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樊金山1*，程 伟2
(1. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430100； 2. 浙江交工集团股份有限公司设计分公司，杭州 310051)
摘 要：为了探究基坑开挖对邻近道路路基变形的影响，依托软土地区某典型基坑工程，采用大型通用有限元数值分析软件ABAQUS对此开挖工程进行建模，研究基坑开挖时的不同开挖深度和不同支护系统对路基变形的影响，并对比不同工况下路基表面的沉降量和水平位移值。分析结果表明：随着开挖深度的增加，路基顶面竖向变形量和路基边坡水平变形量都随之增加；同一开挖深度、同一支护系统下路面的水平位移受与基坑水平距离的影响相对较小。因此基坑开挖过程中应减少每次开挖的深度，避免对路基影响过大。研究成果可为类似基坑开挖工程设计提供计算依据，推进基坑开挖对道路影响的研究。
关键词：基坑开挖；路基变形；有限元模型；路面沉降；水平位移
随着我国基建事业的快速发展与土地资源开发利用程度、规模的迅速扩大，土地开发利用(如开挖和建筑)对邻近已有构筑物的安全影响日益成为一个焦点性问题，也成为了一个关键性技术难题[1-2]。在临近道路路基范围内开挖基坑，势必会扰动土体，导致基坑周围土体变形，如若不加以控制，路基变形超过技术要求，会导致道路路基路面发生损坏，轻则提高路基路面养护成本，重则影响道路的运营安全。
近年来，许多学者对基坑开挖设计理论以及开挖对临近路基变形的影响进行了研究探讨，如王培鑫等[3]通过现场实测数据，分析了基坑开挖过程中基坑以及路基的变形规律和沉降原因，提出了相应的技术措施。孔祥鹏等[4-6]通过监控构筑物周围区域的变形与应力应变变化，分析了土体变化速率，并采用有限元方法对既有结构变形进行了分析。方浩[7-8]通过有限元分析研究了基坑到路基距离、降水方案、围护结构对邻近路基变形的影响。限于工程现场的复杂性，现场监控往往无法全面获取路基的变形状态，采用模型试验又难以模拟出无限地基阻尼情况，且费用高[9]，如何准确预测基坑开挖对既有道路路基的影响的相关研究还比较少。为适应道路邻近土体利用的发展需求，有必要通过有限元方法模拟基坑开挖不同工况，获取开挖时路基稳定控制指标的临界值，为基坑开挖的安全实施和实际道路运营提供理论支持。
本文以我国软土地区某典型基坑开挖工程为研究背景，通过大型通用有限元数值分析软件ABAQUS对基坑和道路路基进行建模，结合不同土体本构模型参数以及不同支护方式，分析了在不同开挖深度情况下，邻近道路路基的变形情况。
软土地区某基坑工程拟开挖一条宽17m的连续基坑，如图1所示，基坑总深15.6m，拟分四级进行开挖，第一次开挖至1m，第二次开挖至6.6m，第三次开挖至10m，第四次开挖至基坑底部。基坑两边采用连续墙进行加固，结合一道混凝土支撑和两道钢支撑进行支护。基坑周边环境复杂，北面邻近一条运营中的道路路基，且已经占用了路基的红线范围，需采用钢管桩及预应力锚索混合支护进行加固处理。路基为典型的填方路基，简化为两层，即路基和路面。土体有四层，从上到下依次为：素填土、砾质黏性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩，地下水位较低，不考虑地下水位影响。
图1 道路路基邻近开挖基坑断面
基坑内部采用内支撑加连续墙模式，路基采用钢管桩加预应力锚索模式。钢管桩外径Φ500mm，壁厚20mm，预应力锚索长度10m(全锚)，向下角度为20°，连续墙厚1m，北墙高25m，南墙高22m，钢支撑外径Φ600mm，壁厚16mm，混凝土支撑为600mm×800mm矩形截面支撑。
卡尔曼滤波是一种递推最优估计理论,它通过对当前状态的观测值,上一状态的预测值及其预测误差的计算得到当前状态的最优预测值,从而对下一状态进行预测[11-12]。由于在测量方差已知的情况下能够从噪声背景下估计出动态系统的状态且利于编程实现,被广泛应用于信号处理与处理控制领域[13]。卡尔曼滤波的状态预测方程及观测方程表达式为:
截取拉伸10m后断面作为分析对象，分析中为消除应力边界的影响，模型尺寸取基坑尺寸的3～5倍，宽度77.8m、高度65m、深度10m。上边界为自由界面，前后约束Z方向位移，左右约束X方向位移，底边固定约束。由于仅考虑重力影响，取重力加速度为9.8m/s2。
参照图1尺寸建立了有限元模型，整体模型及支撑网格如图2所示，共使用50 430个三维八节点单元(C3D8)，共计66 595个节点。在数值计算中采用生死单元来控制模型变化，通过对基坑进行分层开挖来模拟逐级开挖施工；采用Embedded技术模拟预应力锚杆以及钢管桩在土体中的受力状况，由于土体在自重作用下会有地应力产生，则需使用ABAQUS提供的语句*initial condition来进行初始地应力平衡，即还原开挖前的土体结构受力情况。
图2 整体模型及支撑网格
开挖土体分为四级，开挖工序如下：
朗读是学生语言学习生涯的重要组成部分。然而，在当前的小学语文教学中，朗读教学的开展现状不容乐观。首先，应试教育理念的影响，很多小学语文教师对朗读教学重视程度不足。在课堂教学中，教师往往只关注生字词、阅读、写作等考试模块的教学，对学生语言能力培养不够重视，导致朗读教学在小学语文教学中开展力度不足，影响了学生语言表达能力的提升。其次，由于受到自身综合素质的影响，部分地方小学语文教师尚未形成系统化的朗读训练体系，教师自身的普通话水平不高，难以对学生开展有效的朗读训练，最终影响了小学语文朗读教学的开展效果。
我国畜牧经济快速发展，畜牧养殖业成为国民经济重要组成部分之一。我国肉鸡养殖产量达到世界前三，成为主要的肉鸡出口国。在我国肉鸡养殖业中，白羽肉鸡是主要养殖品种。白羽肉鸡养殖中，传染性疾病感染率和死亡率均较高，给我国白羽肉鸡养殖业造成严重的经济损失。
(1) 连续墙嵌入。模型先进行地应力平衡，将开挖前的位移清零，之后先将连续墙所在土体挖空再填入连续墙。
(2) 开挖第一层。第一层只有1m，开挖后使第一层支护能施工。
在学前儿童体育游戏创编设计中，应在考虑学前儿童智力水平、性格特点、年龄基础上，贴近学前儿童生活，遵从以下几点原则实施设计。
(3) 加上混凝土支撑，长边竖向放置。
(4) 开挖第二层。第二层开挖到6.6m。
1、就业因素，很多农民把土地租给种田大户、租赁公司，涌向劳动力市场从事低技术工作，然而中小企业、服务业等文化、技术要求较低的产业的增长速度开始放缓，经济形势不乐观的背景下，就业需求也随之下降。
(5) 加上上层钢支撑。
作者使用2.5 T型掌骨微型钢板代替普通3.5T型支撑钢板，继承了普通支撑钢板的优点，用最少、最小的器械压住后踝骨折块尖齿部位，以较小的“巧劲”获得解剖复位，达到可靠的固定效果，两组患者均获解剖复位，并在骨折愈合时间、AOFAS评分优良率比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。同时由于掌骨微型钢板无需塑形，复位、固定同时完成，手术剥离范围小，操作简单，术后两组相关手术结果指标对比，研究组在手术时间、出血量方面优于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），最大限度降低了手术创伤，小巧的钢板也减轻了对后方肌肉的刺激，研究组中未再出现拇趾屈曲畸形病例。
(6) 开挖第三层。第三层开挖到10m。
(7) 加上下层钢支撑。
(8) 开挖到基坑底部。基坑开挖到15.6m。
依照此工序，计算时设置了8个分析步。
土体采用ABAQUS材料库所提供的能较好反映土体力学特性的Mohr-Coulomb本构模型，该本构模型由非线性弹性模型和弹性模型组合，一共有5个参数，分别为密度ρ、弹性模量E、泊松比ν、黏聚力c和摩擦角φ，其中密度ρ、弹性模量E、泊松比ν为弹性模型使用参数，黏聚力c和摩擦角φ为塑性模型使用参数，各地层主要物理参数如表1所示。
表1 各地层主要物理参数
地层密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/MPa泊松比υ黏聚力c/kPa摩擦角φ/(°)路面2 0001 0000.2——路基1 700300.323020素填土1 700150.281624砾质黏性土1 750200.351021强风化花岗岩1 800300.312227中风化花岗岩2 2002000.258038微风化花岗岩2 40020 0000.21 20042加固区2 0001200.36030
基坑开挖过程中，支护系统采用弹性模型，支撑采用B31单元进行模拟。根据实际情况，将支撑和连续墙采用绑定约束(*tie)进行约束，钢管桩和预应力锚索采用B31单元进行模拟，连续墙与土体之间采用阀接触。各支护结构主要物理参数和设计参数如表2所示。
表2 各支护结构主要物理参数和设计参数
地层密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/MPa泊松比υ间隔/m连续墙2 40030e30.2—预应力锚索—200e3—1.8钢管桩—200e3—0.9混凝土支撑2 40030e30.25钢管支撑7 800200e30.33
为验证所给定的参数是否能够准确模拟工程施工过程中的应力与应变变化情况，需要对比计算模型中南、北连续墙内部位移计算数据与实测数据。对比情况如图3、图4所示。
图3 南连续墙侧移实测值与计算值对比
图4 北连续墙侧移实测值与计算值对比
由图3、图4可知，对于连续墙结构支护系统，在每层的支撑处，结构的侧移值均回落变小，实测结果也印证了这一规律。北连续墙的最大侧移发生在第一道支撑与第二道支撑中间，最大位移值为75mm，南连续墙的最大侧移发生在连续墙的最顶端，最大位移值为47mm，与实测结果吻合良好。产生南、北墙位移差别的原因在于路基的重力作用将北连续墙所受的土压力通过内支撑传递给南墙，使得南墙发生了一定的旋转，从而底部出现了一定的负位移，最大负位移为25mm。
由此表明，本文计算模型所采用的参数合理可靠，能较好地反映基坑变形特征和对周围环境的影响，可以在此模型和参数的基础上进一步进行基坑开挖对道路路基变形影响的研究。
计算过程中不同分析步基坑和路基的水平位移云图如图5～图8所示。当开挖第一层土体后，土体中最大位移值为钢管桩附加大约9mm的沉降量；当第一层支护受力后，路面沉降量略有减少；当开挖进行到第三步时，路面大约有17mm的沉降量。水平位移最大发生在北墙上部，有大约23mm的水平位移；同时观察到，南墙底部发生了负向位移(X轴负方向)。
图5 开挖第一层支护前后水平位移云图
图6 开挖第二层支护前后水平位移云图
图7 开挖第三层支护前后水平位移云图
图8 开挖第四层后水平位移云图
由图5～图8可知，基坑开挖对路基产生了巨大影响。当基坑全部开挖完毕后，路基最大沉降量达到最大值约30mm；水平位移也达到最大值约75mm，依旧发生在北墙上部，负向位移在南墙底部达到最大值约24.6mm。
通过分析基坑开挖到不同深度时路基路面的沉降量以及水平位移值，可以量化基坑开挖对道路的具体影响量。本文依照开挖工序，依次分析基坑开挖深度到达1m、6.6m、10m、15.6m时路基路面沉降量和水平位移值的变化规律，如图9～图10所示。
图9 不同开挖深度下路面沉降量
图10 不同开挖深度下水平位移值
由图9、图10可知，随着基坑开挖深度的增加，路面沉降量越大，且相同开挖深度下，距离基坑越近的路面位置沉降量越大；随着基坑开挖深度的增加，路面水平位移值也随之变大，在同一开挖深度下，路面结构的水平位移值随位置变化不大。第一层开挖后，路基表面水平位移值平均增加0.016m，路面沉降量平均增大0.015m；第二层开挖后，路基表面水平位移值平均增加0.003m，路面沉降量平均增大0.003m；第三层开挖后，路基表面水平位移值平均增加0.005m，路面沉降量平均增大0.007m。第一层支护完成到第二层开挖时，基坑开挖了5.6m，此时路基变形产生的水平位移值比其他时刻的都大，说明此时应加强支护措施，增加支护层数或减少一次开挖的深度。
当提升系统处于静止状态和等速运行阶段时，钢丝绳上任意位置的拉力是由绳端负载和该位置以下的绳重构成的[11]。当提升系统在加、减速运行阶段时，钢丝绳上任意位置的拉力不仅包含绳端负载和该位置以下的绳重，还需加上由于加速而产生的附加拉力或减去由于减速而产生的附加拉力。
(1) 本文基于大型通用有限元软件对软土地区的深基坑开挖进行模拟，建立了三维有限元分析模型，并采用已有监测数据对比论证了模型和参数的合理性。
(2) 通过对比不同开挖时刻的路基表面水平位移和沉降，分析了开挖速率和不同支护系统对基坑的影响。
(3) 分析研究结果表明：基坑开挖施工引起路基土体沉降，沉降量随开挖深度的增加而逐渐增加；基坑开挖引起路基指向基坑侧横向水平位移，横向水平位移值随着开挖深度的增加而逐渐增加；支护系统刚度以及开挖速度应该结合工程实际来确定；邻近基坑开挖若支护不当，路基路面会产生拉裂。该研究成果有助于为其他基坑设计提供理论支持。
门开了，但只是开了一条缝，一张脸从缝里挤出来，瞪着眼睛望我。那是一张毫无特色的脸，普通得现在我连一点印象也没有了，只记得大约3 0多岁的样子，眼睛很有神。他神秘兮兮地向左右望望，伸手把我拉了进去。他个子不高，但很精壮，穿着一件黑背心。
参考文献
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FAN Jinshan1, CHENG Wei2
(1. CCCC Second Highway Consultants Co., Ltd.,Wuhan 430100， China; 2. Design Branch of Zhejiang Communications Construction Group Co., Ltd.,Hangzhou 310051， China)
Abstract: In order to explore the influence of excavation of foundation pit on the deformation of adjacent subgrade, the finite element model of excavation engineering is established based on a typical foundation pit project in soft soil area. The main analysis content is the influence of different excavation depth and different supporting system on the deformation of adjacent subgrade by comparing the pavement settlement and horizontal displacement of subgrade surface under different working conditions. The analysis results show that the vertical deformation of the subgrade surface and the horizontal deformation of the subgrade slope increase with the increase of excavation depth; the horizontal displacement of the pavement under the same excavation depth and the same supporting system is less affected by the horizontal distance from the foundation pit. So the depth of each excavation should be reduced to avoid the excessive impact of the foundation pit. The results of study could provide calculation basis for the similar design and advance the study on the influence of excavation of foundation pit on roads.
Key words: excavation of foundation pit；deformation of subgrade；finite element model；pavement settlement；horizontal displacement
中图分类号：U418.5
文献标识码：A
第一作者：樊金山(1986— )，男，工程师，从事道路路基设计研究。