頂部堆載對基坑壁變形影響分析

虞曉剛

浙江繼光建筑特種工程有限公司

1 前言

基坑壁失穩垮塌是基坑工程中常見的災害之一，基坑壁的穩定性受開挖深度、巖土性質、地下水以及附加荷載等多種因素的共同作用。附加荷載常為基坑頂部邊緣進行堆載引起，基坑周圍荷載的存在常會影響基坑周圍土體應力的分布[1]。本文以工程實例為基礎，采用FLAC 3D 有限差分軟件對基坑頂部邊緣存在荷載情況下基坑壁的位移特征進行分析。

2 工程概況

某七層建筑基坑具有一層地下停車場，該基坑設計尺寸為30m×15m，基坑開挖深度5m。場地范圍內從上到下土層依次是雜填土（1m）、粉土（3m）、粉質黏土（18m），場地巖土參數如表1所示。基坑開挖穿過了3層土層，距基坑預定設計的一長邊上中心頂部約3m 處為堆載的鋼材材料，下方存在排水管。采用FLAC 3D模擬載荷對該基坑開挖過程中應變的影響情況進行分析，以便進行相關基坑支護設計。

表1 巖土參數

3 模型建立

采用FLAC 有限差分軟件進行建模計算，根據前人研究，基坑模型建立時，基坑外土層計算范圍不應小于基坑深度的3倍[2]。該工程開挖深度為5m，因此，取計算范圍為90m×30m×20m。將基坑邊緣堆載荷載等效為均布壓力，施加在基坑頂部一定面積內。由于計算模型為對稱形狀，為提高計算效率，取整體的一半進行分析。需要對基坑位移進行監測，以便分析變化規律[3]。在模型中沿長邊對稱面與基坑面的兩條交線上從上往下各布置了6 個數據記錄點（如圖1中A、B兩側的點），如圖1所示。基坑土體的參數如表1所示。基坑分為3層開挖，其中第一層開挖2m，第二層開挖2m，第三層開挖1m。

圖1 基坑模型圖

4 結果分析

4.1 水平位移分析

圖2為計算后的基坑壁的水平位移云圖，圖3為基坑兩側最終水平位移，基坑A、B 兩側從上到下都差異性地產生了水平位移，兩側產生水平位移的規律都為從上到下，先隨深度的增加而增大，達到一定深度后，隨深度的增加而減小，最終位移圖近似拋物線。兩側發生最大水平位移處分別為圖2中兩側紅色區域和藍色區域。從圖3可以看出，產生最大水平位移處均為兩側的4m 左右。兩側的水平位移呈拋物線的原因是因為土體從上到下受到不同土壓力的作用，從基坑頂部往下時，由于土壓力逐漸增大，發生的水平位移四也逐漸增大，到達一定深度后，水平位移不再增大，反而減小，這是因為土體的水平向變形受到基坑底部土體的約束，從而逐漸減小。

同時可以得出，在頂部有堆載的一側發生的水平位移量均大于沒有堆載的一側，如圖2所示。在沒有堆載的一側（B側）發生的最大水平位移為47mm，而在堆載側（A側）發生的最大水平位移量為69mm。A 側水平位移量比B 側大46%左右。在荷載區域下部產生的位移相對沒有荷載的B側也較大，在A側產生的水平位移為34.5mm，而在B 側，與A側對應的位置產生的位移為26.4mm，約為A側的76%。

由此可以得出，基坑頂部有堆載時，會增大基坑的水平位移量。所得到的規律與經典土力學一致[4]。同時可以得出，在該工程中，如不采取支護措施，將會對地下排水管產生影響。

圖2 水平位移云圖

4.2 沉降分析

通過計算得到了基坑的沉降量云圖，由云圖可以看出，在基坑的底部發生了明顯的隆起，基坑底部由于應力釋放的隆起量約為3cm左右。同時，在基坑壁上，A、B兩側的沉降量也有很大的差距。在B側，沉降量相對較為均勻，而在A側，可以看出荷載下部土體中沉降值形狀為近似倒錐形，上部土體沉降嚴重受荷載影響，而逐漸往下時，A側和B側產生的沉降量差異不小。由此可以得出，上部荷載的影響范圍有限。在A側，最大的沉降量發生在荷載區域下部，最大值為11cm左右；而在B側，最大沉降值發生在基坑邊緣頂部，為7.5cm 左右。相對于B 側，A 側基坑邊緣頂部的沉降量約為10cm左右，土體中的沉降量隨深度的增加而減少。這是因為在基坑上部，由于土體自重、荷載以及側部臨空的影響下，沉降值最大。而在基坑下部，由于歷史應力的作用，處于固結狀態，可發生的壓縮變形量已經很小，加上其位于基坑壁下部，受到基坑底部土體的約束，在上述三個因素的影響下，產生的沉降值較小。

由上分析可得，較深土質基坑在無支護開挖下，易產生較大沉降量。而當基坑頂部存在荷載時，會增大基坑的沉降量。上部荷載影響基坑一定范圍內土體沉降量。該工程中，排水管處于影響范圍區。

圖3 基坑沉降云圖

5 結束語

本文采用FLAC 3D 有限差分軟件對無支護、上部存在荷載的基坑進行了數值模擬，并分析了基坑長邊上土體水平位移及沉降量變化規律，得到如下結論：

（1）基坑壁的水平位移先隨基坑深度的增加而增加，到達一定深度后，隨基坑的增加而減少，深度-水平位移曲線呈拋物線形。水平位移量及大受頂部荷載的影響。

（2）基坑的沉降量隨基坑深度的增加而較小，在基坑壁底部趨于0。上部荷載的存在將會增大一定范圍內土體的沉降量，其影響范圍形狀近似倒錐形。

（3）該工程施工中，應采取支護措施，限制基坑的變形，一方面，保證基坑的安全施工，另一方面，保護基坑周圍的排水管道。