非對稱荷載作用下基坑變形分析

馮 勇 （中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

1 引言

伴隨著城市化進程加快，土地資源緊張，城市地下空間被廣泛利用。地下空間開挖的基坑緊鄰地下商業群、停車場、高樓大廈或既有車站的環境非對稱情況愈加增多，非對稱荷載作用下基坑的變形機理以及變形規律更加復雜，基坑開挖過程支護結構自身及環境安全風險更大，因此有必要對其受力及變形特征進行研究，以指導類似工程建設。

自上世紀40年代開始，以Terzaghi和Peck等為代表的等學者以總應力計算基坑支護結構，并研究了基坑施工過程的穩定性；Bjerrum 和Eide等總結了基坑開挖基底隆起變形規律，探討了基坑抗隆起理論計算；O'Rourke研究了土體變形的影響因素即基坑開挖卸載，提出基坑開挖和圍護對圍巖變形的影響。馮廣玉、朱元勛等國內學者運用數值分析方法，研究基坑開挖支護結構的內力、變形變化以及對環境影響。王艷峰、劉海燕等結合工程施工過程的監測數據，研究基坑開挖對支護結構自身和環境影響。

2 工程概況

本基坑工程位于某高速公路北側，高速公路填土高度約為6.0m，基坑北側為某在建廣場，在建廣場挖深約為4.0m。基坑南側邊緣線定位在高速公路的邊坡周圍，基坑北側圍護樁與在建廣場承臺凈距1.9m，與承臺樁凈距2.4m，基坑與路肩相距為6.2m～10.4m；基坑北側施工便道寬約8.0m，基坑平面圖如圖1。

圖1 基坑平面圖

基坑設計開挖尺寸：長73.50m，寬14.30m，深26.22m，基坑結構主體分為兩層，局部為三層。采用長度為45m，直徑1.2m，間距1.5m的鉆孔灌注樁作為基坑的外圍支護，采用鋼筋混凝土支撐與鋼結構相結合的方式為其豎向圍護結構，其中最上層為混凝土支撐，支撐水平間隔為6m；往下為7道鋼支撐，鋼支撐的水平間隔為3m。其混凝土支撐的設置標高為±0，7道鋼支撐設置標高分別為-3.8m、-7m、-10m、-13m、-16.5m、-19.5m、-22.4m。基坑負二層的開挖深度為16.92m，采用長度為30m，直徑1m，間距1.2m的鉆孔灌注樁作為基坑的外圍支護，其中最上層為混凝土支撐，支撐水平間隔為6m；往下為4道鋼支撐，鋼支撐的水平間隔為3m，其混凝土支撐的設置標高為±0，4道鋼支撐的設置標高選取分別為 -3.8m、-7m、-10m、13.5m。

3 工程地質條件

場址范圍內土層結構自上而下分別為上覆人工填土層，其厚度為0.8m；粘土層，其厚度為3.3m；膨脹土層，其厚度為32.3m；中更新統沖積層粘土層，其厚度為2.4m；下伏基巖為第三系粉砂巖。參數如表1。

基坑設計參數 表1

4 模型的建立

4.1 計算模型

基坑的長、寬分別為73.5m與14.3m，最大開挖深度為26.22m，將其分為8個步驟進行分步開挖施工。根據FLAC3D模擬結果和實測數據表明：受深基坑開挖影響，一般會在開挖基坑周圍3倍的開挖深度范圍內引起比較大的地層沉降，而在3～5倍的開挖深度范圍內其所引起的地層沉降影響較小，地層沉降也受基坑開挖的平面尺寸大小和開挖平面的長寬比影響。開挖基坑平面尺寸越大，地層范圍影響就越廣；開挖平面的長寬比越大，沿長邊的方向受影響范圍就越廣。

數值模型的條件選取：取距離基坑邊界100m橫向范圍，縱向高度為3.8倍的基坑開挖深度，故整個模型尺寸長寬高分別為273m、214m、90m，計算模型如圖2所示。

圖2 三維模型網格劃分

分別用x方向、y方向的外邊界條件對兩個垂直面上的法向位移進行約束，開挖內部不設置約束；模型底面的水平邊界位置采用固定約束。

本構模型選用修正劍橋模型，開挖土體的網格劃分選用六面塊體單元，未開挖土體的網格劃分選用六面體漸變放射單元。由于所開挖的地坑周圍地下水位較低，故模型忽略地下水對基坑開挖的影響，以總應力指標作為土體計算參數。

圍護樁與立柱選用樁單元進行模擬，基坑內的混凝土支撐、鋼支撐與圍護樁體間的冠梁皆用梁單元進行模擬。

4.2 計算參數

取強度的混凝土作為基坑支護結構的混凝土強度，混凝土在外部作用下會產生裂縫，強度折減系數取0.8，彈模取24GPa、泊松比取0.2、密度取1500kg/cm，采用1.2m×1m 的鋼筋混凝土支撐截面長寬分別為1.2m與1m，鋼支撐截面為外徑609mm內徑593mm的空心圓，鋼支撐彈模為210GPa，泊松比為0.3。

4.3 計算工況

基坑開挖8個土體開挖工況，如表2所示。

基坑開挖主要計算步 表2

5 基坑變形及地面沉降分析

5.1 樁體側向位移分析

圍護樁在不同計算工況下水平位移隨深度的變化曲線見圖3至圖6所示。

圖3、圖4顯示：隨著開挖的進行，基坑側向變形速率增大，支護結構側向位移呈現出中間大兩端小的變化規律，變形最大位置在開挖面附近，最大變形位置隨開挖的進行而逐步下移。基坑南北圍護樁在水平方向的位移均向超載一側偏移，位移量在25mm左右。

圖3 基坑南側圍護樁側向位移變化曲線

圖4 基坑北側圍護樁側向位移變化曲線

5.2 地表沉降分析

不同計算工況下，基坑中心位置南側高速公路南側（jv5-2）和北側（jv5）高速公路地面沉降隨開挖工況變化曲線見圖5、圖6所示。

圖5～圖7可以看出：地面沉降與開挖深度呈正相關，開挖深度越大，地面沉降越大。由于鋼支撐的及時架設，每一次開挖完成后地表沉降速率降低，對控制地面沉降效果顯著。基坑周邊地表最大沉降值為50mm左右，位置在距基坑12m處。在基坑每一步開挖中，地表沉降均在不斷增大，反彎點在距離基坑開挖深度的1.5倍處，反彎點范圍內基坑開挖產生的沉降值較大。

圖5 高速公路南側地面沉降隨工況變化曲線

圖6 不同工況高速公路南側地面沉降隨距離變化曲線

圖7 高速公路南側地面沉降隨工況變化實測曲線

6 結語

通過FLAC3D數值分析和現場原位監測，結論如下：

①開挖深度與基坑側向變形及其速率呈現正相關關系，基坑支護結構的側向變形呈現出中間大兩端小的特征，變形最大位置處在基坑開挖面附近，即側向變形呈現出“n”字型特征，中間大兩端小；

②受偏載影響，基坑整體單向偏移基坑南、北側的圍護結構頂端均向北移，移動的數值穩定在25mm左右；

③基坑周邊地表沉降與開挖深度呈正相關關系，由于鋼支撐的及時架設對控制地面沉降效果明顯。單一工況結束后，基坑沉降速率明顯減小，沉降趨于穩定；

④基坑周邊地表最大沉降值為50mm左右，位置在距基坑12m處，在基坑每一步開挖中，地表沉降均在不斷增大，反彎點在距離基坑開挖深度的1.5倍處，反彎點范圍內基坑開挖產生的沉降值較大。