荷載作用對深基坑變形的影響研究

王俊霞

（中國建筑第二工局有限公司華中公司，武漢 430000）

1 引言

近年來，深基坑工程因其在大型建筑項目中的普遍應(yīng)用而變得日益重要。這些工程不僅涉及深度和復(fù)雜性的增加，也表現(xiàn)出對于更先進(jìn)和有效支護(hù)技術(shù)的需求。在深基坑工程中，常見的支護(hù)措施包括錨固墻、灌漿樁、地下隔墻以及鋼結(jié)構(gòu)-混凝土支撐系統(tǒng)等[1]。在選擇支護(hù)措施時，不僅要考慮經(jīng)濟(jì)和施工效率，還需關(guān)注它們在面對復(fù)雜荷載情況下的表現(xiàn)，特別是在城市環(huán)境中，深基坑周邊常會承受不同類型的荷載，如鄰近建筑施工、交通載荷和設(shè)備操作壓力等。本文重點關(guān)注荷載如何影響深基坑工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形特性[2-3]。通過實際工程案例探討在不對稱荷載作用下深基坑支護(hù)系統(tǒng)的力學(xué)響應(yīng)，以及這些負(fù)荷如何影響深基坑的整體變形和穩(wěn)定性。此外，采用先進(jìn)的有限元分析工具Plaxis-2D 2022 軟件，對不同的支護(hù)方案進(jìn)行綜合評估，探討如何優(yōu)化這些方案以應(yīng)對復(fù)雜的荷載情況，從而為確保深基坑工程的安全施工提供科學(xué)的指導(dǎo)和支持。

2 建設(shè)工程項目概述

某建設(shè)工程項目中，所涉及的基坑在施工期間采用了梯形的布局設(shè)計，具體尺寸為長437 m，最窄處寬8.5 m，局部區(qū)域?qū)掃_(dá)27.8 m。地層結(jié)構(gòu)上，自上而下包括3.5 m 厚的雜填土層、5.5 m 厚的粉質(zhì)黏土層和6.5 m 厚的風(fēng)化砂巖層，開挖基坑深度在2.5～16.2 m 變化。鑒于該項目位于城市主干道區(qū)域，周邊環(huán)境包括繁忙的交通和復(fù)雜的城市管網(wǎng)，因此，在施工期間需要特別關(guān)注交通管制和管線的規(guī)避。在綜合考慮各方面因素后，項目決定采用鉆孔灌注樁作為基坑的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于項目施工現(xiàn)場的特殊性，如長寬比大、管線眾多和地質(zhì)條件復(fù)雜等，基坑在開挖過程中極易發(fā)生突發(fā)狀況。為確保施工安全，對基坑的開挖實施全程監(jiān)控是必要的。監(jiān)控的重點包括支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡等關(guān)鍵部位，專注于其承受的力量、發(fā)生的變形等關(guān)鍵指標(biāo)。

3 深基坑工程荷載影響研究

3.1 深基坑偏心荷載作用影響

在實際工程應(yīng)用中，深基坑的側(cè)壁經(jīng)常因施工期間的不均勻堆積（如臨建設(shè)施、臨時堆土、臨時存儲材料等）受到偏心載荷的作用，這可能威脅到支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本項目的深基坑位于城市主要交通干道旁邊，由于道路交通和附近建筑施加的荷載，基坑的支撐系統(tǒng)遭受偏心荷載的影響。場地空間限制導(dǎo)致土方和建筑物料累積在邊坡附近，進(jìn)一步加劇了對支撐結(jié)構(gòu)的非均勻外力作用。在理論計算方面，盡管采用了標(biāo)準(zhǔn)的2D 模型，但缺乏針對該項目特有的偏心壓力情況的3D 有限元模型。在基坑挖掘的不同階段，支撐結(jié)構(gòu)面臨的受力、變形和穩(wěn)定性影響顯著，這要求對整個挖掘過程進(jìn)行細(xì)致的數(shù)值模擬和監(jiān)測。

3.2 深基坑開挖中樁體位移變形影響

在深基坑挖掘的不同深度階段，觀察到保護(hù)樁的水平位移有顯著變化。最初，樁體變形表現(xiàn)為一個倒置的直角三角形，隨著挖掘的進(jìn)展，樁的形變增大，最大水平位移點逐漸下移，直到挖掘結(jié)束后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對比計算和實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)樁的最大水平位移計算值通常低于實際監(jiān)測值，可能原因包括復(fù)雜的挖掘環(huán)境以及施工過程中的延遲支護(hù)或過度挖掘。此外，監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)樁底部的微小水平移動，這可能源于監(jiān)測過程的誤差或施工中的不規(guī)范操作。

3.3 深基坑地表沉降監(jiān)測與分析

表1 展示了地面沉降的最大值情況。結(jié)果表明，地面沉降的變化趨勢大致相似。隨著基坑開挖深度的增加，地面沉降也隨之加劇，形成了類似拋物線的沉降區(qū)域，其范圍大約是挖掘深度的2 倍。地面沉降的極值通常不出現(xiàn)在基坑的最外側(cè)，而是位于距離基坑邊緣大約1/3～1/2 深度的位置。監(jiān)測到的地面沉降最大值超出了數(shù)值預(yù)測，這可能是由施工現(xiàn)場的復(fù)雜性、地面的附加挖掘和荷載，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)未能及時實施等因素造成的。因此，在數(shù)值模擬中建立一個能反映真實工況的模型對于準(zhǔn)確預(yù)測地面沉降非常重要。

4 深基坑荷載作用監(jiān)測方案項目

4.1 深基坑工程監(jiān)測計劃與實施

深基坑監(jiān)測工作的核心是對基坑的邊坡、坑底和支撐結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，以此減少安全事故發(fā)生的可能性。監(jiān)測重點包括：深基坑邊坡的垂直和水平位移，對支撐體系的應(yīng)力和變形的檢測，以及周邊建筑和地下管線的沉降情況。此外，還應(yīng)關(guān)注基坑周圍的道路和地基的沉降情況。這一監(jiān)測方案包括6 個主要方面，目的是通過實地檢測和模擬分析結(jié)果的比對，針對薄弱環(huán)節(jié)采取加固措施，從而提高整體的安全水平。

4.2 深基坑監(jiān)測方法及設(shè)備

針對建設(shè)工程項目深基坑的特殊性質(zhì)，研究定制了一套全面的技術(shù)監(jiān)測方案。該方案詳細(xì)規(guī)劃了每個監(jiān)測斷面上的3個監(jiān)測點，共計9 個關(guān)鍵監(jiān)測位置。這個方案詳盡地設(shè)計了監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測點布置的頻率、所使用的監(jiān)測設(shè)備及其精確性，以及監(jiān)測的時間間隔等核心要素。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究部署了多種監(jiān)測工具，包括TZ08 型全站電子測距儀、DL201 型數(shù)字水準(zhǔn)儀、全球定位系統(tǒng)接收器、振弦測數(shù)儀以及XG45 型傾角儀。這些設(shè)備分別負(fù)責(zé)監(jiān)測基坑周邊建筑物和地下結(jié)構(gòu)的位移，以及基坑支撐體系的應(yīng)力和傾斜情況。

4.3 深基坑施工過程中的變形監(jiān)測

在整個深基坑施工期間，對基坑的邊坡支撐體系進(jìn)行了持續(xù)嚴(yán)密的水平變形監(jiān)測。研究特別關(guān)注了灌注樁在南北兩端的變形差異，并隨著開挖基坑深度的增加密切觀察基坑底部的支護(hù)樁變形情況。最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，支護(hù)樁系統(tǒng)在水平方向上的最大變形量為51.1 mm，而與之相連的冠梁的水平變形量高達(dá)-40 mm。支撐體系中南側(cè)的支護(hù)樁頂部呈現(xiàn)出向外偏移的趨勢，而底部樁則向內(nèi)偏移。此外，研究對路面沉降進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，并發(fā)現(xiàn)在基坑開挖期間路面的變形幅度有所增加，但在地下室中層結(jié)構(gòu)澆筑完成后，路面變形趨于穩(wěn)定，最大變形量記錄為105.0 mm。

5 荷載作用對深基坑變形的影響

5.1 荷載作用對深基坑變形與控制的影響和優(yōu)化方案

該深基坑建設(shè)工程項目中，采用了Plaxis-2D 2022 軟件進(jìn)行復(fù)雜的巖土工程變形和穩(wěn)定性分析。軟件的高級功能和用戶友好性使其成為研究的關(guān)鍵工具。本文分析深基坑支撐結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形行為。對比了實際測量的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的預(yù)測結(jié)果，以評估不同基坑設(shè)計在對稱與非對稱荷載條件下的性能。結(jié)果表明，偏壓荷載對深基坑支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的扭曲變形。鑒于此，本文探索有效的設(shè)計優(yōu)化策略，以提升基坑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。

為有效控制深基坑的變形，研究運用了Plaxis-2D 2022軟件對5 種支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行了詳細(xì)的模擬分析。其中，方案A 模擬了設(shè)計方案，特點是高邊坡設(shè)計的樁長和直徑都大于其他類型的樁。接著，方案B 在方案A 的基礎(chǔ)上增加了臨近北向高邊坡樁外側(cè)的士體加固，以增加反壓力。緊接著，方案C 在方案B 的基礎(chǔ)上，通過延長遠(yuǎn)離高邊坡一側(cè)的樁基，使其嵌入花崗巖土層。將樁底嵌入巖體被認(rèn)為是控制地下連續(xù)樁變形的有效方法。因此，在初步設(shè)計中，路面一側(cè)的地下連續(xù)樁被設(shè)計為嵌入巖體。在監(jiān)測段中，北側(cè)的連續(xù)樁延伸至南側(cè)。方案D 則是將方案B 和方案E 的措施進(jìn)行科學(xué)融合，并對此融合后的方案進(jìn)行優(yōu)化，探討其復(fù)合優(yōu)化效果。最后，方案E 專注于加固基坑內(nèi)部土體。由于施工過程中鄰近結(jié)構(gòu)的影響，加固范圍較小，面積受限。因此，通常采取的做法是加固整個開挖區(qū)域的基坑內(nèi)土體。結(jié)合實際項目情況，對這種加固措施的效果進(jìn)行了探索。接下來通過數(shù)值模擬計算對5 種支護(hù)設(shè)計方案進(jìn)行了驗證。結(jié)果顯示，盡管方案A 在減少側(cè)向位移方面取得了一定成效，但方案E 在減小側(cè)向變形和控制周圍道路變形方面更加高效，其效果比方案A 降低了36.2%。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與方案E 的模擬結(jié)果高度吻合，從而證實了通過土體加固控制偏心荷載引起的基坑變形的有效性。

5.2 基坑開挖中非對稱荷載的地表影響分析

為分析非對稱基坑開挖對周圍地表垂直變形的影響，提取數(shù)值模擬計算結(jié)果，繪制了地表沉降曲線。圖1 展示了偏壓荷載q變化導(dǎo)致的基坑開挖完成時右側(cè)地表的垂直變形情況?？梢钥闯?，地表的垂直變形通常呈現(xiàn)出中間大、兩端小的沉降模式。此外，研究注意到地表沉降程度與偏壓荷載的關(guān)系極為緊密，隨著偏壓荷載的增加，地表沉降趨勢明顯增強(qiáng)。然而，對于基坑右側(cè)地面的垂直變形，偏壓荷載的變化對其影響較小，且地表最大沉降點的位置幾乎不受偏壓荷載的影響。在偏壓荷載為q=32 kPa 的條件下，觀測到的地表最大沉降值約為14.5 mm。而當(dāng)降至q=17 kPa 時，觀測到的最大沉降值約減少至9 mm，減少了約5.8 mm。這一發(fā)現(xiàn)突顯了偏壓荷載對周邊地表垂直變形的顯著影響。此外，當(dāng)超出大小偏壓荷載q的取值為20 kPa，23 kPa，26 kPa，29 kPa 時，地表最大沉降值為9.9 mm、12.5 mm、13.2 mm 和13.8 mm。因此，在進(jìn)行類似的基坑工程設(shè)計和施工時，必須充分考慮非對稱荷載對周圍地表沉降的潛在不利影響。

圖1 非對稱荷載下基坑挖掘?qū)χ苓叺孛娲怪币苿拥挠绊?/p>

6 結(jié)語

本文針對深基坑工程中荷載作用對變形的影響進(jìn)行了深入探究。面臨的主要挑戰(zhàn)是在保障施工安全的同時，有效控制因非對稱荷載引起的基坑變形。通過Plaxis-2D 2022 軟件的數(shù)值模擬和實地監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，研究優(yōu)選出了最佳的支護(hù)方案。結(jié)果顯示，采用加固措施的方案在減少側(cè)向位移和控制周圍道路變形方面表現(xiàn)出色，相比于方案A，其效果提高了36.2%。此外，還發(fā)現(xiàn)在偏壓荷載為q=32 kPa 時，地表最大沉降值約為14.6 mm，而降至q=17 kPa 時沉降值減少至8.9 mm，減少了約5.7 mm。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了偏壓荷載大小對地表豎向變形的顯著影響。