不同超挖厚度對圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響

湯　瑞,王　強,過　令,宮保聚

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南　232001)

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不同超挖厚度對圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響

湯瑞,王強,過令,宮保聚

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南232001)

摘要：為了深入研究基坑開挖過程中超挖厚度的不同對基坑圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移及周邊環(huán)境的影響，運用巖土有限元軟件Midas GTS模擬了在不同超挖厚度下深基坑開挖過程，從而得到在不同超挖厚度下基坑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及地表沉降的分布規(guī)律。計算和分析結(jié)果表明：超挖厚度對基坑圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移及地表沉降產(chǎn)生了較大影響，尤其是圍護結(jié)構(gòu)水平位移及地表沉降；在超挖的影響下樁和錨索不能同時起到維護的作用，使得超挖下樁后土體變形較大，基坑的穩(wěn)定性處于不利的狀態(tài)。研究結(jié)果將有助于提高深基坑設計水平，為類似工程的設計、施工和研究提供必要參考。

關(guān)鍵詞：超挖厚度；圍護結(jié)構(gòu)；深基坑；內(nèi)力；位移；周邊環(huán)境

1研究背景

深基坑工程是一門較為古老的學科，早在20世紀30年代，Terzagi等[1]就已經(jīng)對基坑工程展開了研究，但在早期的研究過程中，大多采用傳統(tǒng)的計算分析法，主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、彈性梁法、彈塑性法等[2]，或是如Peck等[3-4]通過統(tǒng)計大量工程實測資料后對結(jié)果進行分析，得出地表最大沉降值與墻體最大側(cè)向位移之間的關(guān)系。而我國基坑工程的研究始于20世紀80年代，之后隨著城市建設的不斷深入，出現(xiàn)越來越多的深基坑工程，從而進一步推動了該學科的發(fā)展，在之后30多年研究過程中，我國學者也取得了一些矚目的成就[5-6]。在此之后隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的有限元軟件，使得數(shù)值分析已成為敏感環(huán)境下基坑工程分析的最重要手段[7]。在此基礎上學者們利用有限元軟件針對具體的基坑工程開挖進行模擬，通過對模擬結(jié)果的分析和歸納，得出了對基坑產(chǎn)生較大影響的因素。文獻[8]中徐楊青等建立了模擬深基坑開挖和支護全過程的平面有限元數(shù)值分析模型，找出了影響深基坑變形的主要因素：支護結(jié)構(gòu)的剛度、支護結(jié)構(gòu)入土深度、基坑開挖深度和寬度以及土層強度參數(shù)等。文獻[9]中高文華等則通過Mindlin厚板理論，編制的計算程序，分別探討了分步開挖深度、基坑開挖寬度、邊界約束條件、地基流變等因素對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形時空效應的影響。

在眾多對基坑產(chǎn)生影響的因素中，對分步開挖厚度進行了研究，如尹小濤等[10]通過模擬得到分步土層開挖厚度和開挖速率的加大，影響了基坑側(cè)壁水平變形速率和基底隆起變形速率,實際施工過程中應尋找開挖速度、挖深和基坑允許變形的平衡點。但在實際施工中往往因為工期的原因，施工單位往往會進行超挖，這樣直接影響施工工序的正常進行，如李方成等[11]就利用了有限元分析軟件，模擬在開挖厚度過大下樁-撐結(jié)構(gòu)對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。但在開挖厚度過大下樁-錨結(jié)構(gòu)對基坑影響的研究較少。為此，筆者利用巖土工程有限元軟件MIDAS的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型和其優(yōu)越的前后處理及計算性能，對基坑施工過程中不同超挖厚度下基坑的變形情況做仿真模擬并作對比，分析其對基坑穩(wěn)定性的影響。

2工程概況及其有限元模型

2.1工程概況

廣州珠江新城某高層建筑，其基坑形狀近似矩形，占地面積約5 374 m2，基坑底周長約297 m?；娱_挖底標高為-29.3 m，坑頂標高為-1.70 m，開挖深度為27.60 m；總土石方量約為16萬m3。支護結(jié)構(gòu)采用邊坡錨噴+人工挖孔排樁+預應力錨索，其中具體布置為：首先放坡開挖2.5 m進行邊坡錨噴，然后再進行人工挖孔樁的施工，最后分層開挖并在設計位置施加預應力錨索，共5道預應力錨索。

本基坑工程的各土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1　各土層物理力學參數(shù)Table 1　Physico-mechanical parameters of soils

2.2有限元模型的建立

建立了基于巖土工程有限元軟件Midas GTS的二維分析模型，在有限元模擬中，將土層用平面應變單元類型，土體的本構(gòu)模型采用 Mohr-Coulomb彈塑性模型；用植入式桁架單元模擬錨桿和錨索，其中在模擬預應力錨索的時候用植入式桁架單元模擬錨索的固定端，用一對相對力模擬錨索的自由端；用梁單元模擬樁?；悠拭鎴D如圖1所示。

圖1　支護結(jié)構(gòu)剖面

為簡化計算和建模方便，對模型作如下處理：

(1) 土體的計算深度取基坑開挖深度的2.5倍，計算寬度自開挖邊界向外取開挖深度的2倍。

(2) 施加的邊界條件為在模型左右兩側(cè)x方向受水平約束，模型底面受水平和垂直方向的約束。

2.3開挖工況模擬

本次研究中以超挖厚度的不同分為5種方案，其超挖厚度分別約為0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m，每個方案中各個工況下超挖厚度相同。同時在實際施工過程中，為了方便預應力錨索的施工，往往超挖0.5 m。

在模擬過程中，首先基坑按1∶0.6進行放坡開挖2.5 m至設計標高-4.2 m即樁頂處，同時在開挖至設計標高-2.2 m和-3.7 m處分別設置2道錨桿，并掛網(wǎng)噴射混凝土進行邊坡的加固，最后在進行人工挖孔樁的施工。以超挖0.5 m為例，具體工況如下：

工況1，基坑全場超挖0.5 m，待超挖完成后進行預應力錨索1的施工，之后再開挖至設計標高-10.7 m；

工況2，基坑全場超挖0.5 m，待超挖完成后進行預應力錨索2的施工，之后再開挖至設計標高-17.2 m；

工況3，基坑全場超挖0.5 m，待超挖完成后進行預應力錨索3的施工，之后再開挖至設計標高-23.7 m；

工況4，基坑全場超挖0.5 m，待超挖完成后進行預應力錨索4的施工，之后再開挖土體至基底，最后進行預應力錨索5的施工。

最終通過模擬5種方案，得到不同超挖厚度對基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響。

3計算結(jié)果分析

下面將分別計算在各個工況中5種不同超挖厚度(0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m)下，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力及周邊環(huán)境的變化情況，同時由于模擬是在對稱的情況下進行的，故以基坑一邊為例并加以總結(jié)。

3.1樁體水平位移

在各個工況下，基坑全場按一定的厚度進行超挖，超挖完畢后進行錨索施工，當錨索發(fā)揮作用后再開挖至設計標高，在此過程中相同工況下不同厚度超挖對左側(cè)樁體水平位移的影響如圖2所示。

圖2　樁體的水平位移

由圖2分析可知：

(1) 在工況1下，當開挖至樁頂以下6.5 m時樁體的最大位移位于樁頂處，樁體最主要的變形主要發(fā)生在樁頂以下0～10 m以內(nèi)。當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大位移S為7.894 mm，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，S從7.894 mm增至11.23 mm，樁體的水平位移隨著超挖厚度的增加而增大。

(2) 在工況2下，基坑開挖至樁體以下13 m處，樁體最主要的變形區(qū)域位于樁頂以下0～15 m的范圍內(nèi)。當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大位移S為8.978 mm，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，S從8.978 mm增至14.48 mm，變化規(guī)律與工況1類似。

表2　樁體最大水平位移及其變化率Table 2　Maximum horizontal displacements of pile and their change rates

注:S1，S2，S3，S4，S5分別表示超挖厚度為0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m下的最大水平位移。

(3) 在工況3下，基坑開挖至樁頂以下19.5 m處，樁體最主要的變形區(qū)域進一步擴大至樁頂以下20 m，在20 m以下樁底的位移慢慢地增大，這是由于土方開挖使樁體內(nèi)側(cè)的側(cè)壓力減少，同時，剩余土體得到部分卸荷回彈變形，在豎向得到彈性恢復，進而使得樁底產(chǎn)生了位移。當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大位移S為9.873 mm，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，S增至15.42 mm，變化規(guī)律與工況1類似。

(4) 在工況4下，基坑開挖至基底。當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大位移S為11.99 mm，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，S增至17.55 mm，變化規(guī)律與工況1類似。

由上面的分析可得到，在各個工況下超挖0.5 m對樁體水平位移影響最小。其他超挖厚度與其相比得到樁體水平位移的變化率見表2。

由表2可知，可以看出樁體的平均變化率在30%左右，其中當超挖厚度達到6 m時，各個工況下樁體水平位移值變化率都是最大的，同時在工況2下最大變化率高達61.28%，由此可以看出超挖嚴重威脅到基坑的穩(wěn)定性和安全性。在每個工況中，總是先超挖然后再進行預應力錨索施工，使得在工況1下基坑開挖相當于在懸臂狀態(tài)下進行，同樣在工況2—4下基坑開挖過程中預應力錨索的施工處于滯后狀態(tài)，總是樁體先作為圍護結(jié)構(gòu)來抵擋側(cè)向土壓，之后錨索才發(fā)揮作用，這樣才使得樁體的水平位移值隨著超挖厚度增大而增大。

3.2地表沉降

(1) 在工況1下，基坑全場先進行超挖，在超挖過程中錨索1尚未施工，此時只有樁體作為圍護結(jié)構(gòu)來抵擋土體的側(cè)向土壓。當超挖部分開挖完畢后，再進行錨索1施工，待錨索1發(fā)揮作用后再開挖至設計標高-10.7 m，得到地表沉降如圖3(a)所示。

從圖3(a)中可知，在超挖厚度為0.5,2,3 m時，地表沉降值最大都在坑邊，最大值分別為1.645,1.246,0.842 3 mm。當超挖厚度為4,6 mm時，地表沉降最大值在距坑邊8 m左右處，最大值分別為0.793,0.972 mm。在超挖厚度為2,3,4,6 m，地表沉降曲線有相同的變化規(guī)律，具體表現(xiàn)在距坑邊0～4 m的范圍之內(nèi)地表沉降量逐漸減小，而在距坑邊4～10 m的范圍內(nèi)沉降量逐漸增加，在距坑邊10 m之后沉降量又隨距坑邊距離的增加而減小。

(2) 在工況2下，基坑全場先進行超挖，同樣在超挖過程中錨索2尚未施工，此時只有錨索1和樁體作為圍護結(jié)構(gòu)來抵擋土體的側(cè)向土壓。當超挖部分開挖完畢后，再進行錨索2施工，待錨索2發(fā)揮作用后再開挖至設計標高-17.2 m。得到地表沉降如圖3(b)所示。

從圖3(b)中可知，在超挖厚度為0.5,2,3,4,6 m時，地表沉降在坑邊最大，最大值分別為1.816,1.553,1.533,1.534,1.521 mm。同樣在超挖厚度為2,3,4,6 m，曲線變化規(guī)律相似，其變化規(guī)律和工況1相似。

(3) 在工況3下，基坑全場先進行超挖，同樣在超挖過程中錨索3尚未施工，此時只有樁和錨索1、2作為圍護結(jié)構(gòu)來抵擋土體的側(cè)向土壓。當超挖部分開挖完畢后，再進行錨索3施工，待錨索3發(fā)揮作用后再開挖至設計標高-23.7 m。得到地表沉降如圖3(c)所示。

圖3　各工況下地表沉降

從圖3(c)中可知，在超挖厚度為0.5,2,3,4,6 m時，地表沉降最大發(fā)生在坑邊，其中最大值分別為2.053,1.792 ,1.777,1.783,1.779 mm。同樣在超挖厚度為2,3,4,6 m下地表沉降曲線變化規(guī)律相同，其變化規(guī)律和工況1相似。

(4) 在工況4下，基坑全場先進行超挖，同樣在超挖過程中錨索4尚未施工，此時只有樁和錨索1，2，3作為圍護結(jié)構(gòu)來抵擋土體的側(cè)向土壓。當超挖部分開挖完畢后，再進行錨索4施工，之后再開挖至基底。最后得到地表沉降如圖3(d)所示。

從圖3(d)中可知，在超挖厚度為0.5,2,3,4,6 m時，地表沉降最大發(fā)生在坑邊，其中最大值分別為3.433,3.103,2.953,3.099,3.104 mm。在超挖厚度為2,3,4,6 m下地表沉降曲線變化規(guī)律相同，其變化規(guī)律和工況1基本相似。

從理論上來講，地表沉降曲線應該呈現(xiàn)三角形或是凹槽型[3]。但從上面的分析可以看出，在所有工況中只有超挖厚度為0.5 m時，其地表沉降曲線呈現(xiàn)三角形，同時地表沉降都是最大。而在工況1—4下超挖厚度為2，3，4 ，6 m時，地表沉降曲線并不是規(guī)則的三角形，而是在0～8 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了劇烈的波動，這是因為在超挖過程中樁體先作為圍護結(jié)構(gòu)來抵擋側(cè)向土壓力，這使得樁體變形較大，樁后土體松動范圍較大。但是在施加預應力錨索后，使得樁對樁后松動的土體有一定的壓實作用，樁后部分土體隆起來減小了地表的沉降量。而后隨了工況的進行不斷在重復上述過程，但是又因為隨著開挖深度的增加，松動土體被壓實后產(chǎn)生的隆起作用對地表沉降影響越來越小。使得距坑邊0～8 m的地表沉降變化的劇烈程度隨著工況的進行而逐漸減弱。同時可以看出，各個工況下在距坑邊8 m以后的地表沉降量都是隨超挖厚度的增加而增大的。

3.3樁體內(nèi)力分析

(1) 在工況1中，基坑從設計標高-4.2 m處分別按5種不同的厚底進行超挖，之后施加預應力錨索1，再開挖至設計標高-10.7 m處。得到此時樁體彎矩如圖4(a)所示。從圖4(a)中可以看出樁體彎矩變化曲線基本一致，在樁頂以下8.5 m左右處彎矩值最大。當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大彎矩M為789.72 kN·m，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，M從789.72 kN·m增至1 009.99 kN·m?？梢钥闯龀诤穸仍酱髮扼w所造成的彎矩就越大。

(2) 在工況2中，基坑開挖至設計標高-17.2 m。得到樁體彎矩如圖4(b)所示，由圖4(b)可知：當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大彎矩M為432.60 kN·m；當超挖厚度達到6 m時，與之相應，M從432.60 kN·m增至684.05 kN·m，變化規(guī)律類似于工況1。同時最大彎矩值的位置向下移動至樁頂以下8.91 m處。但是工況2中樁體彎矩相比工況1有較大的減小，這是因為在樁頂以上土體是采用放坡開挖，同時在工況1下超挖過程相當于懸臂開挖狀態(tài)使得在工況1樁體彎矩最大。在隨著基坑開挖深度的增加，錨索1,2發(fā)揮了作用有效的抵消了側(cè)向土壓，使得在工況2下樁體所受的彎矩得到減小。

表3　樁體最大彎矩及其變化率Table 3　Maximum moments of pile and their change rates

注:M1,M2,M3,M4,M5分別為超挖厚度0.5，2.0，3.0，4.0，6.0 m下的最大彎矩。

(3) 在工況3中，超挖過程中錨索1,2發(fā)揮作用，超挖完畢后施加預應力錨索3，在之后土體開挖至設計標高-23.7 m過程中，錨索1,2,3共同發(fā)揮作用。得到樁體彎矩如圖4(c)所示。從圖4(c)中可以看出，樁體最大彎矩還是保持在樁頂以下8.91 m處，當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大彎矩M為474.15 kN·m，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，M從474.15 kN·m增至748.99 kN·m，變化規(guī)律類似于工況1。但相比工況2,該工況中樁頂以下13～20 m處彎矩有較大的變化，是因為預應力錨索3抵消部分側(cè)向土壓從而使得不利彎矩得到減小。

(4) 在工況4中，且在錨索1,2,3共同作用下進行超挖的，超挖完畢后進行預應力錨索4的施工，之后再開挖至基底。此時得到的樁體彎矩如圖4(d)所示，從圖4(d)可以看出，當超挖厚度為0.5 m時，樁體最大彎矩M為474.63 kN·m，當超挖厚度達到6 m時，與之相應，M從474.63 kN·m增至763.67 kN·m，變化規(guī)律類似于工況1。但彎矩最大值位于樁頂以下9.5 m處，相比工況3有所下降。同時相比工況3該工況中樁頂下0～15 m內(nèi)彎矩變化趨勢基本一致，但在15～25 m處彎矩有較大的差異，這是因為預應力錨索4的作用進一步的減小了樁體的不利彎矩。

圖4　各工況下樁體彎矩

從上面的分析，可以得到與實際情況相比，其他超挖厚度下樁體彎矩最大值比較見表3。

由表3可知，超挖厚度對樁體彎矩影響較大，隨著超挖厚度的增加彎矩值也在增大。在各個工況下超挖厚度的增加，使得樁體所受到的彎矩值增大了近10%～60%不等。可以看出施工過程中一旦超挖厚度過大，必然使得樁體彎矩產(chǎn)生較大的變化，對基坑的安全構(gòu)成了嚴重的威脅。

4結(jié)論

(1) 基坑開挖工程中，隨著基坑開挖深度的增加，樁體的水平位移也隨之增大。其主要的變形曲線都呈現(xiàn)：在樁頂處位移最大，之后隨著樁深的增加而逐漸減小。同時在樁頂以下0～10m的范圍內(nèi)，樁體的水平位移變化較大，為樁體的監(jiān)測提供了重要分析資料。

(2) 在各個工況下，樁體的水平位移隨著超挖厚度的增加而增大。并且相比實際情況下，其他超挖厚度所造成的樁體平均變化率高達30%。同時在工況2下超挖對樁體的影響最大，應加強在此過程中的監(jiān)測。

(3) 在基坑開挖時會對周邊的環(huán)境產(chǎn)生影響，地表沉降則是其中一項重要的表現(xiàn)?？梢钥闯?，隨著開挖深度的不斷增加，引起的地表沉降也在不斷增加。同時在超挖過大的情況下，引起的地表沉降在距坑邊0～8m的范圍之內(nèi)出現(xiàn)了較大的“突變”。所以在基坑開挖時要避免過度超挖，同時應當在施工過程中密切關(guān)注該“突變”區(qū)域，加強監(jiān)控。

(4) 在樁體內(nèi)力分析中，可以看出在同一工況下，樁體的最大彎矩隨著超挖厚度的增加而增大。說明在超挖過程中樁后側(cè)向土壓力先對樁產(chǎn)生了一定的變形，之后再施加預應力錨索，雖然能抵消一部分的土壓力，但是還是不能達到樁和錨索共同作用所達到的效果。同時隨著基坑開挖深度的增加，錨索發(fā)揮的作用也越來越大。

(5) 從上述分析中可以看出，超挖對基坑圍護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，故在實際施工中要注意及時支護，避免過度超挖。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

收稿日期：2014-10-14;修回日期:2014-11-11

基金項目：中國博士后科學基金項目(2014M561806); 安徽省博士后科學基金(2015B046)；中國建筑總公司項目(CSCEC-2013-Z-10)

作者簡介：湯瑞(1992-),男，安徽含山人，碩士研究生，主要從事基坑工程方面的研究,(電話)15055429203(電子信箱)tangrui19920210@163.com。

通訊作者：王強(1978-)，男，河北定州人，副教授，碩士生導師，博士，從事巖土工程及環(huán)境巖土工程研究,(電話)18055430508(電子信箱)wangqiang0711@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20140879

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0105-06

Influence of Over-excavation Thickness on RetainingStructure and Surrounding Environment

TANG Rui,WANG Qiang,GUO Ling, GONG Bao-ju

(School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan232001,China)

Abstract:In order to study the influence of over-excavation thickness on internal force and displacement of retaining structure as well as surrounding environment, we simulate the excavation process of deep foundation pit by using Midas GTS software, hence obtaining the distributions of internal force of retaining structure, deformation and subsidence in the presence of different over-excavation thicknesses. The analysis results show that over-excavation thickness has big influence on internal force and displacement of retaining structure and ground subsidence, especially on horizontal displacement of retaining structure and ground settlement. Furthermore, affected by over-excavation, the maintaining effects of pile and anchor could not act in the same time, and soil deformation under the pile is big, which is unfavorable to the stability of foundation pit. Through the research, we can improve the design of deep foundation pit, and the results can be referenced for the design, construction and research of similar projects.

Key words:over-excavation thickness; retaining structure; deep foundation pit; internal force; displacement; surrounding environment

2016,33(04):105-110