偏壓荷載非等深基坑開挖的變形規律*

馬 俊

(黃淮學院， 463000， 駐馬店//工程師)

在地鐵建設過程中，明挖車站因施工速度快、穩定系數高而在總的施工中占較大比例，但是在繁華的城市中開挖基坑，往往會遇到復雜的地面環境[1-3]。例如，基坑周邊存在高層建筑、重要鐵路干線等，均會對基坑造成不對稱的偏壓荷載，引起基坑受力模式發生改變，造成支護難度系數增加，嚴重時會導致基坑失穩破壞[4-6]。與傳統基坑相比，由于偏壓或者開挖深度不同造成的基坑受力變形模式以及開挖引起的環境效應等將發生很大變化。

對于基坑周邊存在偏壓荷載的情況，許多學者做了一定量的分析：文獻[7]對基坑周邊存在列車振動荷載下的基坑穩定性進行了分析，根據不同車速下支撐軸力的變化規律，提出了列車安全時速；文獻[8]分析了不對稱荷載作用下的基坑圍護樁水平位移及樁頂水平位移，發現不對稱荷載下型鋼支撐容易發生偏心受壓而出現應力集中，危險系數較大；文獻[9]對不同偏壓高度下的基坑圍護結構穩定性進行了分析，發現偏壓高度越大，支撐軸力相應增加；文獻[10]利用數值模擬方法對基坑兩側不同荷載組合的情況進行了分析，發現基坑支護參數應根據偏壓荷載的不同取值而做出相應改變，才能保證基坑的安全與穩定。然而，針對偏壓和坑中坑共同影響下的基坑開挖效應，研究卻不多。

本文以受列車偏壓荷載影響的深基坑工程為背景，利用數值模擬建立三維模型，分析在偏壓荷載下的基坑穩定變化特征，并提出關鍵支護參數，為同類工程提供參考。

1 工程概況

基坑東側距邊界5 m處存在與基坑縱向平行的高速鐵路，基坑西側為空曠的農田。鐵路地基標高比基坑地表標高高出4 m，列車平均速度為190 km/h。基坑縱向長80 m，其中中間段長度40 m范圍內，基坑開挖深度為27 m，支護結構采用灌注樁加內支撐形式，灌注樁長35 m，φ800 mm@1 200 mm，混凝土等級為C30，采用1道混凝土支撐+7道型鋼支撐；兩端長度各為20 m范圍內，基坑開挖深度為16 m，支護結構同樣采用灌注樁加內支撐形式，灌注樁長24 m，φ800 mm@1 200 mm，1道混凝土支撐+3道型鋼支撐。兩端基坑與中間基坑寬度均為12 m，但開挖深度相差11 m，屬于非等深基坑。中間段基坑與列車荷載的相對位置如圖1所示。

圖1 基坑支護概況

基坑開挖范圍從上到下依次為粉質黏土、卵石層、黏性土和中風化花崗巖。粉質黏土顏色較深，雜質較多，主要分布于地表；第二層為卵石層，粒徑平均分布在20～50 mm之間，并含少量的植物根莖；第三層為黏性土，硬塑狀，中壓縮性；第四層為中風化花崗巖，巖性較差，單軸飽和強度為4 MPa，分布范圍較廣。車站地下水位距離地表7 m，下部巖石層相對隔水。

2 仿真模擬分析

2.1 模型建立

利用有限元軟件建立三維數值模型，如圖2所示。為消除基坑開挖對模型邊界的影響[11-12]，確定模型尺寸為長200 m、寬150 m、高80 m。模型的邊界條件為：四周固定模型的豎向位移，底部同時固定水平與豎向位移，頂部為自由面。圍護樁按照剛度等效原則換算為圍護墻，混凝土支撐采用實體單元模擬，型鋼支撐采用pile單元模擬。在模型的右側施加豎向靜荷載，荷載取值按照TB 10001—2005《鐵路路基設計規范》[13]中列車荷載換算土柱高度及分布寬度進行計算，豎向數值為35 kN/m。

a) 正視圖

2.2 參數選取

土體本構模型采用HS，其參數包括：有效內黏聚力c、有效內摩擦角φ、剪脹角ψ，三周固結排水試驗確定的割線模量E50,ref、固結試驗參考切線模量Eoed,ref及與模量應力水平有關的冪指數m，三軸固結排水卸載再加載試驗的卸載再加載模量Eur,ref和泊松比vur、參考應力Pref、破壞比Rf，正常固結條件下的靜止側壓力系數K0。由地勘資料析取各參數帶入模型中，以地表沉降實測值為參照標準，按照95%的逼近值反演本構模型參數，確定的模型參數如表1所示。

鉆孔灌注樁按照式(1)換算成厚度為h的地下連續墻。

(1)

式中：

D——圍護樁直徑；

表1 巖土層物理力學參數

L——相鄰圍護樁間距。

第一道混凝土水平支撐重度取24 kN/m3，泊松比取0.2，彈性模量取31.5 GPa；第一道及第四道型鋼支撐重度取78.5 kN/m3，泊松比取0.2，彈性模量取200 GPa。

2.3 模擬步驟

基坑開挖通過定義土體為null模型來實現。其步驟為：① 進行初始地應力場平衡，將最大不平衡力設置為10 N，清除模型的豎向及水平向位移；② 按照設計文件進行圍護墻施工，將模型的最大不平衡力降到10 N；③ 開挖第一層土體至第一道混凝土支撐設計標高以下0.5 m，并施工第一道混凝土支撐，將模型運行至平衡；④ 開挖第二層土體至第一道型鋼支撐設計標高以下0.5 m并施工第一道型鋼支撐，以此類推施工剩余型鋼支撐。

3 仿真結果分析

3.1 模型可靠度驗算

取基坑左側無偏壓荷載下圍護樁的實測水平位移曲線與數值模擬得到的圍護樁水平位移曲線進行比較，如圖3所示。實測值與模擬值在整體規律上較為相似，兩條曲線的最大水平位移值均出現在距樁頂15 m位置處；水平位移實測最大值為30 mm，模擬最大值為28 mm。數值模擬中將鉆孔灌注樁等效為連續墻，支護強度有所增加，而且實際施工過程中，基坑周邊施工荷載和人員走動荷載也會加劇基坑土體變形。因此，實際的支護強度并不能與理論的支護強度完全劃等號，兩者在實際效果上存在差別。不過根據圖示曲線判斷，數值模擬參數及模型是可以反映偏壓基坑結構變形規律的。

圖3 基坑左側無偏壓荷載下樁身模擬水平值與

3.2 圍護結構變形分析

圖4所示為基坑中間圍護樁(1#樁位)變形數值模擬與實測對比，可見，兩組曲線整體規律相似，隨著基坑深度的增加，水平位移逐漸增加，隨后再減少，呈“側凸”型。在有偏壓振動荷載的一側，樁頂位置向基坑內部水平位移值為18 mm，且拆除第四道橫支撐時，圍護樁的最大水平位移值增加至42 mm；實測數據在基坑開挖至坑底時(對應開挖步序5)，最大水平監測位移為40 mm，與模擬值相差2 mm。無偏壓荷載一側樁頂水平位移僅為5.8 mm，在拆除第四道水平支撐后，樁身最大水平位移值為31 mm；基坑開挖至底部時(對應開挖步序5)，圍護樁最大實測數據與模擬數據相同。有偏壓荷載側和無偏壓荷載側的圍護結構變形規律的區別，主要體現在兩側圍護結構的樁頂水平位移。實際施工過程中，兩側灌注樁的成樁質量及施工工藝均相同，兩側結構的變形差異主要是由不均荷載引起的。基坑開挖過程中，車輛荷載和路基荷載(路基高4.0 m)一直存在，這種荷載通過地層應力分配再由水平支撐傳遞至無偏壓荷載一側，進行應力重分配，導致無偏壓荷載一側基坑頂部水平位移向遠離

a) 無偏壓荷載側b) 有偏壓荷載側

基坑方向移動。在偏壓荷載嚴重時，無荷載一側的圍護結構極易發生踢腳破壞。這兩種現象都是非對稱荷載下基坑變形的規律。

圖5所示為沿基坑縱向不同位置處圍護樁在基坑開挖到底時的模擬水平變形規律。由圖5可知，沿基坑縱向，圍護樁變形具有明顯差異性。而在開挖較深的中間基坑部分，圍護樁變形明顯大于兩端開挖較淺處基坑圍護樁水平位移。因此，對于非對稱荷載及非等深基坑開挖，在有偏壓荷載開挖較深的中部基坑段，圍護樁水平位移最大，在施工中應嚴格控制開挖深度，分層開挖，以保證基坑的穩定性。

a) 無偏壓荷載側b) 有偏壓荷載側

3.3 基坑坑底隆起規律

由圖6可知，坑底隆起量隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大，同一施工步時基坑中部負三層坑底隆起值大于兩端負二層坑底隆起值。在基坑中間開挖深度27 m位置處，基坑隆起量最大，兩端開挖較淺位置(深16 m)基坑隆起量相對較小。沿基坑縱向，基坑隆起有明顯的差異，且開挖越深，隆起量越大。在基坑開挖較深位置處，底部土體卸載量較大，土體單元處于應力較高的狀態，并且基坑較深位置處的圍護結構向基坑內部移動較大，對底部土體造成擠壓，也加劇了基坑底部土體的隆起。因此，沿基坑縱向的中間位置，基底隆起量達58 mm，在兩端開挖較淺的位置，基底隆起量僅為24 mm，并且在深淺基坑交接的位置，隆起量發生了突變。基坑底部實測數據(對應基坑開挖步序8)最大隆起量為55 mm，較模擬值偏小，這是因為在Flac3D中定義的土體服從摩爾庫倫準側，該模型在土體卸荷時易發生較大的回彈變形，故得出的數據較實測數據大。此時，偏壓荷載對基坑隆起值影響并不明顯，該工程造成坑底隆起的主要因素是基坑開挖深度及土體卸載引起的土體回彈因素。

圖6 基底模擬隆起值與實測值對比圖

坑底不均勻隆起會引起支護結構的不均勻上抬，如果存在中間立柱，中間柱與圍護結構的變形差異會造成內支撐由軸心受壓變成偏心受壓，若變形過大會造成支撐脫落。因此，對于深大基坑工程(特別是內部深度開挖差異較大的工程)的施工，控制坑底隆起和差異沉降是一個不容忽視的問題。實際工程中，可通過在坑底施打工程樁、加固坑底被動土體、及時澆筑墊層或底板、盡量減少坑底暴露時間、防止雨水浸泡和坑底抗滲等措施，來控制坑底隆起值。

3.4 基坑地表沉降規律

圖7所示為基坑地表沉降隨開挖深度增加的變化規律。可以得到，地表最大沉降值隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大，距離基坑最近的點位，土體沉降較小，在遠離基坑側壁的位置，沉降值逐漸增大，隨后開始減少，曲線整體呈“湯匙”型。有偏壓荷載的一側，基坑開挖到底時，地表最大沉降值為28 mm，此位置距離基坑側壁30 m；基坑開挖到底時，地表實測最大沉降值為30 mm，距離基坑的位置與模擬值一致。造成模擬值偏小的原因是仿真中無法完全模擬現場人員走動、雨水滲漏等造成的沉降增加情況。無偏壓荷載一側，基坑地表最大沉降值為13 mm，該位置距離基坑側壁15 m；實測最大沉降值為13.5 mm，位置同樣與基坑圍護結構相距15 m，與模擬值較為吻合。對比發現，有偏壓荷載一側的最大地表沉降值是無偏壓荷載側的的2倍，最大沉降值出現的位置(距基坑側壁的距離)也是無偏壓荷載側的2倍。偏壓荷載處，基坑開挖到底時，地表沉降范圍是基坑開挖寬度的3倍，而無偏壓荷載處，地表沉降范圍是基坑開挖寬度的2倍。因此，在有荷載的一側，應加強基坑的監測頻率，嚴格把控支護安裝質量，及時架立臨時支撐，控制倒撐及換撐的時間，以確保結構的安全。

a) 無偏壓荷載側b) 有偏壓荷載側

圖8所示為偏壓荷載側沿基坑縱向不同位置處的地表模擬沉降變化。由圖8可知，在基坑開挖較深范圍內的地表沉降較大，最大值為28 mm，較實測數據小2 mm；在兩端基坑開挖較淺的范圍內，地表沉降值減小。但是最大沉降值出現的位置均相同，可見沉降曲線與基坑開挖深度和偏壓荷載的類型有關。

圖8 沿基坑縱向有偏壓荷載側模擬地表沉降

4 結語

本文通過數值模擬與實測數據對比，分析存在偏壓荷載下的基坑圍護樁變形規律，以及基底隆起規律和地表沉降規律，并得出以下結論：

(1) 由于偏壓荷載的存在，基坑兩側的圍護樁模擬及實測水平位移均出現明顯的不對稱，有偏壓荷載一側樁身位移較大，且基坑開挖較深處的樁身位移比開挖較淺的樁身位移大，圍護結構上部一定范圍發生向非偏壓側的整體偏移。

(2) 基底隆起同樣具有明顯的差異，且由于偏壓荷載的影響，圍護樁向基坑內部移動加劇了隆起的發生，根據模擬數據與實測數據對比，基坑較淺位置處隆起量小于基坑較深處的隆起量，深部的隆起量是淺部隆起量的2倍。

(3) 基坑兩側地表沉降規律因偏壓荷載存在較大的差異性，有偏壓側地表沉降最大值是無偏壓側最大沉降值的2倍，且沿基坑縱向地表沉降值存在明顯的差異，基坑開挖較深處的地表沉降較大。