非對稱超載條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形分析

呂小軍， 楊 琪， 錢德玲， 劉 杰

（1.中鐵上海工程局第一工程有限公司，安徽蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

隨著人類工程與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的開展，特別是近年來大量高層、超高層建筑的興起，一些基坑朝著超深和超大方向發(fā)展，對地上和地下空間的要求越來越高，由此而產(chǎn)生的大量基坑問題也越來越顯著［1］。由于深基坑支護(hù)工程的復(fù)雜性和不確定性，引發(fā)的問題越來越多，甚至造成重大工程事故（如杭州地鐵等）。特別是在地質(zhì)條件較差的土層中，基坑的開挖、支撐和圍護(hù)帶來的問題常常造成附近建筑物和市政設(shè)施產(chǎn)生較大的變形和沉降，直接影響正常使用。因此，研究深基坑的支護(hù)問題、完善基坑設(shè)計(jì)理論，特別是研究非對稱超載條件下的基坑變形，即基坑兩側(cè)地面荷載不對稱的情況下產(chǎn)生的變形，將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文根據(jù)蘇州地鐵1號線深基坑的圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)的特征，采用三維有限元分析［2－3］，計(jì)算非對稱超載條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，并與無超載條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，得到了非對稱超載條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的分布規(guī)律，研究結(jié)果將有助于提高深基坑的設(shè)計(jì)水平和安全性，并為類似工程的設(shè)計(jì)、施工和研究提供必要的數(shù)據(jù)。

1 工程概況

蘇州軌道交通1號線位于蘇州市市中心人民路與干將東路交會處，長約290 m，寬約22 m，為地下二層島式，擬采用明挖法施工，地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，局部采用800 mm和600 mm厚地下連續(xù)墻。A區(qū)段工程北側(cè)鄰近交通主干道和建筑物，基坑相應(yīng)的超載設(shè)計(jì)值為q＝20 k N／m2，南側(cè)比較空曠。基坑平均深度18 m，局部7.5 m，長度約為195 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，基坑中間采用對撐，角部采用角撐或斜撐，設(shè)為3道支撐，支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

1.1 場地工程地質(zhì)條件

擬建場地地處廣闊的沖積、湖積平原，為典型的水網(wǎng)化平原。

第1層為人工填積土，土性較雜，含碎磚、瓦片和淤泥等，工程性質(zhì)較差，大部分地段厚度較大，分布于整個(gè)場區(qū)。

第2層分為上下2層。上層系晚更新世（Q3）沖湖積相沉積成因土層，為可塑和軟塑黏性土，夾薄層粉土，工程性質(zhì)差異較大，由于受切割，厚度變化大，局部缺失。該層內(nèi)夾有淺海相、海陸交互相沉積成因的飽和砂性土和軟弱黏性土，工程性質(zhì)較差，總體厚度大，但各層土分布不均勻，其中，軟弱黏性土厚度較大。下層為沖湖積相沉積成因的飽和砂性土，工程性質(zhì)較好，較穩(wěn)定地分布于整個(gè)場區(qū)，厚度較大。

第3層為中更新世（Q2）沖湖積相沉積成因土層，為硬塑－可塑－軟塑黏性土，夾薄層粉土，工程性質(zhì)較好，土質(zhì)不均勻，總體厚度較大。

第4層為古沙洲相沉積成因的飽和砂性土層，工程性質(zhì)較好，土質(zhì)不均勻。

場地內(nèi)埋置了各種管線，地處交通主干線和建筑物旁邊，因此，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)必須考慮基坑周邊交通、建筑物及管線的安全，并嚴(yán)格控制基坑施工期間的地面沉降與變形。場地土層自上而下見表1所列。

表1 蘇州1號線基坑場地地質(zhì)條件

1.2 監(jiān)控量測

為保證基坑自身穩(wěn)定和安全，以及周邊道路交通、建筑物和地下管線的安全，施工過程中對基坑進(jìn)行了全過程監(jiān)控量測。量測的主要內(nèi)容有：地表沉降及位移、建筑物及地下管線變形、水位觀測、樁頂水平位移及沉降、土體水平測斜、支護(hù)樁內(nèi)力、支撐軸力及立柱變形等量測?，F(xiàn)場監(jiān)控量測是監(jiān)視基坑穩(wěn)定、判斷基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是否合理、施工方法和工藝是否可行的重要手段，也是保證施工安全、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要條件。

2 模型建立與計(jì)算

為了了解非對稱超載條件下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況，采用GTS分析軟件進(jìn)行計(jì)算。利用AutoCAD強(qiáng)大的繪圖功能，將AutoCAD設(shè)計(jì)圖導(dǎo)入GTS中進(jìn)行建模，并根據(jù)實(shí)際開挖流程進(jìn)行分析和計(jì)算。

針對蘇州地鐵A區(qū)段基坑工程的特點(diǎn)，考慮了初始應(yīng)力，應(yīng)用了“位移清零”功能，在位移清零之后再進(jìn)行分步開挖和支撐的數(shù)值計(jì)算，有效地提高了模擬計(jì)算的精度。

2.1 模型的建立

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)和施工方案，建立了三維有限元模型。由于該基坑的長度是寬度的3倍左右，考慮基坑自身的長跨效應(yīng)，并結(jié)合基坑開挖過程中的步驟和時(shí)空效應(yīng)，分別進(jìn)行了整體分析［4－6］，計(jì)算模型如圖2所示。

圖2中為支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元實(shí)體模型（包括內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻和周圍土體），中間線形表示鋼筋混凝土內(nèi)支撐、冠（腰）梁及內(nèi)支撐作為梁單元來考慮［7－8］。計(jì)算域的邊界為：實(shí)體模型中Z方向土體深度取基坑開挖深度的2倍，寬度自開挖邊界向外取開挖深度的1倍以上。邊界條件為：模型四周在X、Y方向約束，Z方向自由；模型底部在3個(gè)方向上均為約束，基坑表面自由。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖

地下連續(xù)墻平均厚度0.9 m，墻體設(shè)計(jì)高度不等，最深18 m，局部7.5 m。冠梁、腰梁、對撐和角撐的有限元模型如圖2所示，混凝土強(qiáng)度等級為C30，相關(guān)的計(jì)算參數(shù)見表2所列。

表2 支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

2.2 GTS計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比

為保護(hù)鄰近交通、建筑物和地下管線的安全，以及基坑工程本身的安全和質(zhì)量，基坑開挖按規(guī)范要求，布控了大量的監(jiān)測點(diǎn)（如圖3所示）。監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅為及時(shí)調(diào)整施工和加固方案提供了依據(jù)，還為今后信息化設(shè)計(jì)和施工提供了有效的依據(jù)和參數(shù)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

該基坑北側(cè)緊鄰交通主干線和建筑物，南側(cè)為空地，可視為非對稱超載作用下的深基坑。2008年3月完成第1層土的開挖，計(jì)算時(shí)相當(dāng)于完成第1步開挖的模擬，按照施工順序模擬至完成全部開挖和支撐。2009年11月完成底板澆注，至此，監(jiān)測結(jié)果顯示監(jiān)測點(diǎn)DB3－3地表沉降值為11 mm，相同點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果為10 mm，如圖4所示，從圖中看出，計(jì)算點(diǎn)與實(shí)測點(diǎn)的沉降總體趨勢基本相同。

圖4 實(shí)測值與計(jì)算值的對比

3 計(jì)算與分析

大多數(shù)基坑均為對稱情況下的超載，為了研究非對稱超載情況下的基坑變形，計(jì)算中選擇2種超載狀態(tài)進(jìn)行分析，即相同工況條件下對稱和非對稱超載下地表沉降和支撐內(nèi)力的差異，以此來解決實(shí)際工程中的問題和應(yīng)注意的事項(xiàng)。

3.1 對稱超載下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地表沉降

通過有限元分析，相同工況條件下，在開挖深度為17.3 m時(shí)（即第5道開挖），對稱超載作用下的支撐軸力FX方向上的最大值為1 970 k N，主要集中在南側(cè)第5道支撐的西南局部位置。地表沉降最大值為26.1 mm，主要集中在基坑南側(cè)位置，北側(cè)地表沉降17.2 mm。地下連續(xù)墻的最大負(fù)彎矩為1 390 k N·m，位于地表下11～14 m處，連續(xù)墻的位移為25.2 mm，位于墻的下部，北側(cè)位移比南側(cè)小，如圖5和圖6所示。

圖5 對稱超載下支撐軸力F X

圖6 對稱超載下基坑地表沉降

3.2 非對稱超載下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地表沉降

在相同計(jì)算參數(shù)和相同工況下，開挖深度為17.3 m時(shí)，非對稱超載下基坑支撐軸力和地表沉降的計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。在超載側(cè)（北側(cè)）加上10 k Pa的荷載，支撐軸力在深度13.8 m處FX方向上最大內(nèi)力值為1 980 k N，地下連續(xù)墻的最大負(fù)彎矩為1 511 k N·m，出現(xiàn)在基坑變寬處，連續(xù)墻的位移為31.4 mm，北側(cè)比南側(cè)位移大。加載側(cè)（北側(cè)）的地表沉降為26.5 mm，比非超載側(cè)（南側(cè)）位移17.6 mm的地面沉降大，基坑處于應(yīng)力不均衡狀態(tài)。

圖7 非對稱超載下支撐軸力F X

圖8 非對稱超載下基坑地表沉降

由以上結(jié)果可以得出相同開挖條件下，非對稱超載條件下支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地表沉降的分布規(guī)律。在對稱超載條件下，基坑連續(xù)墻最大水平位移為26.1 mm，兩側(cè)變形區(qū)域主要集中在地表下10.8～14.1 m處。在非對稱超載作用下，超載側(cè)連續(xù)墻的最大水平位移為31.4 mm，非超載側(cè)連續(xù)墻最大水平位移為17.6 mm，兩側(cè)變形區(qū)域主要集中在地表下10.9～14.8 m處。這說明在非對稱超載作用下，土體產(chǎn)生變形，超載側(cè)土壓力由靜止土壓力逐漸轉(zhuǎn)向主動(dòng)土壓力，連續(xù)墻的水平位移也隨著增大，同時(shí)內(nèi)支撐軸力增大而產(chǎn)生壓縮變形，并隨著超載側(cè)的變形一起向非超載側(cè)發(fā)生偏移。文獻(xiàn)［9］允許樁身位移為0.25%H（H為基坑深度），該基坑最大允許位移值為43.25 mm，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為31.4 mm，滿足規(guī)范要求。數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況基本吻合，對類似工程具有一定參考價(jià)值。

以上計(jì)算和分析結(jié)果表明：非對稱超載狀態(tài)下，基坑圍護(hù)體系超載側(cè)連續(xù)墻的內(nèi)力和彎矩略大于對稱超載條件下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，但超載側(cè)的位移卻較大。也就是說，在非對稱超載條件的情況下，基坑的位移較大，其穩(wěn)定性處于最不穩(wěn)定的狀態(tài)。而在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，通常是考慮對稱超載條件，往往忽略非對稱超載的情況。因此，在設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)重視非對稱超載條件下，超載側(cè)基坑的變形［10］。

4 結(jié)束語

通過有限元計(jì)算和分析，得到了非超載條件下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與水平位移的分布規(guī)律。實(shí)際工程中常常將基坑兩側(cè)看作對稱超載，而忽略了非對稱超載作用下基坑存在的不安全因素。根據(jù)我國設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50009－2001［11］，設(shè)計(jì)過程分為承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，非對稱超載作用下的基坑相對于兩側(cè)均有超載作用的基坑，在墻身水平力及墻身彎矩上相差不大，設(shè)計(jì)時(shí)能夠滿足承載力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度要求。但是，此時(shí)墻身水平位移的顯著增大卻經(jīng)常不能滿足正常使用極限狀態(tài)下的相關(guān)要求，為后續(xù)施工過程留下了安全隱患。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對非對稱超載作用的基坑進(jìn)行定量分析，驗(yàn)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，使之控制在合理的范圍之內(nèi)。同時(shí)，在施工過程中應(yīng)監(jiān)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)掌握圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)，必要時(shí)應(yīng)采取有效的施工措施減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。類似于本基坑非對稱超載情況的現(xiàn)象十分普遍，為了保證工程質(zhì)量以及人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，對非對稱超載作用下的基坑，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注重超載側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

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