非對(duì)稱(chēng)荷載作用下基坑變形分析

馮 勇 （中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

1 引言

伴隨著城市化進(jìn)程加快，土地資源緊張，城市地下空間被廣泛利用。地下空間開(kāi)挖的基坑緊鄰地下商業(yè)群、停車(chē)場(chǎng)、高樓大廈或既有車(chē)站的環(huán)境非對(duì)稱(chēng)情況愈加增多，非對(duì)稱(chēng)荷載作用下基坑的變形機(jī)理以及變形規(guī)律更加復(fù)雜，基坑開(kāi)挖過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)自身及環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)更大，因此有必要對(duì)其受力及變形特征進(jìn)行研究，以指導(dǎo)類(lèi)似工程建設(shè)。

自上世紀(jì)40年代開(kāi)始，以Terzaghi和Peck等為代表的等學(xué)者以總應(yīng)力計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，并研究了基坑施工過(guò)程的穩(wěn)定性；Bjerrum 和Eide等總結(jié)了基坑開(kāi)挖基底隆起變形規(guī)律，探討了基坑抗隆起理論計(jì)算；O'Rourke研究了土體變形的影響因素即基坑開(kāi)挖卸載，提出基坑開(kāi)挖和圍護(hù)對(duì)圍巖變形的影響。馮廣玉、朱元?jiǎng)椎葒?guó)內(nèi)學(xué)者運(yùn)用數(shù)值分析方法，研究基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形變化以及對(duì)環(huán)境影響。王艷峰、劉海燕等結(jié)合工程施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究基坑開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身和環(huán)境影響。

2 工程概況

本基坑工程位于某高速公路北側(cè)，高速公路填土高度約為6.0m，基坑北側(cè)為某在建廣場(chǎng)，在建廣場(chǎng)挖深約為4.0m?；幽蟼?cè)邊緣線定位在高速公路的邊坡周?chē)颖眰?cè)圍護(hù)樁與在建廣場(chǎng)承臺(tái)凈距1.9m，與承臺(tái)樁凈距2.4m，基坑與路肩相距為6.2m～10.4m；基坑北側(cè)施工便道寬約8.0m，基坑平面圖如圖1。

圖1 基坑平面圖

基坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖尺寸：長(zhǎng)73.50m，寬14.30m，深26.22m，基坑結(jié)構(gòu)主體分為兩層，局部為三層。采用長(zhǎng)度為45m，直徑1.2m，間距1.5m的鉆孔灌注樁作為基坑的外圍支護(hù)，采用鋼筋混凝土支撐與鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式為其豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其中最上層為混凝土支撐，支撐水平間隔為6m；往下為7道鋼支撐，鋼支撐的水平間隔為3m。其混凝土支撐的設(shè)置標(biāo)高為±0，7道鋼支撐設(shè)置標(biāo)高分別為-3.8m、-7m、-10m、-13m、-16.5m、-19.5m、-22.4m?；迂?fù)二層的開(kāi)挖深度為16.92m，采用長(zhǎng)度為30m，直徑1m，間距1.2m的鉆孔灌注樁作為基坑的外圍支護(hù)，其中最上層為混凝土支撐，支撐水平間隔為6m；往下為4道鋼支撐，鋼支撐的水平間隔為3m，其混凝土支撐的設(shè)置標(biāo)高為±0，4道鋼支撐的設(shè)置標(biāo)高選取分別為 -3.8m、-7m、-10m、13.5m。

3 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)址范圍內(nèi)土層結(jié)構(gòu)自上而下分別為上覆人工填土層，其厚度為0.8m；粘土層，其厚度為3.3m；膨脹土層，其厚度為32.3m；中更新統(tǒng)沖積層粘土層，其厚度為2.4m；下伏基巖為第三系粉砂巖。參數(shù)如表1。

基坑設(shè)計(jì)參數(shù) 表1

4 模型的建立

4.1 計(jì)算模型

基坑的長(zhǎng)、寬分別為73.5m與14.3m，最大開(kāi)挖深度為26.22m，將其分為8個(gè)步驟進(jìn)行分步開(kāi)挖施工。根據(jù)FLAC3D模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：受深基坑開(kāi)挖影響，一般會(huì)在開(kāi)挖基坑周?chē)?倍的開(kāi)挖深度范圍內(nèi)引起比較大的地層沉降，而在3～5倍的開(kāi)挖深度范圍內(nèi)其所引起的地層沉降影響較小，地層沉降也受基坑開(kāi)挖的平面尺寸大小和開(kāi)挖平面的長(zhǎng)寬比影響。開(kāi)挖基坑平面尺寸越大，地層范圍影響就越廣；開(kāi)挖平面的長(zhǎng)寬比越大，沿長(zhǎng)邊的方向受影響范圍就越廣。

數(shù)值模型的條件選?。喝【嚯x基坑邊界100m橫向范圍，縱向高度為3.8倍的基坑開(kāi)挖深度，故整個(gè)模型尺寸長(zhǎng)寬高分別為273m、214m、90m，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分

分別用x方向、y方向的外邊界條件對(duì)兩個(gè)垂直面上的法向位移進(jìn)行約束，開(kāi)挖內(nèi)部不設(shè)置約束；模型底面的水平邊界位置采用固定約束。

本構(gòu)模型選用修正劍橋模型，開(kāi)挖土體的網(wǎng)格劃分選用六面塊體單元，未開(kāi)挖土體的網(wǎng)格劃分選用六面體漸變放射單元。由于所開(kāi)挖的地坑周?chē)叵滤惠^低，故模型忽略地下水對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，以總應(yīng)力指標(biāo)作為土體計(jì)算參數(shù)。

圍護(hù)樁與立柱選用樁單元進(jìn)行模擬，基坑內(nèi)的混凝土支撐、鋼支撐與圍護(hù)樁體間的冠梁皆用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

4.2 計(jì)算參數(shù)

取強(qiáng)度的混凝土作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度，混凝土在外部作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫，強(qiáng)度折減系數(shù)取0.8，彈模取24GPa、泊松比取0.2、密度取1500kg/cm，采用1.2m×1m 的鋼筋混凝土支撐截面長(zhǎng)寬分別為1.2m與1m，鋼支撐截面為外徑609mm內(nèi)徑593mm的空心圓，鋼支撐彈模為210GPa，泊松比為0.3。

4.3 計(jì)算工況

基坑開(kāi)挖8個(gè)土體開(kāi)挖工況，如表2所示。

基坑開(kāi)挖主要計(jì)算步 表2

5 基坑變形及地面沉降分析

5.1 樁體側(cè)向位移分析

圍護(hù)樁在不同計(jì)算工況下水平位移隨深度的變化曲線見(jiàn)圖3至圖6所示。

圖3、圖4顯示：隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，基坑側(cè)向變形速率增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移呈現(xiàn)出中間大兩端小的變化規(guī)律，變形最大位置在開(kāi)挖面附近，最大變形位置隨開(kāi)挖的進(jìn)行而逐步下移。基坑南北圍護(hù)樁在水平方向的位移均向超載一側(cè)偏移，位移量在25mm左右。

圖3 基坑南側(cè)圍護(hù)樁側(cè)向位移變化曲線

圖4 基坑北側(cè)圍護(hù)樁側(cè)向位移變化曲線

5.2 地表沉降分析

不同計(jì)算工況下，基坑中心位置南側(cè)高速公路南側(cè)（jv5-2）和北側(cè)（jv5）高速公路地面沉降隨開(kāi)挖工況變化曲線見(jiàn)圖5、圖6所示。

圖5～圖7可以看出：地面沉降與開(kāi)挖深度呈正相關(guān)，開(kāi)挖深度越大，地面沉降越大。由于鋼支撐的及時(shí)架設(shè)，每一次開(kāi)挖完成后地表沉降速率降低，對(duì)控制地面沉降效果顯著?；又苓叺乇碜畲蟪两抵禐?0mm左右，位置在距基坑12m處。在基坑每一步開(kāi)挖中，地表沉降均在不斷增大，反彎點(diǎn)在距離基坑開(kāi)挖深度的1.5倍處，反彎點(diǎn)范圍內(nèi)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降值較大。

圖5 高速公路南側(cè)地面沉降隨工況變化曲線

圖6 不同工況高速公路南側(cè)地面沉降隨距離變化曲線

圖7 高速公路南側(cè)地面沉降隨工況變化實(shí)測(cè)曲線

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)FLAC3D數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)，結(jié)論如下：

①開(kāi)挖深度與基坑側(cè)向變形及其速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形呈現(xiàn)出中間大兩端小的特征，變形最大位置處在基坑開(kāi)挖面附近，即側(cè)向變形呈現(xiàn)出“n”字型特征，中間大兩端小；

②受偏載影響，基坑整體單向偏移基坑南、北側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂端均向北移，移動(dòng)的數(shù)值穩(wěn)定在25mm左右；

③基坑周邊地表沉降與開(kāi)挖深度呈正相關(guān)關(guān)系，由于鋼支撐的及時(shí)架設(shè)對(duì)控制地面沉降效果明顯。單一工況結(jié)束后，基坑沉降速率明顯減小，沉降趨于穩(wěn)定；

④基坑周邊地表最大沉降值為50mm左右，位置在距基坑12m處，在基坑每一步開(kāi)挖中，地表沉降均在不斷增大，反彎點(diǎn)在距離基坑開(kāi)挖深度的1.5倍處，反彎點(diǎn)范圍內(nèi)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降值較大。