桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响_王松.pdf

自20世纪以来，国内交通基础设施作为经济、人口流动发展的通道，公路网、铁路网越来越发达，如今交通网已经覆盖了全国大部分地区，进而引发出新建工程和既有工程的相互影响问题并成为工程领域的研究热点之一。既有工程项目自建成以后，除了工程结构本身收稿日期：2022-12-12基金项目：国家自然科学基金项目（51978357）作者简介：王松，男，高级工程师，学士，主要从事市政基础设施施工技术研究工作。通讯作者：金铎，男，在读博士研究生，主要研究方向为桥梁智能健康监测与运维。引文格式：王松，郭水，张良，等.桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响 J.市政技术，2023，41（3）：63-69.（WANG S，GUO S，ZHANG L，et al.Influence of pile foundation construction on settlement deformation of adjacent existing expressway J.Journal ofmunicipal technology，2023，41（3）：63-69.）文章编号：1009-7767（2023）03-0063-07第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.063Journal of Municipal Technology桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响王松1，郭水1，张良1，刘淼1，张雷1，吕金生1，王建1，金铎2*（1.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045；2.北京工业大学 城市建设学部，北京 100124）摘要：随着交通基础设施建设的日益完善，错综复杂的高速公路网和铁路网逐渐落地，如今邻近既有结构进行新的基础设施施工也越来越多，因而新建工程的施工对邻近既有工程影响的分析非常重要。由此，论述了某工程通过有限元软件建模匝辅桥桩基础施工过程中，对邻近既有高速公路的影响以及基坑边坡稳定性的问题。模拟发现：该施工过程对既有高速公路造成的沉降符合技术要求，制定的基坑边坡支护方案可以保证施工安全。该模拟完成后可为后续该领域的研究提供参考，同时为工程施工安全控制提供了依据。关键词：桩基础；数值模拟；施工安全控制；既有高速公路；沉降变形中图分类号：U 445.551文献标志码：BInfluence of Pile Foundation Construction on Settlement Deformation ofAdjacent Existing ExpresswayWang Song1，Guo Shui1，Zhang Liang1，Liu Miao1，Zhang Lei1，L Jinsheng1，Wang Jian1，Jin Duo2*（1.Beijing Municipal Construction Co.，Ltd.，Beijing 100045，China；2.Beijing University of Technology Faculty of Architacture，Beijing 100124，China）Abstract：With the increasingly perfect construction of transportation infrastructure and gradually completed intricatehighway network and railway network，there are more and more new infrastructure construction of adjacent existingstructures.Therefore，it is very important to analyze the influence of construction of new projects on adjacent exist-ing projects.This paper discusses the influence on the adjacent expressway and the stability of foundation pit slopeduring the construction of ramp auxiliary bridge pile foundation by finite element software modeling.The simulationresults show that the settlement caused by the existing expressway in the construction process meets the technical re-quirements.The supporting scheme can ensure the construction safety.The completed simulation can provide a ref-erence for the subsequent research in this field as well as construction safety control.Key words：pile foundation；numerical simulation；construction safety control；existing highway；settlement defor-mationJournal of Municipal Technology第41卷在自重和外荷载的作用下完成符合规范要求中的相应变形之外，荷载会由地上结构传递至地下的基础，最后施加在基础以下和侧面的土体中。土体在这些荷载的作用下会产生沉降变形，并最终使应力基本达到平衡。对于桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响，一些学者1-13在理论方法上、实际工程中和结合人工智能应用等方面均进行了研究，认为结构与结构之间的相互影响主要发生在新建工程与既有工程之间，即基坑开挖后基坑面上的土体由于失去了其上方土体的自重荷载应力，外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态，基坑底部临空面的土体会有向上的变形，同时土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低，使得基坑边坡失稳而破坏。因此，邻近既有工程施工的基坑边坡稳定性是需要考虑的重点之一。笔者则以某工程为背景，根据项目要求，通过岩土Midas Gts Nx有限元软件模拟桩基础施工对邻近既有高速公路的影响，并对每个施工阶段高速公路路基和挡土墙的变形规律进行分析，同时在基坑开挖的施工阶段制定边坡支护方案来保证边坡的稳定性，最后通过有限元软件的模拟来为施工安全控制方案的制定提供依据。1工程概况与地质环境北京市北清路（京新高速京承高速）快速化改造工程2号标段，起点位于昌平线生命科学园站，终点位于七马路西侧，全长3.46 km。新建北清路主线桥呈东西走向，与既有京藏高速公路（以下简称“高速公路”）呈十字交叉，设置全互通立交1座，共包含10座匝（辅）道桥1座主线桥。其中，有2座匝辅桥与高速公路顺行，下部结构施工邻近既有高速公路路基挡墙；4座匝道桥和主线桥上跨高速公路。模拟施工场地的新建匝辅桥与高速公路挡土墙段断面示意图如图1所示，建模包括地基、高速公路以及两侧的桩基础。高速公路路面高程6.8 m，路面宽27.6 m，桩基础工程包含基坑、承台和桩，其中桩长45 m。承台平面如图2所示。该工程范围内的地质构造格局是由新生代地壳构造运动形成的，主要特征是断裂及其控制的断块活动。勘探作业最大深度为75 m，形成了钻探资料和室内土工试验结果，并且按地层沉积年代、成因类型，将该工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层三大类。整个施工作业场地地表均分布有人工堆积层，一般厚度为0.53.5 m，到京藏桥附近（里程K2+334.89K4+353.32）填土层较厚，达到4.06.0 m，填土土质主要为杂填土、粉土填土、粉质黏土填土。往下一层为新近沉积层，其岩性主要以粉土、黏性土、砂土地层为主，厚度范围一般为1.44.2 m，其物理力学和工程图1新建匝辅桥与高速公路挡土墙段断面示意图（m）Fig.1 Cross-section of the newly built ramp auxiliary bridge and the retaining wall section of the Beijing-Tibet expressway图2承台平面图（cm）Fig.2 Platform plan64第3期性质均较差。再往下一层为第四纪全新世冲洪积地层，其岩性主要以圆砾、黏性土、砂土、粉土交互层为主，圆砾层仅在线路与京张城际铁路相交处（里程K1+048K2+258）局部分布，埋深为16.020.0 m，层厚约为4.0 m。砂土分布不连续，仅局部存在。勘探所涉及地层的最后一层为第四纪晚更新世冲洪积地层，其岩性主要以黏性土、砂土交互层为主，局部夹薄层粉土。2数值模拟根据匝辅桥和高速公路断面图建立有限元模型，将匝辅桥桩基础施工过程分为不同的阶段，以分析每个施工阶段对挡土墙和路基变形的影响。笔者使用Midas Gts Nx有限元软件建模，将大部分实体划分为3D的六面体和四面体的混合单元，如图3所示。a）建模前b）建模后图3场地建模示意图（m）Fig.3 Schematic diagram of site modeling整体模型大概分为3个部分：地基、高速公路和桩基础。根据设计图纸和施工方案在软件中画出模型轮廓线，由线建立面，再由面生成几何实体，最后由几何实体划分网格单元。划分网格单元前将地勘资料、高速公路物理参数以及混凝土参数输入到软件的材料本构一栏中，基于材料本构建立属性，然后划分网格单元时再选择各几何实体对应的属性。针对划分网格的大小，由于高速公路及附近和桩基础工程的3D网格单元划分较密集，所以网格单元尺寸为1.45 m，其余均为2.9 m。桩基础中，承台用3D网格单元划分，桩首先划分为1D梁单元，再划分为桩单元，同时在桩底部添加桩端单元。该工程共划分为原场地、桩基施工、基坑开挖、承台施工和基坑回填5个施工阶段。其中：原场地阶段模拟的是项目开工前的场地情况，包括高速公路和未动工的地基，几何实体网格单元在自重作用下完成变形，但该变形不计入后续施工阶段的模拟结果，因此需要勾选位移清零使得该施工阶段各几何实体网格单元的位移结果显示为零，同时勾选预估初始单元的激活应力状态；其余4个施工阶段依据实际施工方案对每个部分的几何实体网格单元选择激活或者钝化。全部阶段的激活荷载始终是自重作用，其他施工荷载暂且忽略不计。最后输入判敛准则，位移为0.001，内力为0.01，使用求解器进行模型分析。分析完成后，导出路基和挡土墙在各施工阶段的竖向位移结果。土层采用摩尔-库伦模型；根据汪健伟12的研究，路基路面材料同样也适用于摩尔-库伦模型。该工程参考路基路面工程13和JTG D302015公路路基设计规范14进行设计，路基路面材料参数均采用近似值（如表1所示），混凝土和钢材采用各向同性的弹性模型，弹性材料参数如表2所示。表1路基路面材料参数Tab.1 Subgrade and pavement material名称厚度/cm弹性模量/kPa泊松比容重/（kN/m3）黏聚力/kPa摩擦角/（）沥青路面水泥稳定碎石稳定土路基土2040207501.451081.951079.501069.001040.250.250.350.4024.323.121.516.2177.820.025.025.046.640.036.040.0王松等：桩基础施工对邻近既有高速公路沉降变形的影响65Journal of Municipal Technology第41卷表2弹性材料Tab.2 Elastic material名称适用结构弹性模量/kPa泊松比容重/（kN/m3）