余世为，阮世强，郎志雄

(1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518037；2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

随着城市建设发展及建筑密度不断增加，在已有建筑桩基础附近开挖新基坑愈发常见。既有桩基础在基坑开挖所引起的土体位移作用下，会产生附加荷载[1]，导致桩基变形甚至破坏，影响上部建筑物的安全。目前已有不少学者针对基坑开挖对邻近桩基的影响展开研究。陈福全等[2]通过对内支撑排桩支护基坑的开挖过程进行数值模拟，探讨了基坑开挖对邻近桩基的影响因素。张陈蓉等[3]采用两阶段分析方法，建立了单桩水平位移控制方程及群桩控制微分方程，分析了基坑开挖时邻近建筑物群桩中各个单桩的受力响应。郑刚等[4]以实例工程为依托，利用数值模拟分析了桩基与基坑的间距、桩基刚度等对桩基位移的影响。魏丽敏等[5]通过现场原型试验与数值模拟结果对比，表明邻近基坑开挖会劣化桩基的工作性能。上述相关研究中桩基与基坑或邻近工程通常有一定距离，对于超近距离穿越的基坑开挖影响分析研究仍鲜见报道。

本研究以某明挖法施工城市地下道路工程为依托，建立三维有限元分析模型，分析某新建快速道路基坑开挖过程对超近距离地铁高架桥桩基础的变形影响，并提出保护控制措施。

1 工程概况

某城市快速道路设计为双线隧道，采用明挖法施工。隧道基坑宽度为19.5m，深度为12.9m，以直径0.8m、间距0.5m、桩长21.9m的钻孔咬合桩和0.8m×0.8m冠梁进行围护，内设3道水平对撑，第1道撑采用0.8m×0.8m混凝土支撑，间距为6m；第2，3道撑采用直径0.609m、壁厚0.016m的钢支撑，间距为3m。

双线隧道左线与右线分别从高架桥桩间穿过，右线基坑围护结构距桥桩最近处仅1.53m。项目基坑与桥桩相对位置关系如图1所示，右线基坑支护横断面如图2所示。为控制基坑开挖对桥梁桩基的影响，采用直径0.6m、间距0.4m的袖阀管对基坑两侧邻近桥桩进行加固。

图1 项目基坑与桥桩相对位置关系

图2 右线基坑支护横断面

场区揭露的覆盖层主要为人工填土、第四系全新统冲洪积层、残积土层，基岩为加里东期混合花岗岩。地层分布自上而下为：素填土层(埋深0～-2.000m)， 软～可塑状粉质黏土层(埋深-2.000～-9.000m)， 残积(硬塑)层(埋深-9.000～-12.000m)， 全风化混合花岗岩层(埋深-12.000～-20.000m)， 强风化混合花岗岩(土状)层(埋深-20.000～ -39.000m)，强风化混合花岗岩(半岩半土状)层(埋深-25.000～-52.000m)，中风化混合花岗岩层(埋深-45.000～-56.000m)，微风化混合花岗岩层(埋深-56.000～-70.000m)。

2 数值模型建立

2.1 模型及网格划分

以右线基坑开挖为例，建立图3所示的长(x)、宽(y)、高(z)分别为200，120，70m的三维模型，研究基坑开挖引起基坑周围土体位移场的变化和对邻近桥梁桩基的影响。

图3 三维模型网格划分(单位：m)

模型网格划分后共生成66 555个单元，100 270个结点。土体采用10结点的三角形单元，对每层土体进行较为精细的单元划分(见图3)，在基坑内、承台、嵌岩桩和注浆加固体处加密单元，保证计算分析结果的精确度。

模型4个侧面施加侧向约束，模拟实际情况中土体边界只发生沉降变形不发生侧向位移的情况；模型底面施加固定约束，模拟实际情况中基岩处既不发生侧向位移也几乎不产生竖向沉降变形的情况。

2.2 材料模型及参数

场地素填土层至微风化混合花岗岩层及袖阀管加固区[6]土体均采用小应变土体硬化模型(HSS模型)，各层岩土体物理力学参数如表1所示。基坑围护结构和桥梁桩基础的承台均采用理想弹性的板单元；基坑结构与土体之间设置界面单元，基坑围护结构的水平支撑采用点对点锚杆单元，参数如表2所示；桥桩采用嵌岩桩单元。

表1 各层岩土体物理力学参数

表2 围护结构水平支撑力学参数

2.3 模拟步骤

以桩周有袖阀管注浆加固的施工方案为例，基本模拟过程如下：①产生岩土层初始地应力；②激活桥梁桩基；③激活桩基础承台上面荷载，并重置位移为零；④加固桩基础周围部分土体；⑤激活围护结构，分4层开挖基坑，同时激活对应水平对撑。

3 模拟结果分析

由于基坑开挖会造成土体应力卸载，围护结构及桩基产生的主要变形方向均为沿基坑短边方向，即三维模型中y方向，因此，水平方向上仅研究沿基坑短边方向的变形。

3.1 土体位移

右线基坑开挖至坑底并施作水平支撑完毕后的土体水平位移云图如图4所示。由图4可知，所有施工步完成后，土体水平方向最大位移为-13.01mm， 位于基坑坑底边缘处。

图4 土体水平位移云图

3.2 围护结构变形

右线基坑开挖至坑底并施作水平支撑完毕后的围护结构水平变形云图如图5所示。由图5可知，最后一个施工步完成后，围护结构水平最大变形为-13.54mm，位于围护结构中下部。

图5 围护结构水平变形云图

3.3 桩基桩身变形

1号桥桩位移分布曲线如图6所示。由图6可知，1号桥桩上部产生向基坑内部的位移，而桩端基本保持不动，桩身整体呈向基坑内倾斜趋势。由于嵌岩桩刚度较小，其最大水平位移位于桩顶以下5.0m处，最大水平位移为-4.00mm。同时，桩身倾斜使桩顶竖向位移向下，桩端基本保持不动，最大竖向位移为-1.19mm， 位于桩顶部。

图6 1号桥桩位移分布曲线

2号桥桩位移分布曲线如图7所示。由图7可知，2号桥桩上部产生向基坑内部的位移，而桩端基本保持不动，桩身整体呈向基坑内倾斜趋势。由于嵌岩桩刚度较小，其最大水平位移不在桩顶，而位于桩顶以下5.6m处，最大水平位移为3.91mm。同时，桩身倾斜使得桩顶竖向位移向下，桩端基本保持不动，最大竖向位移为-0.81mm， 位于桩顶部。

图7 2号桥桩位移分布曲线

4 模拟结果分析

4.1 桩周无袖阀管加固影响分析

为明确袖阀管加固区的存在对桩基变形的影响机制，去除桥梁桩基周围的袖阀管加固区，重新计算1号桥桩水平位移及竖向位移，结果如图8所示。结果表明，当桩周无袖阀管加固时，桩基最大水平位移为-4.95mm，最大竖向位移为-1.56mm， 与桩周有袖阀管加固时相比，分别增加了0.95，0.37mm，增幅为23.8%，31.1%，表明在桥梁桩基础周围采用袖阀管注浆加固能有效保护桥桩。

图8 1号桥桩位移分布曲线(考虑注浆加固的影响)

4.2 钢支撑施加预应力影响分析

为明确钢支撑预应力的存在对桩基变形的影响机制，对所有水平钢支撑预加600kN的轴向受压预应力，重新计算1号桥桩水平位移及竖向位移，结果如图9所示。

图9 1号桥桩位移分布曲线(考虑施加预应力的影响)

计算结果表明，在所有水平钢支撑施加预应力后，桥桩最大水平位移为-3.05mm，最大竖向位移为-0.90mm，与未施加预应力时相比，分别减小了0.95 ，0.29mm，降幅为23.8%，24.4%，表明提前施加预应力能有效保护桥桩。

4.3 嵌岩桩轴压比影响分析

为明确桥梁桩基础中嵌岩桩轴压比n对桩压-弯耦合效应的影响，现以1号桥桩为例，按正常设计方案(即桩周有袖阀管加固、钢支撑未施加预应力)，1号桥桩轴压比为0.17，另取轴压比0.10，0.30，分别计算不同轴压比下桩身内力。

如图10所示，在正常设计方案中，当桩的轴压比从0.10增加至0.17，0.30时，桩身最大弯矩也从707.9kN·m增加至869.9，1 104.8kN·m，但桩身最大M/N(弯矩/轴力)从0.332减小至0.223，0.209。这是由于在相同的水平荷载(即相同基坑开挖工况)作用下，随着单桩轴压比在一定范围内不断增大，桩身轴力增长幅度高于弯矩增长幅度，桩承载力控制因素逐渐由弯矩主导转向轴力主导，因此，表现出桩压-弯耦合效应不断减弱。同时，由于桩抗压性能远高于抗弯性能，桩承载力不断增加[7]。

图10 1号桥桩不同轴压比下内力分布曲线

5 结语

1)以右线基坑开挖为例，当基坑开挖至坑底并施作水平支撑完毕时，土体水平最大位移位于坑底边缘处，达-13.01mm；围护结构水平最大变形为-13.54mm， 位于围护结构中下部；1号桥桩桩身最大水平位移为-4.00mm，最大竖向位移为-1.19mm； 2号桥桩桩身最大水平位移为3.91mm，最大竖向位移为-0.81mm。

2)去除桥梁桩基础周围一定范围内的袖阀管加固区后，1号桥桩浅层桩身水平位移明显增加，达-4.95mm，增幅为23.8%；桩身竖向位移明显增加，达-1.56mm，增幅为31.1%。同时深层桩身位移与有袖阀管加固区时的计算结果几乎一致。结果表明，在已有桥梁桩基础周围采用袖阀管形式对土体注浆加固能有效保护桥桩，降低基坑开挖带来的影响。

3)对基坑第2，3道水平钢支撑施加预应力后，1号桥桩浅层桩身水平位移明显减小，减小至-3.05mm， 降幅为23.8%；桩身竖向位移整体减小，减小至-0.90mm，降幅为24.4%。因此，对于类似的实际工程，可以通过对基坑内水平钢支撑提前施加预应力，能明显减小基坑开挖对邻近桩基的影响，提高工程安全性。

4)在相同水平荷载(即相同基坑开挖工况)作用下，随着单桩轴压比在一定范围内不断增大，桩压-弯耦合效应不断减弱，桩承载力不断增加。