V-H組合荷載作用下基坑圍護結構變形特性分析

江杰,田翔豪,羅方正,彭伯倫

(1.廣西大學 土木建筑工程學院, 廣西 南寧 530004；2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室, 廣西 南寧 530004；3.工程防災與結構安全教育部重點試驗室, 廣西 南寧 530004；4.中國建筑第八工程局有限公司, 上海 200135)

0 引言

隨著城市建設的迅速發展，大量的地鐵車站深基坑工程應運而生[1-4]，基坑圍護結構的變形是工程界最關注的焦點問題之一。目前，國內外學者主要通過數值計算、理論分析、試驗及現場監測等方法對基坑圍護結構的變形進行研究。汪俊杰等[5]通過FLAC3D數值分析軟件進行了基坑地連墻支護參數敏感性分析，得到了各支護參數的相互影響關系；趙香山等[6]利用有限元軟件對基坑地連墻水平位移和地表沉降進行反演分析，得到的上海軟土地區土層參數能較好應用于數值分析當中；徐長節等[7]和范曉真等[8]通過理論推導的方法，得到了非對稱開挖基坑剛性支護結構變形的解析解；LIU等[9]和XIANG等[10]通過數學模型對基坑圍護結構變形進行了預測；郭海慶等[11]以某基坑實例為背景，通過離心模型試驗和有限元軟件得到了兩種不同形狀基坑的土壓力分布形式；劉煬鑌等[12]通過離心試驗和理論方法深入研究了窄基坑圍護結構的變形特性；李連祥等[13]針對傳統基坑離心模型試驗中存在的不足，研制了一種新型開挖模擬裝置，提高了試驗精度和可操作性。對于受外部荷載影響的基坑，林剛等[14]針對基坑開挖時兩側不平衡堆載的實際情況，通過數值模擬發現兩側圍護結構內力及位移均呈相反的變化規律，在設計時需要分別考慮兩側的支護參數；姚愛軍等[15]則通過現場監測數據，研究不對稱荷載作用下的基坑變形，得到的結論與林剛等[14]的研究成果一致；林馳等[16]對不同汽車流量下的基坑圍護樁頂水平位移、圍護樁身應力及鋼支撐軸力進行監測，發現汽車移動荷載對基坑穩定性有明顯不利影響。以上學者針對基坑圍護結構變形進行了深入研究，但實際工程中圍護結構可能會受到豎向荷載(V)和水平荷載(H)組合作用，而此工況下基坑圍護結構變形特性的相關研究還鮮有報道。因此，對V-H組合荷載作用下基坑圍護結構的變形規律開展研究具有較強的現實意義。

本文以南寧地鐵5號線某地鐵車站基坑為依托，首先運用FLAC3D有限差分軟件對基坑開挖支護開展數值計算，對比分析了基坑圍護樁受V-H組合荷載和僅受水平荷載兩種工況下的樁頂、樁身水平位移及支撐軸力變化，得到了豎向荷載對樁頂位移、樁身水平位移、水平承載力及內支撐軸力的影響規律，然后將現場監測數據與數值計算結果進行對比分析，進一步驗證了數值計算模型的準確性和豎向荷載對基坑圍護樁的影響規律，為后續研究V-H組合荷載作用下的基坑提供參考。

1 工程概況

南寧市地鐵5號線某地鐵車站為地下兩層明挖島式站臺車站，站位緊鄰某汽車客運中心，周邊為居民區，環境較復雜。根據超前地質勘探報告顯示，基坑土層自上而下依次為雜填土、素填土、粉土、泥巖、粉砂巖，土層物理力學參數見表1。

表1 土層物理力學參數Tab.1 Physico-mechanical properties of soils

地鐵車站基坑長594.40 m，標準段寬度19.20 m，開挖深度16.00 m，車站主體圍護結構采用“鉆孔灌注圍護樁+樁間旋噴+內支撐”的結構體系。圍護樁徑1.20 m，樁長22.00 m。豎向設置3道內支撐，第一道為800 mm×900 mm米字型鋼筋混凝土撐，位于基坑深-0.50 m處，第二、三道鋼支撐直徑分別為800.0 mm、609.0 mm，壁厚均為16.0 mm，分別位于基坑深-6.40 m、-11.90 m處，水平方向兩道相鄰內支撐水平間距為9.00 m。基坑平面示意圖如圖1所示。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the foundation pit

為保證周邊居民正常出行及汽車客運站正常運營，需在基坑開挖前搭設通行鋼便橋，鋼便橋橫向通行寬度25.50 m，縱向跨度21.20 m。鋼便橋由貝雷梁拼接搭設而成，上方鋪設0.25 m厚混凝土行車面板，豎向荷載約1.05×104kN通過鋼支座向下傳遞至兩側圍護樁。在基坑開挖前，貝雷梁鋼便橋的豎向荷載已作用于圍護樁頂，隨著基坑土體的開挖卸載，圍護樁受到水平荷載作用，在V-H組合荷載作用下產生位移和變形。受V-H組合荷載作用的圍護結構標準段橫斷面如圖2所示。

圖2 受豎向荷載段基坑圍護結構橫斷面圖Fig.2 Sectional view of retaining structure of foundation pit under vertical load

2 數值模擬分析

2.1 計算模型與參數

圖3 1/2基坑計算模型 Fig.3 Calculation model of 1/2 foundation pit

基于有限差分軟件FLAC3D對基坑開挖支護開展數值模擬。由于基坑尺寸較大，為提高計算效率，根據對稱性計算原理，選取實際工程的1/2進行建模，基坑開挖的影響范圍[17]約為開挖深度的4～5倍，確定計算模型尺寸為155 m×180 m×80 m，土體采用摩爾-庫倫本構模型的實體單元進行模擬，內支撐采用梁結構單元進行模擬。基坑開挖前，在鋼便橋下的圍護結構頂部施加均布力來模擬豎向荷載，架設完鋼支撐后，在鋼支撐兩端施加一對相反的作用力來模擬預應力。計算模型的邊界條件為：限制周圍四面水平位移，底面為固定端，頂面為自由端。網格劃分以基坑中心，由近及遠逐漸稀疏，共劃分104 260個單元，111 321個節點，1/2基坑計算模型如圖3所示。

鉆孔圍護排樁的受力形式與地下連續墻相似，依據等效剛度原理，通過(1)式轉換成模擬地連墻的厚度H，圍護結構物理力學參數見表2。

(1)

式中，H為等效地連墻厚度；t為相鄰樁間凈距；D為鉆孔灌注樁直徑。

表2 圍護結構物理力學參數Tab.2 Physico-mechanical properties of retaining structures

根據實際工程現場作業情況，基坑開挖支護過程一共分為5個工況，地下水位控制在開挖面以下0.50 m，基坑開挖支護工況見表3。

表3 基坑開挖支護工況Tab.3 Conditions of foundation pit excavation support

2.2 數值計算結果分析

2.2.1 樁身水平位移分析

以基坑長邊標準段圍護樁Z42和Z46為分析對象，其中Z42樁上部無鋼便橋，僅受開挖卸荷引起的水平荷載，Z46為圖2中受豎向(V)與水平(H)組合荷載作用的圍護樁。不同工況下圍護結構水平位移云圖如圖4所示，從計算模型里提取Z42和Z46樁身水平位移，樁身水平位移變化如圖5所示。

(a) 工況2

(b) 工況3

(c) 工況4

(d) 工況5

圖5 樁身水平位移變化Fig.5 Horizontal displacement of pile

由圖5知：Z42和Z46樁身水平位移均隨開挖深度增大而逐步增加，且在各個工況下，Z42的樁身水平位移均小于Z46，這是因為預先作用的豎向荷載與樁身水平位移會產生附加彎矩，從而使得樁身水平位移增大，降低了圍護樁的水平承載力。在工況2條件下，第一道混凝土支撐暫未架設，樁身僅受到土壓力作用，樁身變形形式類似于懸臂樁，工況3～工況5條件下，由于內支撐的架設限制了樁身水平位移，樁身變形呈“兩端小中間大”的形狀，兩者變形形式一致，說明豎向荷載對樁身變形形式的影響較小。在工況5時，基坑開挖至坑底，樁側水平荷載增至最大，此時Z42與Z46樁身水平位移差值最為明顯，豎向荷載對樁身水平位移的影響發揮至最大。

同時由圖5知，工況3和工況4時，樁身水平位移變化速度較快，Z42樁在這兩種工況下最大水平位移分別為13.1 mm和18.6 mm，相對于上一工況分別增長了274%和42%，而Z46樁在這兩種工況下最大水平位移分別為13.9 mm和21.6 mm，分別增長了256%和55%，這是因為這兩個工況開挖深度較深，引起水平荷載快速增加所致，應加強這兩個工況下的基坑監測頻率。Z42最大水平位移位于-8.00 m深度處，而Z46最大水平位移位于-10.00 m深度處，說明預先作用的豎向荷載能使圍護樁身最大水平位移位置下移，下移深度為開挖深度的12.5%。

2.2.2 樁頂水平位移分析

各個工況下Z42和Z46樁頂水平位移變化如圖6所示。

由圖6知，Z42和Z46樁頂水平位移的變化規律趨于一致。在工況1時，基坑未開挖，只在搭設鋼便橋區段的圍護樁上作用了豎向荷載，Z42和Z46兩者樁頂水平位移接近于零。在工況2條件下，由于開挖深度較淺，樁身所受水平土壓力較小，Z42與Z46樁頂水平位移分別為3.5 mm和3.9 mm，差值僅為0.4 mm。隨著開挖支護工況的進行，Z42與Z46樁頂水平位移逐漸增大，且二者的差值也進一步增大，豎向荷載對樁頂水平位移的影響越來越明顯。當開挖至工況5時，兩者的水平位移增長值均較小，這主要是由于此時三道內支撐已架設完畢，承擔了較多的基坑外側主動土壓力，限制了樁頂位移。在整個開挖支護過程中，Z42樁頂水平位移略小于Z46，預先作用的豎向荷載會使樁頂水平位移增大。

2.2.3 樁頂豎向位移分析

從計算模型中提取各個工況下Z42和Z46樁頂豎向位移數據，得到的樁頂豎向位移變化如圖7所示。

圖6 樁頂水平位移變化Fig.6 Horizontal displacement of pile top

圖7 樁頂豎向位移變化Fig.7 Vertical displacement of pile top

由圖7知，Z42和Z46樁頂豎向位移呈先增大后略減小趨勢，且Z42樁在各個工況下的樁頂豎向位移均小于Z46樁，由此可見，除了圍護樁自重使樁頂產生豎向位移外，預先作用的豎向荷載對樁頂豎向位移產生了一定的影響。在工況3時，Z42和Z46有最大樁頂豎向位移，分別為-8.7 mm和-11.8 mm，相對于工況2分別增加了5.9 mm和4.8 mm。在工況4時，開挖卸載引起樁頂略微上浮。工況5時進行了基坑底板封底澆筑，有效的減小了開挖卸載引起樁體上移。

圖8 支撐軸力變化Fig.8 Variation of axial force of support

2.2.4 支撐軸力分析

從計算模型中提取與Z42和Z46樁相對應位置的ZCL42和ZCL46三道內支撐軸力數據，支撐軸力變化如圖8所示。

由圖8知，ZCL42和ZCL46各道內支撐軸力變化規律一致相同，均隨著開挖深度增大而增大，其中第一道內支撐軸力在工況2～工況4增長速率較快，近似線性變化，但在工況5時，增長速率明顯放緩，這是因為此時三道內支撐均已駕設完畢，開挖卸載對第一道內支撐軸力的影響較小。第二道內支撐軸力在工況5時增至最大，且超過了此工況下第一道內支撐軸力。第三道內支撐軸力最小，這是因為駕設第三道內支撐時，第一道和第二道內支撐承擔了大部分的坑外土壓力。總體上看，ZCL42各道內支撐軸力均略小于ZCL46，這與Z42和Z46樁身水平位移表現的規律一致，預先作用的豎向荷載使得內支撐軸力增大。

3 監測數據與數值計算對比分析

3.1 樁身水平位移對比分析

分別將Z42和Z46工況5時的樁身水平位移監測值與數值計算值進行對比，得到工況5樁身水平位移監測值與計算值對比如圖9所示。

由圖9知，監測數據和數值計算的樁身水平位移大小及變形規律較為契合，說明數值計算模型及參數取值是合理的。監測數據顯示，Z42樁身水平位移要略小于Z46，其中Z42樁身最大水平位移為19.1 mm，位于-8.00 m深度處，Z46樁身最大水平位移為24.4 mm，位于-10.00 m深度處。在預先作用的豎向荷載的影響下，樁身最大水平位移增大約27%，樁身最大水平位移位置下降約2.00 m，這與數值計算中呈現的規律相同，進一步說明預先施加的豎向荷載會削弱圍護樁的水平承載力和增大樁身水平位移。

3.2 樁頂水平位移對比分析

Z42和Z46樁頂水平位移監測值與數值計算值對比如圖10所示。

圖9 工況5樁身水平位移監測值與計算值對比Fig.9 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile in working condition 5

圖10 樁頂水平位移監測值與計算值對比Fig.10 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile top

由圖10知，Z42和Z46樁頂水平位移監測數據與計算值呈現的變形規律相同，均隨著開挖深度增加而增大。在工況1時，由于基坑暫未開挖，Z42和Z46樁頂水平位移監測值與計算值均近似于零。工況2時，開挖深度1.00 m，Z42和Z46樁頂水平位移監測值分別增大至3.0 mm和4.1 mm，而在工況5時分別增大至10.5 mm和14.6 mm，比對應工況下的計算值分別小2.1 mm和0.9 mm。總體來看，樁頂水平位移監測值要略小于數值計算結果，這是由于現場實際開挖作業時，會對圍護結構設置臨時加固，在一定程度上限制了樁身及樁頂的水平位移。此外，在各個工況下，Z42樁頂水平位移監測值均小于Z46，這與數值計算得到的規律相同，預先施加的豎向荷載使得樁頂水平位移的增大。

3.3 支撐軸力對比分析

選取ZCL42和ZCL46第一道內支撐軸力監測值與計算值進行對比分析，如圖11所示。

從圖11可以看出，第一道內支撐軸力監測值與計算值變化趨勢一致。在工況2時，ZCL42和ZCL46第一道內支撐軸力監測值分別為1 300.3 kN和1 546.3 kN，與數值計算值差值分別為1 180.1 kN和1 192.0 kN，差值較大的原因是由于基坑開挖存在時空效應，現場施工荷載、氣溫等因素也會對監測數據的采集產生一定影響。總的來看，ZCL42軸力監測值比ZCL46小10%左右，這與數值計算結果表現的規律相契合。

圖11 第一道支撐軸力監測值與計算值對比Fig.11 Comparison between measured and calculated values of first strut axial force

4 結論

① 現場監測數據與數值計算結果較吻合，說明數值模型及參數取值合理，FLAC3D有限差分軟件能有效模擬V-H組合荷載作用的基坑圍護結構的變形。

② 在各個開挖工況下，受V-H組合荷載和僅受水平荷載作用的基坑圍護結構變形形式一致，預先作用的豎向荷載對樁身變形形式的影響較小。工況3和工況4時，Z42和Z46樁身水平位移增速較快，應加強這兩個工況下的基坑監測頻率。

③ 僅受水平荷載作用的樁身最大水平位移位于-8.00m深度處，受V-H組合荷載作用的樁身最大水平位移位于-10.00m深度處，預先作用的豎向荷載能使圍護樁身最大水平位移位置下移，下移深度約為開挖深度的12.5%。

④ 監測結果顯示，V-H組合荷載下的圍護樁身最大水平位移增大約27%，從而削弱圍護樁的水平承載力，同時預先作用的豎向荷載使內支撐軸力增大約10%，設計人員應該充分考慮預先作用的豎向荷載帶來的不利影響，以保證基坑安全。