偏壓荷載非等深基坑開(kāi)挖的變形規(guī)律*

馬 俊

(黃淮學(xué)院， 463000， 駐馬店//工程師)

在地鐵建設(shè)過(guò)程中，明挖車站因施工速度快、穩(wěn)定系數(shù)高而在總的施工中占較大比例，但是在繁華的城市中開(kāi)挖基坑，往往會(huì)遇到復(fù)雜的地面環(huán)境[1-3]。例如，基坑周邊存在高層建筑、重要鐵路干線等，均會(huì)對(duì)基坑造成不對(duì)稱的偏壓荷載，引起基坑受力模式發(fā)生改變，造成支護(hù)難度系數(shù)增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致基坑失穩(wěn)破壞[4-6]。與傳統(tǒng)基坑相比，由于偏壓或者開(kāi)挖深度不同造成的基坑受力變形模式以及開(kāi)挖引起的環(huán)境效應(yīng)等將發(fā)生很大變化。

對(duì)于基坑周邊存在偏壓荷載的情況，許多學(xué)者做了一定量的分析：文獻(xiàn)[7]對(duì)基坑周邊存在列車振動(dòng)荷載下的基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，根據(jù)不同車速下支撐軸力的變化規(guī)律，提出了列車安全時(shí)速；文獻(xiàn)[8]分析了不對(duì)稱荷載作用下的基坑圍護(hù)樁水平位移及樁頂水平位移，發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱荷載下型鋼支撐容易發(fā)生偏心受壓而出現(xiàn)應(yīng)力集中，危險(xiǎn)系數(shù)較大；文獻(xiàn)[9]對(duì)不同偏壓高度下的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)偏壓高度越大，支撐軸力相應(yīng)增加；文獻(xiàn)[10]利用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑兩側(cè)不同荷載組合的情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)基坑支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)偏壓荷載的不同取值而做出相應(yīng)改變，才能保證基坑的安全與穩(wěn)定。然而，針對(duì)偏壓和坑中坑共同影響下的基坑開(kāi)挖效應(yīng)，研究卻不多。

本文以受列車偏壓荷載影響的深基坑工程為背景，利用數(shù)值模擬建立三維模型，分析在偏壓荷載下的基坑穩(wěn)定變化特征，并提出關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)，為同類工程提供參考。

1 工程概況

基坑?xùn)|側(cè)距邊界5 m處存在與基坑縱向平行的高速鐵路，基坑西側(cè)為空曠的農(nóng)田。鐵路地基標(biāo)高比基坑地表標(biāo)高高出4 m，列車平均速度為190 km/h?；涌v向長(zhǎng)80 m，其中中間段長(zhǎng)度40 m范圍內(nèi)，基坑開(kāi)挖深度為27 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁加內(nèi)支撐形式，灌注樁長(zhǎng)35 m，φ800 mm@1 200 mm，混凝土等級(jí)為C30，采用1道混凝土支撐+7道型鋼支撐；兩端長(zhǎng)度各為20 m范圍內(nèi)，基坑開(kāi)挖深度為16 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)同樣采用灌注樁加內(nèi)支撐形式，灌注樁長(zhǎng)24 m，φ800 mm@1 200 mm，1道混凝土支撐+3道型鋼支撐。兩端基坑與中間基坑寬度均為12 m，但開(kāi)挖深度相差11 m，屬于非等深基坑。中間段基坑與列車荷載的相對(duì)位置如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)概況

基坑開(kāi)挖范圍從上到下依次為粉質(zhì)黏土、卵石層、黏性土和中風(fēng)化花崗巖。粉質(zhì)黏土顏色較深，雜質(zhì)較多，主要分布于地表；第二層為卵石層，粒徑平均分布在20～50 mm之間，并含少量的植物根莖；第三層為黏性土，硬塑狀，中壓縮性；第四層為中風(fēng)化花崗巖，巖性較差，單軸飽和強(qiáng)度為4 MPa，分布范圍較廣。車站地下水位距離地表7 m，下部巖石層相對(duì)隔水。

2 仿真模擬分析

2.1 模型建立

利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，如圖2所示。為消除基坑開(kāi)挖對(duì)模型邊界的影響[11-12]，確定模型尺寸為長(zhǎng)200 m、寬150 m、高80 m。模型的邊界條件為：四周固定模型的豎向位移，底部同時(shí)固定水平與豎向位移，頂部為自由面。圍護(hù)樁按照剛度等效原則換算為圍護(hù)墻，混凝土支撐采用實(shí)體單元模擬，型鋼支撐采用pile單元模擬。在模型的右側(cè)施加豎向靜荷載，荷載取值按照TB 10001—2005《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中列車荷載換算土柱高度及分布寬度進(jìn)行計(jì)算，豎向數(shù)值為35 kN/m。

a) 正視圖

2.2 參數(shù)選取

土體本構(gòu)模型采用HS，其參數(shù)包括：有效內(nèi)黏聚力c、有效內(nèi)摩擦角φ、剪脹角ψ，三周固結(jié)排水試驗(yàn)確定的割線模量E50,ref、固結(jié)試驗(yàn)參考切線模量Eoed,ref及與模量應(yīng)力水平有關(guān)的冪指數(shù)m，三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗(yàn)的卸載再加載模量Eur,ref和泊松比vur、參考應(yīng)力Pref、破壞比Rf，正常固結(jié)條件下的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0。由地勘資料析取各參數(shù)帶入模型中，以地表沉降實(shí)測(cè)值為參照標(biāo)準(zhǔn)，按照95%的逼近值反演本構(gòu)模型參數(shù)，確定的模型參數(shù)如表1所示。

鉆孔灌注樁按照式(1)換算成厚度為h的地下連續(xù)墻。

(1)

式中：

D——圍護(hù)樁直徑；

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

L——相鄰圍護(hù)樁間距。

第一道混凝土水平支撐重度取24 kN/m3，泊松比取0.2，彈性模量取31.5 GPa；第一道及第四道型鋼支撐重度取78.5 kN/m3，泊松比取0.2，彈性模量取200 GPa。

2.3 模擬步驟

基坑開(kāi)挖通過(guò)定義土體為null模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。其步驟為：① 進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡，將最大不平衡力設(shè)置為10 N，清除模型的豎向及水平向位移；② 按照設(shè)計(jì)文件進(jìn)行圍護(hù)墻施工，將模型的最大不平衡力降到10 N；③ 開(kāi)挖第一層土體至第一道混凝土支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.5 m，并施工第一道混凝土支撐，將模型運(yùn)行至平衡；④ 開(kāi)挖第二層土體至第一道型鋼支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.5 m并施工第一道型鋼支撐，以此類推施工剩余型鋼支撐。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 模型可靠度驗(yàn)算

取基坑左側(cè)無(wú)偏壓荷載下圍護(hù)樁的實(shí)測(cè)水平位移曲線與數(shù)值模擬得到的圍護(hù)樁水平位移曲線進(jìn)行比較，如圖3所示。實(shí)測(cè)值與模擬值在整體規(guī)律上較為相似，兩條曲線的最大水平位移值均出現(xiàn)在距樁頂15 m位置處；水平位移實(shí)測(cè)最大值為30 mm，模擬最大值為28 mm。數(shù)值模擬中將鉆孔灌注樁等效為連續(xù)墻，支護(hù)強(qiáng)度有所增加，而且實(shí)際施工過(guò)程中，基坑周邊施工荷載和人員走動(dòng)荷載也會(huì)加劇基坑土體變形。因此，實(shí)際的支護(hù)強(qiáng)度并不能與理論的支護(hù)強(qiáng)度完全劃等號(hào)，兩者在實(shí)際效果上存在差別。不過(guò)根據(jù)圖示曲線判斷，數(shù)值模擬參數(shù)及模型是可以反映偏壓基坑結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的。

圖3 基坑左側(cè)無(wú)偏壓荷載下樁身模擬水平值與

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

圖4所示為基坑中間圍護(hù)樁(1#樁位)變形數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比，可見(jiàn)，兩組曲線整體規(guī)律相似，隨著基坑深度的增加，水平位移逐漸增加，隨后再減少，呈“側(cè)凸”型。在有偏壓振動(dòng)荷載的一側(cè)，樁頂位置向基坑內(nèi)部水平位移值為18 mm，且拆除第四道橫支撐時(shí)，圍護(hù)樁的最大水平位移值增加至42 mm；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)(對(duì)應(yīng)開(kāi)挖步序5)，最大水平監(jiān)測(cè)位移為40 mm，與模擬值相差2 mm。無(wú)偏壓荷載一側(cè)樁頂水平位移僅為5.8 mm，在拆除第四道水平支撐后，樁身最大水平位移值為31 mm；基坑開(kāi)挖至底部時(shí)(對(duì)應(yīng)開(kāi)挖步序5)，圍護(hù)樁最大實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相同。有偏壓荷載側(cè)和無(wú)偏壓荷載側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的區(qū)別，主要體現(xiàn)在兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁頂水平位移。實(shí)際施工過(guò)程中，兩側(cè)灌注樁的成樁質(zhì)量及施工工藝均相同，兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形差異主要是由不均荷載引起的?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，車輛荷載和路基荷載(路基高4.0 m)一直存在，這種荷載通過(guò)地層應(yīng)力分配再由水平支撐傳遞至無(wú)偏壓荷載一側(cè)，進(jìn)行應(yīng)力重分配，導(dǎo)致無(wú)偏壓荷載一側(cè)基坑頂部水平位移向遠(yuǎn)離

a) 無(wú)偏壓荷載側(cè)b) 有偏壓荷載側(cè)

基坑方向移動(dòng)。在偏壓荷載嚴(yán)重時(shí)，無(wú)荷載一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)極易發(fā)生踢腳破壞。這兩種現(xiàn)象都是非對(duì)稱荷載下基坑變形的規(guī)律。

圖5所示為沿基坑縱向不同位置處圍護(hù)樁在基坑開(kāi)挖到底時(shí)的模擬水平變形規(guī)律。由圖5可知，沿基坑縱向，圍護(hù)樁變形具有明顯差異性。而在開(kāi)挖較深的中間基坑部分，圍護(hù)樁變形明顯大于兩端開(kāi)挖較淺處基坑圍護(hù)樁水平位移。因此，對(duì)于非對(duì)稱荷載及非等深基坑開(kāi)挖，在有偏壓荷載開(kāi)挖較深的中部基坑段，圍護(hù)樁水平位移最大，在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制開(kāi)挖深度，分層開(kāi)挖，以保證基坑的穩(wěn)定性。

a) 無(wú)偏壓荷載側(cè)b) 有偏壓荷載側(cè)

3.3 基坑坑底隆起規(guī)律

由圖6可知，坑底隆起量隨著基坑開(kāi)挖深度的增加逐漸增大，同一施工步時(shí)基坑中部負(fù)三層坑底隆起值大于兩端負(fù)二層坑底隆起值。在基坑中間開(kāi)挖深度27 m位置處，基坑隆起量最大，兩端開(kāi)挖較淺位置(深16 m)基坑隆起量相對(duì)較小。沿基坑縱向，基坑隆起有明顯的差異，且開(kāi)挖越深，隆起量越大。在基坑開(kāi)挖較深位置處，底部土體卸載量較大，土體單元處于應(yīng)力較高的狀態(tài)，并且基坑較深位置處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)部移動(dòng)較大，對(duì)底部土體造成擠壓，也加劇了基坑底部土體的隆起。因此，沿基坑縱向的中間位置，基底隆起量達(dá)58 mm，在兩端開(kāi)挖較淺的位置，基底隆起量?jī)H為24 mm，并且在深淺基坑交接的位置，隆起量發(fā)生了突變?；拥撞繉?shí)測(cè)數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)基坑開(kāi)挖步序8)最大隆起量為55 mm，較模擬值偏小，這是因?yàn)樵贔lac3D中定義的土體服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)側(cè)，該模型在土體卸荷時(shí)易發(fā)生較大的回彈變形，故得出的數(shù)據(jù)較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大。此時(shí)，偏壓荷載對(duì)基坑隆起值影響并不明顯，該工程造成坑底隆起的主要因素是基坑開(kāi)挖深度及土體卸載引起的土體回彈因素。

圖6 基底模擬隆起值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

坑底不均勻隆起會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的不均勻上抬，如果存在中間立柱，中間柱與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形差異會(huì)造成內(nèi)支撐由軸心受壓變成偏心受壓，若變形過(guò)大會(huì)造成支撐脫落。因此，對(duì)于深大基坑工程(特別是內(nèi)部深度開(kāi)挖差異較大的工程)的施工，控制坑底隆起和差異沉降是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。實(shí)際工程中，可通過(guò)在坑底施打工程樁、加固坑底被動(dòng)土體、及時(shí)澆筑墊層或底板、盡量減少坑底暴露時(shí)間、防止雨水浸泡和坑底抗?jié)B等措施，來(lái)控制坑底隆起值。

3.4 基坑地表沉降規(guī)律

圖7所示為基坑地表沉降隨開(kāi)挖深度增加的變化規(guī)律?？梢缘玫?，地表最大沉降值隨著基坑開(kāi)挖深度的增加逐漸增大，距離基坑最近的點(diǎn)位，土體沉降較小，在遠(yuǎn)離基坑側(cè)壁的位置，沉降值逐漸增大，隨后開(kāi)始減少，曲線整體呈“湯匙”型。有偏壓荷載的一側(cè)，基坑開(kāi)挖到底時(shí)，地表最大沉降值為28 mm，此位置距離基坑側(cè)壁30 m；基坑開(kāi)挖到底時(shí)，地表實(shí)測(cè)最大沉降值為30 mm，距離基坑的位置與模擬值一致。造成模擬值偏小的原因是仿真中無(wú)法完全模擬現(xiàn)場(chǎng)人員走動(dòng)、雨水滲漏等造成的沉降增加情況。無(wú)偏壓荷載一側(cè)，基坑地表最大沉降值為13 mm，該位置距離基坑側(cè)壁15 m；實(shí)測(cè)最大沉降值為13.5 mm，位置同樣與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相距15 m，與模擬值較為吻合。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有偏壓荷載一側(cè)的最大地表沉降值是無(wú)偏壓荷載側(cè)的的2倍，最大沉降值出現(xiàn)的位置(距基坑側(cè)壁的距離)也是無(wú)偏壓荷載側(cè)的2倍。偏壓荷載處，基坑開(kāi)挖到底時(shí)，地表沉降范圍是基坑開(kāi)挖寬度的3倍，而無(wú)偏壓荷載處，地表沉降范圍是基坑開(kāi)挖寬度的2倍。因此，在有荷載的一側(cè)，應(yīng)加強(qiáng)基坑的監(jiān)測(cè)頻率，嚴(yán)格把控支護(hù)安裝質(zhì)量，及時(shí)架立臨時(shí)支撐，控制倒撐及換撐的時(shí)間，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

a) 無(wú)偏壓荷載側(cè)b) 有偏壓荷載側(cè)

圖8所示為偏壓荷載側(cè)沿基坑縱向不同位置處的地表模擬沉降變化。由圖8可知，在基坑開(kāi)挖較深范圍內(nèi)的地表沉降較大，最大值為28 mm，較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小2 mm；在兩端基坑開(kāi)挖較淺的范圍內(nèi)，地表沉降值減小。但是最大沉降值出現(xiàn)的位置均相同，可見(jiàn)沉降曲線與基坑開(kāi)挖深度和偏壓荷載的類型有關(guān)。

圖8 沿基坑縱向有偏壓荷載側(cè)模擬地表沉降

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析存在偏壓荷載下的基坑圍護(hù)樁變形規(guī)律，以及基底隆起規(guī)律和地表沉降規(guī)律，并得出以下結(jié)論：

(1) 由于偏壓荷載的存在，基坑兩側(cè)的圍護(hù)樁模擬及實(shí)測(cè)水平位移均出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，有偏壓荷載一側(cè)樁身位移較大，且基坑開(kāi)挖較深處的樁身位移比開(kāi)挖較淺的樁身位移大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部一定范圍發(fā)生向非偏壓側(cè)的整體偏移。

(2) 基底隆起同樣具有明顯的差異，且由于偏壓荷載的影響，圍護(hù)樁向基坑內(nèi)部移動(dòng)加劇了隆起的發(fā)生，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，基坑較淺位置處隆起量小于基坑較深處的隆起量，深部的隆起量是淺部隆起量的2倍。

(3) 基坑兩側(cè)地表沉降規(guī)律因偏壓荷載存在較大的差異性，有偏壓側(cè)地表沉降最大值是無(wú)偏壓側(cè)最大沉降值的2倍，且沿基坑縱向地表沉降值存在明顯的差異，基坑開(kāi)挖較深處的地表沉降較大。