鄰域超大附加荷載深基坑空間效應及變形控制

周 政， 姚愛軍

（北京工業大學， 北京 100124）

0 引言

地下空間的開發與高層建筑的建設造就了大量的基坑工程， 基坑工程的安全性一直頗受巖土工程界的關注。 城市中基坑的周邊環境復雜， 附加荷載形式多種多樣， 如既有建（構）筑物荷載、 交通荷載、 建筑材料與器械荷載等。目前， 許多學者就基坑在鄰域超載作用下的空間效應做出大量研究， 總結得到鄰域不同附加荷載模式作用下圍護結構沿水平及深度方向上的變形規律、 支護結構內力變化、 鄰域地表變形及影響范圍等[1-5]， 又對鄰域附加荷載的大小、作用區范圍、 作用深度、 距坑邊距離等因素對基坑變形做出敏感性分析[6-9]。 設計中對坑外附加荷載取值一般為20～40kPa， 對超大型附加荷載作用下基坑空間效應缺乏研究。 基于此， 本文結合北京市朝陽區京沈高鐵星火站站房基坑工程， 就鄰域既有雜填土邊坡這種超大附加荷載模式作用下的基坑空間效應進行深入探討，并從支護結構設計及場地施工方案兩個方面對基坑進行變形控制。

1 工程背景

1.1 工程概況

星火站站房及雨棚工程規劃建設場地位于北京市朝陽區東風鄉、 將臺鄉轄區內， 臨近既有鐵路京包線和東北環線， 站房結構型式為鋼筋混凝土框架結構， 一層地下室（局部二層）。星火站基坑南北長約320m， 寬約264m， 深度為10～15.9m， 形狀大致呈矩形。 基坑東西兩側分兩期施工。 基坑采取排樁加錨索方式進行支護， 一二期過渡區域采用放坡形式， 如圖1 所示。 星火站基坑西側采用排樁加錨索支護形式，根據底板標高確定基坑的開挖深度， 沿著基坑的長邊方向將基坑劃分為五個設計區段（圖1）， 其中典型剖面A-A 與B-B 如圖4 所示。圍護樁直徑采用直徑1m 和0.8m 兩種， 間距1.5m 的鉆孔灌注樁， 樁長18m 至24m 不等。豎向采用錨索多道錨索進行支護， 錨索的水平間距為1.5m。 值得注意的是， 設計區段4、 5的冠梁標高為-0.4m， 與設計區段1、 2、 3（±0m） 不同， 區段3、 4 連接處的冠梁非連續貫通。 根據場地巖土勘察， 工程場地覆土層由上至下為素填土、 粉土、 粉質黏土、 細砂、 中砂以及圓礫層， 其土體物理力學參數如表1 所示，后期開展有限元分析所需參數取自該表。

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

圖4 典型支護結構剖面Fig.4 Typical supporting structure section

表1 土層物理力學參數

1.2 鄰域附加荷載模式

基坑西側鄰域存在兩個既有雜填土邊坡（圖1）， 土坡由建筑垃圾、 砂石、 磚塊以及黏土堆填形成。 為控制土坡整體變形及確保基坑施工安全， 土坡經過壓密及坡形優化[10-12]， 兩坡分別距離基坑邊8m 和10m。 兩者坡面形式如圖2 所示。 土坡1 土方量遠大于土坡2， 邊坡未開挖前， 附加荷載空間上呈橢圓圓臺式分布，其堆土荷載等值線分布如圖3 所示， 土坡1 和土坡2 最大附加荷載值約為270kPa 和200kPa。

圖2 土坡坡形（單位/mm）Fig.2 The shape of slope

圖3 鄰域土坡荷載等值線圖（單位/kPa）Fig.3 Load contour map of neighboring soil slope

2 有限元分析模型介紹

數值模擬是分析深大基坑空間效應常用及有效的方法， 以星火站站房基坑為例， 本文運用Midas/GTS NX 有限元分析軟件研究基坑開挖引起的支護結構變形與內力變化， 模擬相應的基坑變形控制措施以深化支護體系設計及優化施工方案。

2.1 模型建立

有限元模型的建立如圖5 所示， 考慮模型的對稱性取二分之一的基坑進行建模， 基坑的開挖深度為10.7m 至15.9m 不等， 模型的尺寸取480m×220m×50m， 其取值基本消除邊界效應對土坡及基坑變形的影響。 模型中土體采用修正摩爾庫倫模型， 其物理力學參數見表1 所示；樁、 冠梁、 腰梁采用梁單元， 錨索采用植入式桁架單元， 兩者均為彈性構件。 模型四周側面為法向約束， 頂面為自由面， 底面則為固定約束。

圖5 有限元模型的建立Fig.5 3D model of foundation pit

2.2 計算方案選取

星火站站房基坑具有深大基坑特征且鄰域存在超大附加荷載， 考慮到基坑安全施工、 經濟合理、 施工方便等因素， 結合現場支護設計方案， 針對鄰域超大附加荷載下深基坑存下明顯的空間效應， 本文從基坑支護樁樁徑選取、基坑開挖順序以及馬道布置三個方面對基坑進行變形控制， 具體思路如下：

由此建立了如下六種計算方案（表2）， 以基坑變形量為控制指標， 對各個方案進行計算及對比分析， 且上一步驟的優化結果直接作用于下一步， 以此提出針對本工程的變形控制方案。

表2 計算方案

2.3 計算步驟設置

根據計算方案類型確定不同的開挖模式，先開挖后施加冠梁、 腰梁、 錨索， 因基坑各區段開挖深度不一， 以基坑頂部標高為±0m， 根據支護結構施工工序擬定每次開挖深度至-0.9m/-5.9m/-9.9m/-13.5m/-15.9m（超挖0.5m），計算步驟與之對應。

3 鄰域超大附加荷載下基坑空間效應

3.1 分析區段劃分與觀察點布置

以方案二為討論對象， 鄰域超大附加荷載的對支護結構的作用區域在基坑長邊， 因此下文著重從圍護結構變形、 內力以及鄰域地表沉降三個方面分析基坑長邊方向上的空間效應(短邊方向不作討論)。 如圖6 所示， 根據基坑的變形情況將基坑沿長邊分成三部分， 分別是BD、 EF、 GH， 其中BD 段為雜填土附加荷載核心作用區， EF 段為基坑長邊中“凹” 區域，GH 為普通區段， 無顯著空間形狀及鄰域附加荷載特征， D、 G 處為基坑的陽角。

圖6 坑頂土體變形示意圖Fig.6 Schematic diagram of soil deformation on top of pit

為深入研究基坑、 支護結構變形， 選取具有代表性的點進行分析探討。 觀察點分為基坑沉降、 樁頂、 樁身水平位移、 錨索軸力觀察點，樁頂、 錨索觀察點對應每一支護樁、 錨索， 沿著BD 方向布置， 間隔1.5m。 基坑開挖對環境影響的主要影響區為0.7H 或H·tan（45°-φ/2），其中H 為基坑開挖深度， φ 為土體內摩擦角[13-14]。因此， 沉降觀察點取距離坑邊10m 處， 水平間隔1.5m。 樁身水平位移觀察點如圖7 所示， 以20m 樁長為例， 沿深度方向每米布置一個。BD、 EF、 GH 段編號均從1 號開始。

圖7 樁身觀察點布置Fig.7 The arrangement of pile observation point

3.2 鄰域超大附加荷載下深基坑空間效應分析

如圖8 所示， 樁頂水平位移、 冠梁處錨索軸力與坑外地表沉降（沿長邊方向） 三者變化之間呈正相關， 三者的變化相互聯系， 這是由于隨著基坑開挖， 圍護樁的臨空面增大， 在土壓力差作用下， 圍護樁朝著基坑內側移動， 帶動樁后地層移動， 使得樁后地層發生沉降， 同時樁頂水平位移、 錨索軸力隨之增大。 圖中EF、 GH 區段的沉降值較小是由于未在坑頂處布置其余荷載。

圖8 各區段水平位移、 錨索軸力、 坑外地表沉降變化規律Fig.8 Variation law of horizontal displacement、 anchor cable axial force and surface settlement

BD 區段， 坑角約束效應顯著， 坑角處水平位移為2.5mm， 隨著與坑角距離增加， 水平位移增長。 在8 號觀察點后， 樁頂水平位移、 錨索軸力的增長速率減小， 與2～3 倍基坑開挖深度影響范圍相比[15-16]， 鄰域附加荷載削弱了角部效應， 影響范圍減小至1 倍坑深。 該區段內水平位移曲線出現兩處波峰， 峰值分別為15.9mm與11.4mm。 坑外地表沉降兩個峰值分別為13.9mm 與10.4mm， 此處沉降由兩部分組成，一部分由地層朝坑內移動產生； 另一部分在土坡的附加荷載作用下產生。

EF 區段， 同時處于基坑“凹” 區域的陰角， 但左側的樁頂水平位移大于右側， 由于在D 點處地面存在高差， 此處的冠梁斷開， 支護結構連續性減弱， 剛度降低， 而E 點兩側存在冠梁約束， 水平位移較E 處小。

GH 區段， 0-5 號觀察點水平位移量最大，該區段的支護樁處基坑陽角位置， 受樁后土體“雙向” 土壓力作用， 支護樁不僅產生朝向坑內的水平位移， 同時產生DG 方向的位移。 37-50號觀察點為基坑陰角影響區域， 影響區域的水平長度約2 倍開挖深度， 當超過2 倍開挖深度時， 陰角對變形的約束可以忽略不計， 因此在陰角作用區域內可適當減弱支護結構的剛度以優化支護結構設計， 降低工程造價。

通過對鄰域超大附加荷載下深基坑空間變形效應的探討， 可以得知附加荷載對基坑作用集中體現在基坑的BD 區段， 下文將針對BD區段的變形控制進行系列探討， 且基坑的樁頂水平位移、 錨索軸力、 地表沉降三者間呈正相關， 僅分析其中一者即可得到其余二者變形發展規律。

4 空間效應影響因素及變形控制

4.1 樁徑對基坑空間效應的影響

如圖9、 10 所示， 以支護樁直徑為控制變量， 支護樁直徑的改變對支護結構的變形控制效果并不明顯， 樁徑1000mm 的最大樁身水平位移較樁徑800mm 的僅減小約1mm， 而樁頂水平位移增加了約1mm。 由于未考慮坑頂地面應布置20kPa 的超載， 樁身的實際變形量應比模擬結果大， 在考慮雜填土邊坡局部超大附加荷載以及20kPa 的坑邊超載時， BD 區段內布置1000mm 樁徑的支護樁更為合適， 而在EF、 GH區段則布置樁徑800mm 即可。

圖9 不同樁徑下樁身水平位移Fig.9 Horizontal displacement of pile body

圖10 不同樁徑下樁頂水平位移Fig.10 Horizontal displacement of pile top under different pile diameters under different pile diameters

4.2 開挖順序對基坑空間效應的影響

如圖11、 12 所示， 基坑由北向南開挖與逐層開挖的樁身以及樁頂水平位移無明顯區別，但由南至北開挖的順序下， 支護樁的樁身、 樁頂的最大水平位移分別為19.7mm 和14.5mm，較前兩者減小約10%和8%。 與逐層開挖相比，方向性的開挖方式能夠減小每次基坑臨空面暴露面積且分段有序的支護能夠縮短基坑自由面的變形時間， 從而約束基坑變形。 南北向開挖與北南向開挖相比， 附加荷載前方的反壓土具有護壁作用， 同一開挖面中， 將反壓土置于最后開挖， 其余的支護結構已起到變形約束作用，使得基坑的累計變形減小。

圖11 不同開挖順序下的樁身水平位移Fig.11 Horizontal displacement of pile body under different excavation sequences

圖12 不同開挖順序下的樁頂水平位移Fig.12 Horizontal displacement of pile top under different excavation sequences

4.3 馬道方位對基坑空間效應的影響

如圖13、 14 所示， 馬道布置位置不同對支護結構的變形模式有顯著的差異。 在樁身水平變形量上， 在基坑西南角布置馬道， 樁身的最大水平位移約為14mm。 而在基坑的西北角布置馬道時該處的最大水平位移僅為13mm， 較逐層開挖減小41%。 兩種馬道布置方式下支護樁在深度方向上的變形模式相近， 樁身的最大水平位移值均出現觀察點9 號附近， 約0.7 倍開挖深度。

圖13 不同馬道布置方式的樁身水平位移Fig.13 Horizontal displacement of the pile body in different layouts of berm

在樁頂水平位移變形方面， 兩種馬道布置方式均出現兩個波峰， 且在第二個波峰上接近重合。 在西南角布置馬道時樁頂最大水平位移值為14.5mm， 位于觀察點34 號， 而在基坑西北角布置馬道時， 基坑的最大水平位移值為11.3mm， 位于觀察點87 號， 兩者最大水平位移值較逐層開挖時減小12.5%和31.3%， 且出現樁頂最大水平量的位置往基坑中線方向偏移。馬道處于基坑的西北角， 對于土坡1 作用區段而言， 在支護結構臨空面處布置反壓土坡， 人為的約束了支護結構朝坑內變形， 對變形控制有利， 同時馬道在基坑角部的布置相當于增大了基坑坑角效應， 使得最大值出現位置靠近基坑的中部。 觀察點0-10 出現位移負值， 錨索施加的預應力大于樁后土壓力， 使支護樁產生坑外方向上的位移， 隨著臨空面沿著基坑長邊的線性增加， 支護樁的變形也逐漸增大。 觀察點70 往后， 馬道對支護結構變形的影響可忽略不計。

針對星火站站房基坑工程， 對深大基坑的長邊方向上空間效應分析解讀， 結合三個空間效應的影響因素出發， 提出了相應的變形控制方案， 即選擇1000mm 與800mm 兩種直徑的支護樁進行支護， 基坑從南至北分層分段開挖，且將馬道預留在基坑西北角處。

圖14 不同馬道布置方式的樁頂水平位移Fig.14 Horizontal displacement of pile top in different layouts of berm

5 結論

為研究鄰域超大附加荷載深基坑空間效應及變形控制， 本文采用了數值模擬的方式， 在確認坑邊附加荷載模式的基礎上， 分析了支護樁徑、 開挖順序、 馬道方位布置對深基坑變形影響， 并得出以下主要結論：

（1） 在基坑開挖影響區域范圍內， 基坑樁頂水平位移、 錨索軸力以及坑外土體沉降三者變化規律呈正相關。

（2） 在基坑的長邊方向上， 基坑支護結構的變形形態與附加荷載的分布模式相互對應。在鄰域超大附加荷載作用下， 基坑支護結構最大水平變形為15.9mm， 對該處的變形控制是該基坑支護設計的關鍵。

（3） 鄰域超大附加荷載作用會削弱基坑的坑角效應， 與基坑南側水平方向上2-3 倍開挖深度影響范圍相比， 基坑北側的影響范圍減小至1 倍坑深。

（4） 變形控制方面， 支護樁樁徑對支護結構變形控制效果并不明顯， 但在無超大附加荷載作用區布置小樁徑的支護樁， 在滿足變形要求的前提下， 能夠降低工程造價。 通過優化開挖順序與馬道方位布置， 樁頂水平變形量減小約31.3%， 樁身水平位移減小約41%， 馬道的布置方位對于本基坑的變形控制起到關鍵作用，有效的控制基坑支護結構的變形， 提高了基坑施工的安全性以及場地的空間運輸能力。