非對(duì)稱地表荷載作用下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及優(yōu)化控制分析

尹星

（五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

基坑工程施工中，若將材料堆放在邊坡周邊或路堤附近等會(huì)擠壓基坑，導(dǎo)致其出現(xiàn)不均勻偏載，此不平衡應(yīng)力會(huì)對(duì)基坑支護(hù)的傳力形式有所改變，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖過(guò)程中危險(xiǎn)系數(shù)較大。目前，該領(lǐng)域主要通過(guò)二維有限元分析研究既有建筑、地表沉降等對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，結(jié)果表明，若地表載荷不對(duì)稱，在其作用下，深基坑連續(xù)樁出現(xiàn)的變形和彎矩與對(duì)稱載荷相比，差異非常顯著。上述研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，非對(duì)稱地表載荷在開(kāi)挖深基坑過(guò)程中危險(xiǎn)性較大，需予以重點(diǎn)關(guān)注。本文依托某項(xiàng)目深基坑施工實(shí)踐，對(duì)基坑地面沉降、維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)有限元法探討優(yōu)化控制開(kāi)挖過(guò)程的相關(guān)技術(shù)，經(jīng)本項(xiàng)目實(shí)踐，取得良好效果，可以在同類型工程施工中推廣應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 某工程基坑相關(guān)參數(shù)如下：全長(zhǎng)437 米,寬27.7m 至37.7 米，坑底標(biāo)高為47.3m 至54.5m，基坑深2.8m。本項(xiàng)目地處某市既有干線附近，且干線車流量較大，若封閉施工則會(huì)對(duì)城市交通造成嚴(yán)重影響。因此，為盡可能減少施工對(duì)交通影響，保障暢通通行，該項(xiàng)目基坑難以通過(guò)放坡形式實(shí)施支護(hù)。為提升施工安全性，盡可能降低危險(xiǎn)源，經(jīng)研究決定采用鉆孔灌注樁聯(lián)合鉆孔灌注樁懸臂支護(hù)形式實(shí)施支護(hù)。

1.2 基坑周邊現(xiàn)存公路路基、邊坡，地下存有城市管網(wǎng)等，因此施工時(shí)還需重點(diǎn)考慮開(kāi)挖導(dǎo)致的邊坡、路面坍塌等事故，因此，開(kāi)挖深基坑過(guò)程中應(yīng)全方位做好監(jiān)控工作，及時(shí)了解施工進(jìn)程，對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)整危險(xiǎn)源。項(xiàng)目地處丘陵地帶，土層自上至下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、風(fēng)化粉砂巖(全風(fēng)化、中度風(fēng)化、輕度風(fēng)化)。

2 基坑設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑施工，尤其是開(kāi)挖過(guò)程會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成極大影響，為降低不利影響，本項(xiàng)目差異化設(shè)計(jì)基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，高邊坡設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)、直徑均大于其他樁長(zhǎng)、直徑，盡量降低開(kāi)挖面，有效弱化影響。

2.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐體系共兩部分組成，其一為混凝土支撐1 個(gè)，其二為鋼支撐3 個(gè)。開(kāi)挖基坑前應(yīng)前置混凝土，進(jìn)行支撐。鋼支撐沿縱向開(kāi)挖設(shè)置，嚴(yán)格控制其支撐間距，實(shí)踐表明其間距應(yīng)低于2.7m，借此獲得更好支撐效果。

2.3 通過(guò)工程概況可知，本項(xiàng)目深基坑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為基坑寬深的16 倍，因此該基坑中部可將轉(zhuǎn)角效應(yīng)予以忽略。同時(shí)，施工中應(yīng)嚴(yán)格篩選斷面，挑選出典型點(diǎn)，通過(guò)典型面、典型點(diǎn)，對(duì)基坑周邊地面沉降及連續(xù)樁的水平變形予以科學(xué)檢測(cè)，實(shí)時(shí)了解變化情況。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 地下連續(xù)樁變形

以圖1 所示為監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，北側(cè)樁的變形表現(xiàn)出與南側(cè)不同的變形模式。隨著開(kāi)挖至基底時(shí)，北側(cè)圍護(hù)樁向開(kāi)挖一側(cè)發(fā)生了深層移動(dòng)，這是深基坑施工中常見(jiàn)的現(xiàn)象。截面段的連續(xù)樁橫向變形最大值為50.9mm，冠梁上的最大值為-40mm。相比之下，南側(cè)樁頂向基坑外移動(dòng)，而其下部則向坑內(nèi)移動(dòng)。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

3.2 路面沉降

以圖2 所示在深基坑施工期間，監(jiān)測(cè)段（GS7）的地面沉降變化。深基坑開(kāi)挖前6m 和后10m，地表沉降迅速增加。最后，在中間板澆筑后變得穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)段的最大沉降達(dá)到106.0mm。

圖2 地面沉降變化

4 優(yōu)化控制技術(shù)分析

4.1 數(shù)值模擬

4.1.1 為了研究設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，本研究采用二維平面應(yīng)變有限元（PLAXIS2D2018）分析方法。所有土層均采用15 節(jié)點(diǎn)單元建模?？紤]到開(kāi)裂的可能性，混凝土的剛度降低了20%。有限元模型和網(wǎng)格生成如圖3 所示。

4.1.2 該模型的平均單元尺寸為3.26m，單元總數(shù)為1236 個(gè)。土是滿足莫爾- 庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性材料，進(jìn)行了不排水分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)參數(shù)，得到了深基坑開(kāi)挖的地層及深基坑附近既有建筑物的物理性質(zhì)。

4.1.3 以圖4 將測(cè)量的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較。由于采用了MC 模型，數(shù)值模擬分析給出的預(yù)測(cè)結(jié)果略小于開(kāi)挖各階段的結(jié)構(gòu)變形。最終開(kāi)挖階段的最大橫向位移比測(cè)量值低15%左右，最終開(kāi)挖階段的最大地表沉降預(yù)測(cè)值小于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值的一半。

圖4 監(jiān)測(cè)與模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比圖

4.1.4 通過(guò)比較非對(duì)稱深基坑與對(duì)稱深基坑的變形模式，可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)樁的變形模式與圖3 相似。結(jié)果表明，偏壓荷載是深基坑支撐系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)變形的主要原因。針對(duì)監(jiān)測(cè)段變形較大的情況，探討了相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

圖3 深基坑開(kāi)挖數(shù)值模型

4.2 不同優(yōu)化方案的結(jié)論

4.2.1 通過(guò)模擬5 種不同的設(shè)計(jì)方案，討論監(jiān)測(cè)段中限制變形的方案，現(xiàn)模擬實(shí)際設(shè)計(jì)方案。

4.2.2 根據(jù)方案a 在北樁外側(cè)添土加固，由于支撐體系的旋轉(zhuǎn)變形方式，需要對(duì)路基另一側(cè)的土體進(jìn)行加固，以驗(yàn)證其是否能限制變形。加固范圍如圖5 所示。

4.2.3 在方案a 的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)北樁嵌入花崗巖地層中的長(zhǎng)度。把樁底嵌入巖體是控制地下續(xù)樁變形的有效方法。因此，在初步設(shè)計(jì)中，把路面?zhèn)鹊牡叵逻B續(xù)樁設(shè)計(jì)嵌入巖體。在本監(jiān)測(cè)段中，把北側(cè)的連續(xù)樁延伸到了南側(cè)的樁長(zhǎng)（圖5）。

4.2.4 根據(jù)b、c 措施，科學(xué)融合b 方案和c 方案，對(duì)融合后的方案進(jìn)行討論并優(yōu)化。

4.2.5 加固深基坑內(nèi)部土體。本項(xiàng)目施工過(guò)程中，因鄰近結(jié)構(gòu)影響，加固范圍較小，加固面積受限。實(shí)踐中常采取深基坑內(nèi)土體加固的措施予以維護(hù)。結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，需加固深基坑的整個(gè)開(kāi)挖區(qū)域，對(duì)此加固措施的效果進(jìn)行探索（圖5）。

圖5 不同條件下監(jiān)測(cè)面水平位移預(yù)測(cè)

4.2.6 圖5 展示了5 種不同支護(hù)措施下監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)變形情況，經(jīng)橫向、縱向?qū)Ρ?，其中支護(hù)效果更佳的為b方案、c 方案、d 方案，但該三種方案難以有效控制鉆孔灌注樁的側(cè)向位移，可以有效控制路面沉降。工況相同情況下，e 方案可以有效控制深基坑兩側(cè)的橫向形變，較其他方案效果更佳，降低路基沉降形變率35.8%。對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)e 方案能夠有效控制路面沉陷，且控制效果更佳，降低沉降量高達(dá)70%。綜上所述，深基坑支護(hù)體系中采取加固土體方案，可以有效降低偏心荷載作用下的非對(duì)稱變形規(guī)模，取得良好支護(hù)效果，可在同類型工程中應(yīng)用推廣。

5 結(jié)論

本文依托某深基坑支護(hù)施工實(shí)踐，重點(diǎn)研究了深基坑支護(hù)體系在偏心荷載作用下的非對(duì)稱變形問(wèn)題，得出如下結(jié)論：

5.1 深基坑支護(hù)體系在偏心荷載作用下,會(huì)發(fā)生非對(duì)稱變形。

5.2 地基沉陷規(guī)模在偏心荷載作用下增加迅速，會(huì)引發(fā)支護(hù)體系形變；若支護(hù)樁形變大于21mm，則也會(huì)加快沉陷速度。若想有效控制路面沉降，需重點(diǎn)對(duì)深基坑連續(xù)樁變形進(jìn)行控制。

5.3 加固深基坑內(nèi)土體，能夠?qū)χёo(hù)系的扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行控制，減少規(guī)模，經(jīng)測(cè)算，使用本措施降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平形變。