不規則基坑開挖導致支護結構變形及控制研究*

魏煥衛，孫元碩，尚文濤

(山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著我國城市建設以及地下空間工程的發展，基坑規模越來越大，出現了大量深基坑工程，基坑工程的安全問題尤為重要，控制基坑變形是基坑設計和施工的核心問題。

目前，眾多學者通過工程實測數據與數值模擬研究了不同支護下的基坑變形，并總結出影響基坑變形的因素。熊智彪等[1]、張欽喜等[2]通過樁錨支護現場監測數據研究其變形特性，總結了樁錨支護下樁體位移、地表沉降的變化規律。侯玉杰等[3]、蔣波等[4]根據實測數據研究了內支撐支護體系下樁體變形以及支撐軸力的變化。張明聚等[5]、帥紅巖等[6]、李磊等[7]利用三維有限元軟件對內支撐支護體系進行數值模擬與實測對比，研究了支撐剛度變化下內支撐與圍護樁體組合體系下基坑變形，總結了內支撐體系下基坑的變形規律。以上主要研究了在對稱荷載下基坑圍護結構的變形特性，然而不規則內支撐基坑開挖引起的非對稱荷載對圍護結構變形特性的影響與對稱荷載下有很大不同，姚愛軍等[8]、孫志浩等[9]、林剛等[10]通過工程實際數據與數值模擬，分析了不對稱荷載下深基坑內支撐支護樁體深層水平位移及彎矩的變化。徐長節等[11]通過數值模擬研究了基坑在不同挖深差以及挖深分界面位置不同時產生的不對稱荷載對基坑兩側地表沉降變化的影響。對于內支撐支護體系，不規則基坑開挖引起的不對稱荷載對圍護結構的影響文獻較少，有待進行深入研究。

本文以某深基坑工程實例為背景，根據實際監測數據探討不規則內支撐基坑開挖引起的不對稱荷載對深基坑內支撐樁體水平位移變化規律的影響，最后通過PLAXIS 3D數值模擬，研究不規則基坑開挖下樁體深層水平位移的變化，模擬數據與實測數據吻合較好，并在此模型基礎上在荷載較小一側坡頂施加土體堆載，研究基坑兩側樁體深層水平位移及彎矩的變化。

1 工程概況

1.1 工程場地與地質條件

擬建工程位于北海經濟開發區張東公路(311省道)與濱州北鐵路交叉口處北1.5km處，地理位置優越，交通便利。基坑形狀大體呈凹形分布，東西長約130m，南北長約50m，基坑北側開挖深度為22m，南側開挖14.5m，東側開挖14.3m。該項目場區現為鹽田地，項目北側、南側及東側場地較空曠。項目西側為新建濱州北鐵路線(現未使用，軌道已鋪設完成，地基采用改良土換填處理)，該項目基礎邊線距離鐵路線最近距離約32m；為了保證基坑及周邊鐵路的安全，對鐵路沉降以及支護樁、支撐等進行監測，部分監測點布置如圖1所示。

圖1 基坑平面位置及監測點布置

根據該場地巖土工程勘察報告，構成擬建場地的主要地層屬于第四系黃河三角洲沉積土層，場地自上而下劃分7層，地下水類型屬于第四紀潛水，地下水穩定水位埋深為3.0m，開挖范圍內土體力學參數如表1所示。

表1 土體物理力學參數

1.2 支護方案

考慮場地工程地質與水文條件、基坑周邊環境及開挖深度，依據有關技術標準，擬對本工程采用支護樁+鋼筋混凝土角撐、對撐進行支護。東西走向采用4道混凝土支撐，具體支護形式如圖2所示；南北走向采用2道混凝土支撐，基坑東南位置采用放坡支護；基坑內部高差位置采用懸臂樁支護，由于場地地下水位較淺，沿基坑四周設置單排水泥土攪拌樁止水帷幕；坑內采用管井疏干降水，坑外采用回灌井回灌地下水。

圖2 基坑支護剖面

1.3 施工工況

該工程具體施工措施是先進行支護樁和止水帷幕施工，然后采用降水井降水，最后進行分步開挖和圍護結構支撐布置，由于基坑北側開挖深度較深(開挖22.0m)，本文主要對東西走向基坑南北側的圍護結構變形進行分析，該處主要施工工況如表2所示。

表2 施工工況

1.4 不對稱荷載分布特征

基坑圍護樁主要受到基坑兩側土體開挖產生的主動土壓力以及坡頂堆載，該項目深基坑開挖形狀不規則，由于南部兩側土體的開挖，導致基坑北側土壓力產生的荷載大于基坑南側土壓力產生的荷載，受基坑兩側荷載大小差距的影響，北部荷載通過支撐傳力給基坑南側，使基坑南側圍護結構產生背離開挖側變形，不規則內支撐圍護結構在開挖下的受力與變形形式如圖3所示。

圖3 基坑圍護結構受力

為研究不規則內支撐基坑開挖產生的不對稱荷載對基坑圍護結構的影響，選取基坑南側、北側部分冠梁水平位移和樁體深層水平位移監測點進行分析。

2 實測數據

主要選取基坑北側W6～W9冠梁水平位移監測點、CX4深層水平位移監測點，基坑南側W15～W17冠梁水平位移、CX8深層水平位移監測點進行實測數據分析，其中水平位移正值代表向開挖側位移，負值相反。

2.1 冠梁水平位移分析

1)基坑南北兩側冠梁位移隨時間變化的時程曲線如圖4,5所示，其中基坑北側W6～W9監測點水平位移整體向開挖側方向位移，基坑南側與北側相反，整體位移向背離開挖側移動，主要原因是由于整個基坑的不規則性，基坑南部兩側土體開挖，基坑北部整體荷載大于基坑南部，北部基坑荷載通過支撐傳力給基坑南部，使得基坑兩側受力不均，導致基坑向荷載較小一側發生側移。

圖4 北部冠梁水平位移時程曲線

圖5 南部冠梁水平位移時程曲線

2)基坑北側W7監測點水平位移最大，最大水平位移為27.0mm，由于W7監測點位于基坑中部位置，受基坑空間效應影響較小，導致位移偏大。W9監測點位移較小，主要是由于W9監測點位置相對于其他監測點開挖深度較淺(開挖16m)，整個冠梁的水平位移在每層土體開挖過程中增量最大，當開挖至基底處，變形處于平穩狀態。

3)基坑南側冠梁水平位移的增量趨勢與北側變形相似，水平位移的增長主要出現在基坑開挖狀態下，后期變形趨勢逐漸穩定。其中W15監測點受到不對稱荷載作用更為明顯，W15監測點由于基坑不對稱開挖，受到基坑北部較大荷載的作用。

2.2 樁身側向變形規律

1)基坑南北兩側樁體深層水平位移隨時間變化的時程曲線如圖6,7所示，其中不同側的監測點樁體位移趨勢相反，CX4監測點樁位移趨勢向開挖側，CX8監測點樁位移隨著開挖樁上部逐漸向背離開挖側位移，基坑兩側樁體的變化趨勢不同。同時由于樁頂混凝土支撐在樁后土壓力作用下產生了較大的軸力，樁頂混凝土撐對北部樁的變形產生抑制作用，使得基坑北側圍護樁基底以上產生“大肚”狀，而南側基坑兩側開挖引起荷載減小，基坑北側荷載較大，混凝土支撐向基坑南側圍護結構擠壓，使得基坑南側圍護樁出現背離開挖側的變形。

圖6 CX4測斜點位移-深度曲線

圖7 CX8測斜點位移-深度曲線

2)基坑的不規則開挖，使基坑南北兩側產生的不對稱荷載導致圍護結構不同側產生不對稱變形。由于支撐在北部荷載作用下整體向南部移動，使得基坑北側變形較大，南部變形較基坑北側變形小，CX4處樁體水平位移出現在基底以上位置，最大值為37.0mm，CX8處樁體水平位移最大值出現在樁頂位置處，最大變形為13.5mm，根據不規則基坑開挖產生的不對稱荷載對位移結構變形實測數據分析，可以看出荷載較大一側樁體位移較大，在實際設計中要適當增大該側的支護樁直徑或減小支護樁間距，防止荷載較大一側圍護結構出現破壞。

3 有限元模型建立

為進一步研究不規則基坑開挖引起的基坑兩側不對稱荷載對深基坑內支撐圍護結構的影響，建立有限元模型，將數值模擬結果與實測結果進行對比分析。

3.1 模型建立

圖8 基坑支護有限元模型

關于圍護結構板單元厚度的選取，由PLAXIS 3D基礎教程中等效剛度理論，將支護樁等效為板單元計算，通過式(1)將支護樁轉換為板單元的厚度計算。

(1)

式中：D為灌注樁直徑(mm)；t為樁間距(mm)；h為折算板的厚度(mm)。

3.2 開挖工況模擬

主要研究不規則內支撐基坑開挖造成的不對稱荷載對圍護結構兩側的變形影響，實際施工過程中坡頂不存在土體堆載，數值模擬的具體工況如表3所示。

表3 模擬概況信息

3.3 樁體深層水平位移分析

分工況對本基坑開挖進行數值模擬，選擇基坑北側CX4測斜孔以及基坑南側CX8測斜孔位置進行變形監測，模擬不規則內支撐基坑在開挖工況下基坑兩側樁體的變形趨勢，數值模擬得到的CX4，CX8測斜孔在不同工況下的深層水平位移如圖9，10所示。

圖9 CX4測斜點位移-深度模擬曲線

圖10 CX8測斜點位移-深度模擬曲線

從數值模擬結果可以看出：數值模擬得到的基坑北側以及基坑南側樁體的深層水平位移變形趨勢與實測數據相似，數值上的差距主要是由于現場工況復雜，對圍護結構會產生一定擾動。基坑北側CX4測斜點，樁體最大水平位移出現在基底以上位置，在工況2到工況3下水平位移增長速率最大，由21.0mm增長至27.0mm，后期隨著內支撐的支護作用，變形增長趨勢逐漸減小，開挖至基底時最大變形增長至29.0mm，位移增長趨勢與實測數據變形大體一致。位于基坑南側的CX8測斜點，同樣由于不規則基坑開挖，基坑北側產生的荷載整體大于基坑南側，由基坑北側產生的土壓力通過混凝土支撐傳力到基坑南側，使得基坑南側樁體在樁體上方出現背離開挖側的變形，開挖至基底時，樁頂背離開挖側變形達到7.0mm，在基坑下部樁體向基坑開挖側變形，從位移-深度曲線看出，對于不規則內支撐基坑開挖，開挖造成荷載較大一側的圍護結構會出現向基坑開挖側的變形，且變形值較大，在基坑圍護結構施工設計時，需要增大該側支護樁的直徑或減小樁間距來減小圍護結構位移，數值模擬得到的位移曲線變形趨勢與工程實測大體一致，反映了數值模擬在一定程度上的準確性，可以為后期基坑數值模擬研究提供一定的參考。

4 支護結構變形控制

本工程在施工過程中，開挖土體沒有堆載于基坑坡頂附近，若假設土體在施工過程中，開挖土體堆載于基坑南側坡頂位置處，來抵消不規則基坑開挖時引起的北側較大荷載對基坑圍護結構的影響，數值模擬階段在基坑南側距離坡頂5m位置處沿東西方向布置寬度20m的坡頂堆載(模擬時用面荷載來模擬)，由于開挖過程中土體不斷堆載，荷載不斷增加，在模擬階段設置工況1(施加20kPa)，工況2(施加40kPa)，工況3(60kPa)，工況4(80kPa)，工況5(100kPa)，從而抵抗由不規則基坑開挖引起的不對稱荷載對基坑圍護結構兩側的變形影響。

4.1 基坑南部土體堆載下樁體位移分析

數值模擬得到的基坑兩側CX4，CX8測斜點隨工況的深層水平位移如圖11，12所示。

圖11 CX4測斜點位移-深度模擬曲線

圖12 CX8測斜點位移-深度模擬曲線

當基坑南部作用坡頂堆載時，可以看出基坑南北圍護結構的變形大體呈對稱分布，隨著基坑開挖，樁體深層水平位移大致呈“大肚狀”分布，總體變形趨勢與對稱荷載下內支撐圍護結構變形相似，在工況2到工況3下變形增長速率最快，后期隨著內支撐的施工，對圍護結構樁體位移的抑制，變形增長較小，同時在南側堆載作用下基坑北側CX4測斜點的深層水平位移由原來無堆載時的29mm減小到現在的20.5mm，減小約29.3%，基坑南部的堆載可以有效減小由不規則基坑開挖引起的基坑北側圍護結構變形，基坑南側CX8測斜點在坡頂堆載的作用下整體出現向基坑開挖側的變形，土體堆載下能夠有效控制不規則基坑開挖對圍護結構的變形影響，整體變形趨勢與基坑北側相似。通過模擬數據顯示，在內支撐支護下，基坑不規則開挖狀態下開挖過程中可能會產生不對稱荷載，對基坑圍護結構產生較大變形，在內支撐支護設計時可以通過多種措施來減小不規則基坑開挖產生的基坑圍護結構變形。

4.2 基坑南部作用土體堆載下樁體彎矩分析

在基坑圍護結構設計過程中，圍護結構的彎矩大小對基坑的整體穩定性尤其重要，選取基坑南北側中部位置，對基坑南北側圍護結構在南側坡頂處施加土體堆載下與無堆載下兩側圍護結構的彎矩大小進行分析(見圖13,14)。

圖13 基坑北側樁體彎矩

圖14 基坑南側樁體彎矩

從圖13，14可以看出，當不規則基坑坡頂南側不堆放土體堆載時，由于基坑不規則開挖引起的不對稱荷載使基坑北側變形較大，此時基坑北側圍護彎矩最大值為2 100kN·m，大于基坑南側的最大彎矩(1 500kN·m)，當基坑開挖的土體堆載于南側坡頂時，此時基坑兩側位移基本呈對稱分布，基坑北側的最大彎矩為1 600kN·m，減小約23.8%，北側位移與彎矩均減小，不規則開挖會使基坑整體向荷載較小方向發生偏移，當在荷載較小側坡頂作用土體堆載時，能夠有效減小荷載較大側圍護結構的變形與內力。

5 結語

通過對某不規則深基坑的冠梁水平位移與樁體深層水平位移的監測結果以及數值模擬分析，不規則內支撐基坑變形具有以下特點。

1)在不規則內支撐基坑開挖下，基坑開挖兩側會產生不對稱荷載，導致開挖兩側樁體變形趨勢不同，基坑整體出現向荷載較小一側的側移，荷載較大一側樁體產生向開挖側位移，變形較大，荷載較小一側產生背離開挖側變形。

2)基坑圍護結構變形受空間效應影響較大，表現為基坑中部位置變形大，兩邊變形小。

3)通過PLAXIS 3D計算得到的基坑圍護結構變形與實測變形趨勢大體一致，同時在不規則內支撐基坑開挖下較小一側施加坡頂土體堆載，可以有效減小開挖引起的荷載較大側圍護結構的變形與彎矩。