基坑周邊堆載對土體變形的影響分析

侯明鋒，劉金龍,，姚軍，祝磊

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.合肥學院城市建設與交通學院，安徽 合肥 230022）

1 引言

在基坑開挖過程中，如果基坑兩側有大量土方不能及時運出而堆積于某處，或者在基坑開挖兩側臨時堆放重物都會對基坑開挖造成一定的影響。如上海地區某基坑施工現場，由于在基坑一側有大量挖方土未及時運出，導致對基坑支護結構造成破壞，進而造成基坑失穩塌方，由堆載觸發基坑失穩的問題在各個地方造成的工程事故均有例可循，近年來這也引起了廣大的學者和設計師的關注。

林剛通過有限元軟件進行二維和三維建模，提出不平衡基坑優化設計的方法，對不平衡堆載作用下和不同挖深情況下樁撐式支護結構進行了算例分析。朱懷龍等針對基坑臨時堆載的情況，依托某工程實例，運用有限元數值建模并結合實測數據，分析了坑外偏壓荷載大小、荷載位置及荷載分布寬度對既有深基坑支護結構受力和變形的影響。孫永超軟件模擬了有堆載和無堆載兩種工況下軟土地區深基坑開挖全過程，并分析了堆載對圍護結構變形和地表沉降造成的影響。除此之外還有諸多學者對不均衡堆載的問題進入了深入探討。

為此，本文基于有限元方法對比分析了在堆載大小和位置發生變化時基坑的變形情況。

2 有限元計算模型

2.1 工程概況

某車站主體總長度196.4m，標準段總寬度22.9m，標準段基坑平均開挖深度17.8m。車站采用地下兩層雙柱三跨島式站臺設計模式，主體結構為鋼筋混凝土箱形框架結構。基坑圍護結構設計采用Ф1000@1300 mm鉆孔灌注樁+內支撐支護方案，第一道支撐為800mm×900mm的鋼筋混凝土梁，第二、三道為鋼支撐 (Ф609，壁厚t=16mm)。基坑圍護結構、內支撐布置以及堆載位置如圖1所示。

圖1 基坑圍護結構典型橫斷面示意圖

根據地勘報告，從上至下各土層可分為①素填土、②黏土、③黏土、④全風化砂巖、⑤強風化砂巖、⑥中風化砂巖，采用小應變模型(Hs-small)對土體進行模擬，土層的計算參數見表1。

土層各項物理參數 表1

在有限元模型建立過程中，采用點對點錨桿單元模擬內支撐，用板單元模擬地下連續墻等效代替的圍護樁，等效后的地連墻參數為彈性模量為 4×107MPa；泊松比 v=0.167，EA=23.04×10kN/m，抗彎剛度EI為1.13×10kN/m。厚度為0.8m。內支撐具體參數見表2。

內支撐物理參數 表2

2.2 有限元模型建立

基于該車站工程概況建立了有限元軟件分析模型，為減小模型邊界效應的影響，模型邊界取至基坑深度的3～5倍，模型 X軸方向取 100m，Y軸方向取50m。有限元整體網格劃分，見圖2。

圖2 基坑有限元網格劃分

在基坑未施加堆載作用下，基坑開挖到底后對該基坑圍護結構水平位移的監測值和軟件模擬值進行對比分析，結果如圖3所示。

圖3 圍護結構水平位移對比圖

基坑開挖到底后，圍護結構水平位移監測值最大為12.67mm，位于距樁頂8m處；本文數值模擬后的水平位移最大值為11.83mm，兩組數據誤差為6.6%。圍護樁模擬數據曲線雖然波動較為明顯，但是整體發展規律與變形實測曲線結果基本一致，可以驗證該基坑有限元計算的正確性。

3 堆載大小的影響分析

3.1 圍護結構水平位移分析

在基坑開挖到底，堆載P不同取值時基坑圍護結構水平位移分布見圖4所示。在開挖至基底-17.8m，最大水平位移由P=20kPa時的7.41mm增加到P=80kPa時的18.76mm。且在堆載值較小時該側圍護結構水平位移最大值在距樁頂14m處左右，堆載值增大后，最大值位置上移至樁頂附近位置。

圖4 開挖至底時堆載側圍護結構水平位移

在同一開挖深度下，圍護結構水平位移隨著堆載的增加而增加，如圖5所示。

圖5 堆載對圍護結構水平位移最大值的影響

3.2 地表沉降分析

在不同開挖深度下，隨著堆載的逐漸增大，基坑該側的周邊地表沉降值如圖6所示。

圖6 基坑開挖至底堆載側地表沉降

由圖6可以看出在開挖深度一致的情況下，地表沉降隨著堆載的增加而增加.基坑開挖至-17.8m時地表沉降值由P1=20kPa時的 5.46mm增加到P4=80kPa的25.12mm。最大沉降值在距基坑邊緣6～8m左右。

3.3 土體水平位移

圖7給出了基坑開挖后土體水平位移的等值線分布情況。由土體水平位移等值線分布圖可以看出，開挖到底后基坑兩側土體水平位移方向指向開挖工作面。結果表明，無堆載時土體水平位移最大值的位置位于圍護結構頂部坑壁土體中，隨著堆載的逐漸增大，當堆載值增大到80kPa時，土體最大水平位移值位于圍護結構后方的土體中。

圖7 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

4 堆載位置的影響分析

4.1 圍護結構水平位移分析

基坑開挖到底后，在恒定P=20kPa堆載作用下，圍護結構水平位移隨著堆載位置變化而變化，具體趨勢如圖8所示。

圖8 開挖至底堆載側圍護結構水平位移

可見，堆載位置的變化對圍護樁頂的水平位移影響較大，對圍護結構深層水平位移影響較小。隨著堆載不斷遠離基坑邊緣，基坑開挖過程中，樁頂水平位移不斷減小，由L=3m時的7.22mm減小至L=6m時的5.61mm。四種堆載位置不同條件下樁頂水平位移最大值為7.4mm，在距樁頂14m位置左右。

4.2 地表沉降分析

在堆載距基坑邊緣位置L=3m、4m、5m、6m四種作用情況下，堆載側地表沉降如圖9所示。可知，隨著堆載距坑邊緣位置的不斷增大，堆載側地表沉降值不斷減小，且最大沉降值位置不斷遠離基坑。

圖9 L改變下基坑開挖到底堆載側地表沉降

由圖10可以看出L=3m時地表沉降最大值為6.89mm，在距基坑邊緣5m左右。L=6m時最大值為4.53mm，在距基坑邊緣8m左右。

圖10 堆載位置對最大地表沉降值的影響

4.3 土體水平位移

圖11給出了堆載距坑邊3m時的土體水平位移等值線分布情況，施加堆載和不施加堆載側的土體水平位移方向都指向開挖面。其中堆載側最大水平位移在圍護結構頂部后方的土體中。右邊未施加堆載一側水平位移最大值為5.12mm，在距坑底不遠處的圍護結構側壁土體中。

由圖11(a)、(b)對比看出堆載相同情況下，距坑邊距離不同對堆載側土體水平位移無影響，但是隨著距離增加，水平位移最大值位置逐漸下移。

圖11 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

5 結論

①堆載位置不變時，堆載側圍護結構水平位移隨著堆載的增加而增大，且水平位移最大位置隨著堆載的增加而逐漸上移至樁頂位置。堆載側土體水平位移隨著堆載的增加而增大，最大位移位置逐漸上移至基坑頂部附近。

②堆載位置不變時，堆載側周表沉降隨著堆載的增加而增大，但地表沉降最大值位置變化差異不大。

③堆載大小不變，隨著堆載到坑邊距離增加，樁頂水平位移不斷減小，圍護結構深層水平位移不受堆載位置的影響。堆載到坑邊距離變化對堆載側土體水平位移無明顯影響。

④堆載大小不變，最大地表沉降值隨著堆載距離的增大而減小，最大沉降值位置向偏離基坑位置方向增加。