力分析

南岸防波堤扩建桩基第2排1、7、13号桩穿越填石层、淤泥质土层、穿越砂质黏土层、基岩层成孔后验潮井的位移等值线图如图22所示。由图可知，验潮井基础部分x方向产生了3.389 0×10-2mm的变形量，验潮井基础y方向位移最大值为3.971 1×10-2mm，验潮井基础z方向位移最大值为-7.605 5×10-3mm。图23与图24分别为开挖成孔后验潮井结构部分最小与最大主应力图。

图22 1、7、13号桩开挖施工后验潮井基础变形等值线图

图23 1、7、13号桩开挖成孔后验潮井结构部分最小主应力图

图24 1、7、13号桩开挖成孔后验潮井结构部分最大主应力图

图25为1、7、13号桩浇筑完成后，验潮井基础的位移等值线图，验潮井基础部分x方向产生了3.706 1×10-2mm的变形量，验潮井基础y方向位移最大值为4.333 8×10-2mm，验潮井基础z方向位移最大值为-8.615 9×10-3mm。图26与图27分别为桩基浇筑完成后验潮井建筑结构最小、最大应力等值线图。

图25 1、7、13号桩浇筑施工后验潮井基础变形等值线图

图26 1、7、13号桩浇筑完成后验潮井建筑结构最小主应力图

图27 1、7、13号桩浇筑完成后验潮井建筑结构最大主应力图

1、7、13号桩浇筑完成施工完成后较开挖施工完成后验潮井基础部分x、y、z方向的产生的位移均有所增大，而最小主应力与最小主应力浇筑完成前和浇筑完成后的变化不大。

3.2.2 1、5、9、13号桩桩基施工对验潮井变形及应力分析

南岸防波堤扩建桩基第2排1、5、9、13号桩穿越填石层、淤泥质土层、穿越砂质黏土层、基岩层成孔后验潮井的位移等值线图如图28所示。可以看出，在成孔后，验潮井基础部分x方向产生了5.062 0×10-2mm的变形量，验潮井基础y方向位移最大值为5.871 1×10-2mm，验潮井基础z方向位移最大值为-1.291 1×10-2mm。图29与图30分别为桩基进入基岩层后既有建筑结构最小、最大应力等值线图。

图28 1、5、9、13号桩开挖成孔后验潮井基础变形等值线图

图29 桩基进入基岩后既有建筑结构最小主应力图

图30 桩基进入基岩后既有建筑结构最大主应力图

浇筑完成后验潮井变形与受力特性。图31为1、5、9号桩浇筑完成后，验潮井基础的位移等值线图，可以看出,在成孔后，验潮井基础部分x方向产生了5.37 19×10-2mm的变形量，验潮井基础y方向位移最大值为6.214 6×10-2mm，验潮井基础z方向位移最大值为-1.384 5×10-2mm。图32与图33分别为1、5、9号桩浇筑完成后验潮井结构部分最小、最大应力等值线图。

图31 1、5、9号桩浇筑施工后验潮井基础变形等值线图

图32 1、5、9号桩浇筑后验潮井结构部分最小主应力图

图33 1、5、9号桩浇筑后验潮井结构部分最大主应力图

1、5、9、13号桩浇筑完成施工完成后较开挖施工完成后验潮井基础部分x、y、z方向的产生的位移均有所增大，x、y方向增幅较明显；最小主应力与最小主应力浇筑完成前和浇筑完成后的变化不大。

4 结论与措施

通过南防波堤桩基工程施工期对联合国海洋平面观测站(验潮井)结构受力及变形影响等模拟计算分析如下：

1)拟建项目南岸防波堤扩建工程平台桩基础施工，按设计施工方案，1号桩中心距验潮井基础最近距离为19.54 m，在成孔与浇筑过程中对验潮井基础的位移影响相对较大；4号桩和5号桩位置处下部淤泥层厚度有所增加，加之水位线也有所增加(水压力增加)，其位移曲线变化较陡，较其他桩基的影响变形量有所增加，因此，需对该附近桩基施工过程加强监测；对于距验潮井距离相近的各桩来说，受其地质条件的影响更加明显。

2)在距验潮井约50 m(即14号桩)后，对验潮井桩基的位移影响变化不明显，在15号桩和16号桩距验潮井距离约55 m，其位移明显减小，因此，建议平台桩基位置距验潮井的距离不宜小于55 m。

3)南岸防波堤扩建桩基础施工对联合国海洋平面观测站(验潮井)结构应力影响较小，验潮井结构体在施工过程中均无较大的应力集中。

南防波堤平台桩基工程施工应由近及远依次施工，施工时应尽量避免对岩土体的扰动与破坏，不得采用爆破施工，保证基岩完整性；桩基施工过程中，应加强监理工作，不得随意在靠近联合国海洋平面观测站(验潮井)附近增加荷载，避免因堆载产生集中附加荷载；在平台桩基成孔过程中，应做好支护措施，及时施作护壁及套管，注意成孔质量，防止塌孔，以便增大对验潮井基础位移的影响，确保联合国海洋平面观测站(验潮井)的安全运行。