嚴重偏壓作用下非對稱基坑的變形及受力特性

黃山景， 肖朝昀， 涂兵雄， 蔡奇鵬， 張強

(華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

工程建設中常面臨復雜的地形地貌及周邊環(huán)境，公路隧道工作井基坑的尺寸為38.4 m(長)×21.3 m(寬)×17.9 m(深)，在地形高度差達9 m的區(qū)域中進行開挖，采用復雜的圍護結構和支撐體系，工程施工風險較大，為典型的嚴重偏壓非對稱基坑.基坑受地面標高差異、既有建筑、交通荷載、土層不均勻分布和不均勻開挖等因素的影響.非對稱基坑主要包括“荷載非對稱”與“結構非對稱”.基坑支護結構承受偏壓荷載，稱為“荷載非對稱”；基坑采用非對稱的支護體系，稱為“結構非對稱”.無論何種形式的非對稱基坑，都將產生更為復雜的變形受力特性.目前，對于非對稱偏壓基坑的研究較少，也并未形成一套完整的設計、計算與安全控制體系，基坑設計中未充分考慮非對稱特性將可能發(fā)生工程事故[1].

近年來，越來越多的學者關注非對稱基坑的變形性狀及受力特性，對實際非對稱基坑工程進行現場監(jiān)測是一個主要方法，通過現場監(jiān)測獲取圍護樁樁身水平位移、樁頂水平位移、地表沉降和支撐軸力等實測數據，研究非對稱基坑的變形特性和支護內力響應等[2-7].由于非對稱基坑的復雜性，也有不少學者通過數值模擬方法研究非對稱開挖、非對稱超載等不同因素對非對稱基坑的變形性狀及受力特性的影響[8-15].一些學者通過理論解析法推導了適用于非對稱基坑的土壓力計算方法和支護結構解析解等[16-18].目前，國內對非對稱基坑的變形及受力特性仍有待進一步研究.本文通過現場監(jiān)測，研究在極端條件下，典型非對稱基坑的變形及受力特性.

圖1 基坑平面及測點布置圖Fig.1 Layout plan and measuring points diagram of excavation

1 工程概況

1.1 工程概況

工程為福建省廈門市海滄海底隧道陸域段、下穿興湖路雙連拱隧道工作井基坑.工程所在位置原始地形地勢差異大，基坑東南側緊鄰興湖路，海拔高度達19.9 m，最低處位于西北側，北側海拔高度僅7.6 m，高度差達12.3 m，基坑東側及南側周圍地勢高的場地統(tǒng)一平整至17.0 m(標高為0).基坑平面及測點布置圖，如圖1所示.圖1中：整個工作井基坑占地面積為814.0 m2；長為38.4 m；寬為21.2 m.由于地勢差異較大，故會對工作井基坑造成嚴重偏壓，設計采用復雜的圍護結構和支撐體系，以防止基坑產生過大變形，影響工程安全.

1.2 基坑支護設計

工作井基坑圍護結構采用Φ1 000 mm@1 200鉆孔灌注樁，樁間采用Φ800 mm高壓旋噴樁止水帷幕，北側樁長23 m，南側樁長27 m.基坑斷面圖，如圖2所示.圖2中：H為深度.

圍護樁樁頂通過冠梁連接成整體，由于高度差原因，冠梁呈階梯狀由南至北高度遞減.基坑分為基坑1區(qū)和基坑2區(qū).基坑1區(qū)北側圍護樁上部存在3 m的懸臂段，不宜架設內支撐，所以采取錨索結合斜撐的支撐體系，在基坑東側上部架設3道錨索，并且架設2道鋼支撐斜撐(中心標高分別為-11.20，-15.00 m).基坑2區(qū)則均采用斜撐的內支撐體系，一共布置4道斜撐，第1道為0.9 m×0.9 m鋼筋混凝土支撐(中心標高為-0.50 m)；其余采用鋼支撐(中心標高分別為-5.25，-10.85，-14.65 m).

(a) Ⅰ-Ⅰ斷面圖

(b) Ⅱ-Ⅱ斷面圖圖2 基坑斷面圖Fig.2 Profile of excavation

1.3 工程地質條件

根據地勘報告，基坑范圍內地層主要分為4層：第1層為雜填土，主要分布在0～-7 m中，成分以碎石、砂礫及花崗巖殘積土為主；第2層為殘積礫質黏土，主要分布在-7～-13 m中，其粘性較差，系母巖花崗巖風化殘積物，遇水后易軟化、崩解，局部段夾未風化孤石；第3層為全風化花崗巖，主要分布在-13～-23 m中，呈灰黃或灰白色，除石英以外，其他礦物風化為粉末或粘粒，巖體已呈砂土狀，手捏即散；第4層為中風化花崗巖，主要分布在-23 m以下，強度較高，圍護樁基本嵌巖.場地土體參數，如表1所示.表1中：γ為重度；w為含水率；c為粘聚力；φ為摩擦角；Eo為壓縮模量.根據文獻[19-20]的基坑工程案例，在類似土巖復合地質條件中，基坑開挖產生的變形較小，小于文獻[21]軟土地區(qū)的基坑工程案例.

表1 場地土體參數Tab.1 Site soil parameters

1.4 開挖工況

工作井基坑圍護樁、冠梁、南側的第1道混凝土斜撐及東側擋墻施工完成后，開始開挖坑內土體，基坑開挖過程總共分為4個工況.2018年4月8日，工作井基坑正式開挖,2018年5月21日完成整個工程結構的底板澆筑工作，整個開挖過程歷時44 d.第1～14天為工況1，基坑整體開挖至-8.0 m，基坑1區(qū)坑壁局部預先開挖一道溝槽,架設3道錨索；第15～28天為工況2，基坑2區(qū)施工第2道支撐，基坑整體開挖至-14.0 m，基坑2區(qū)施工第3道支撐架設不及時，超挖約3.2 m；第29～35天為工況3，基坑1區(qū)施工第1道支撐，基坑2區(qū)施工第3道支撐，整體開挖至-16.0 m，在此階段，第29天遭遇強降雨；第36～44天為工況4，基坑1區(qū)施工第2道支撐，基坑2區(qū)施工第4道支撐，整體開挖至坑底-17.9 m，施工底板墊層.基坑開挖步驟示意圖，如圖3所示.

(a) 工況1 (b) 工況2

(c) 工況3 (d) 工況4 圖3 基坑開挖步驟示意圖Fig.3 Schematic diagram of excavation digging steps

2 監(jiān)測結果及分析

2.1 監(jiān)測方案

為確保基坑開挖施工安全，對圍護結構變形及支護內力進行現場監(jiān)測，基坑1區(qū)東側和基坑2區(qū)為重點觀測區(qū)域，共布置5個測斜點(I-1～I-5)，11個樁頂位移測點(D1～D11).用斜測點觀測圍護樁水平位移，采用測斜儀獲取樁身變形數據.由于打設錨索等施工原因，I-4和I-5兩個測斜點被破壞，無法獲取到相應位置處樁身水平位移；用樁頂位移測點觀測樁頂水平位移和豎向位移.同時，布置11個錨索測力計(M1～M11)與6個支撐軸力計，分別觀測基坑開挖施工過程中錨索拉力與支撐軸力變化.

2.2 樁頂位移

開挖最后階段圍護樁樁頂水平位移,如圖4所示.圍護樁樁頂水平位移與時間關系，如圖5所示.圖5中：dht為樁頂水平位移；t為時間；正值表示向開挖側變形(下同)；負值表示向未開挖側變形(下同).

圖4 開挖最后階段圍護樁樁頂水平位移 圖5 圍護樁樁頂水平位移與時間關系 Fig.4 Horizontal displacement of retaining pile tops at final stage Fig.5 Relationship between horizontal displacemen and time for retaining pile tops

由圖4可知：嚴重偏壓作用下的非對稱基坑樁頂水平位移與普通對稱基坑存在明顯差異，非對稱基坑樁頂整體產生扭轉變形，而普通對稱基坑隨著土方的開挖，樁頂水平位移逐漸往坑內發(fā)展，基坑一側靠近中部位置樁頂水平位移最大.非對稱基坑北側的地勢低，受偏壓影響，北側靠近角部位置樁頂略微地往坑外位移，東側樁頂水平位移較大，通過第1道混凝土支撐推著南側部分樁頂往坑外位移.

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由圖5可知：樁頂水平位移整體上隨著基坑的開挖逐步增大，最大樁頂水平位移出現在基坑東側中部位置測點D6(最大值達到16.56 mm)處；開挖至坑底時，北側最大樁頂水平位移出現在測點D2(5.05 mm)處；南側測點D10和D11樁頂產生明顯的往坑外的水平位移，其值分別為5.20，7.72 mm.

2.3 樁身水平位移

圍護樁樁身水平位移與深度的分布情況,如圖6所示.為了方便討論，將樁身發(fā)生垂直于基坑圍護結構的位移定義為法向水平位移(δhn)，平行于基坑圍護結構的位移定義為切向水平位移(δht).

(a) I-1法向水平位移 (b) I-2法向水平位移 (c) I-3法向水平位移

(d) I-1切向水平位移 (e) I-2切向水平位移 (f) I-3切向水平位移圖6 圍護樁樁身水平位移與深度的分布情況Fig.6 Distribution between horizontal displacement of retaining pile and depth

由圖6(a)～(c)可知：隨著基坑的開挖，樁身法向水平位移呈“凸肚”狀，與常見采用多道支撐的圍護結構變形特征相符；開挖至坑底時，最大的法向水平位移位于坑底以上5.4～7.9 m范圍內，I-1～I-3測點處樁身的最大法向水平位移分別為20.54 mm(0.11%He，He為基坑最大開挖深度)，40.53 mm(0.23%He)，36.09 mm(0.20%He).

對于常規(guī)無偏壓對稱基坑，圍護樁不會產生切向水平位移，因此，較少研究關注圍護樁的切向水平位移.文中對嚴重偏壓基坑的圍護樁切向水平位移進行監(jiān)測(圖6(d)～(f)).由圖6(d)～(f)可知:I-1～I-3測點處圍護樁均產生較大切向水平位移，基坑開挖至坑底時，最大切向水平位移分別達13.72 mm(0.08%He)，16.32 mm(0.09%He)和28.56 mm(0.16%He)；圍護樁產生了不同的切向變形模式，I-1測點處圍護樁呈明顯的懸臂式變形，I-3測點處圍護樁產生了與法向水平位移相同的“凸肚”狀變形.

圖7 圍護樁最大法向水平位移隨時間的分布情況Fig.7 Distribution of normal horizontal displacement of retaining piles with time

為了反映圍護樁變形隨著基坑開挖的發(fā)展規(guī)律，圖7給出了基坑圍護樁最大法向水平位移(δhn,m)隨時間的分布情況.由圖7可知：圍護樁整體法向水平位移隨開挖不斷增大，在工況1，2階段前期，變形隨基坑開挖緩慢增長；由于基坑2區(qū)在工況2階段超挖約3.2 m，未及時架撐，位于基坑2區(qū)I-1～I-3測點樁身法向水平位移在工況2階段后期急劇增加；從工況3階段開始，整體變形增長速率明顯加快，這是由于第29天遭遇強降雨，場地內分布的深厚殘積礫質粘性土結構遭到破壞，承載力急劇降低，隨著基坑開挖擾動，圍護樁變形顯著增加;而I-3測點圍護樁變形受降雨影響最大，降雨前最大法向水平位移為20.63 mm，降雨后增大至32.08 mm，其增幅達55%，隨著支撐的架設和底板澆筑完成后變形趨于平緩.

2.4 支撐軸力與錨索內力

為了觀測偏壓基坑開挖過程中支護內力響應，對每道支撐最外側角的撐軸力變化進行監(jiān)測，砼支撐和鋼支撐軸力(F)的歷時曲線,如圖8，9所示.圖8,9中：正值表示支撐受壓.基坑1區(qū)采用3道錨索結合兩道角撐的支撐體系，錨索拉力(T)歷時曲線,如圖10所示.

圖8 砼支撐軸力歷時曲線 圖9 鋼支撐軸力歷時曲線Fig.8 Axial force duration curves of concrete struts Fig.9 Axial force duration curves of steel struts

圖10 錨索拉力歷時曲線Fig.10 Tension force duration curves of anchor cable

由圖8可知：砼支撐在整個基坑開挖過程中均處于受壓狀態(tài)，并且軸力大小均保持較高水平；在降雨、超挖等惡劣因素影響下，非對稱基坑第1道砼支撐軸力基本保持在7 000 kN以上，而對于類似開挖條件的普通對稱基坑案例[22-24]，其第1道砼支撐軸力一般小于2 000 kN，說明砼支撐在基坑開挖過程中，對控制基坑變形以及維持基坑穩(wěn)定起到了重要作用；工況4中砼支撐軸力急劇增加，這是由于降雨過后，隨著基坑開挖，圍護結構變形顯著增加.

由圖10可知：錨索拉力均小于180.0 kN，且隨著基坑開挖的進行，錨索拉力整體上呈增大趨勢，對圍護結構側向變形起到一定的抑制作用；基坑1區(qū)第1道鋼支撐架設完成后，軸力處于較低水平，未能有效抑制圍護結構變形，對錨索拉力影響不大，錨索拉力仍持續(xù)增大；基坑1區(qū)第2道鋼支撐的架設對錨索拉力產生了一定的影響，對圍護結構變形起到一定的抑制作用，部分錨索拉力呈現降低的趨勢.

圖11 圍護樁最大水平位移與開挖深度關系Fig.11 Relationship between maximum horizontal displacement and maximum excavation depth of retaining piles

3 案例統(tǒng)計與對比分析

基坑圍護樁最大水平位移(δhm)與最大開挖深度的關系，如圖11所示.圖11中：虛線為圍護樁變形上限；實線為圍護樁變形均值線.對于常規(guī)無偏壓對稱基坑，圍護樁只產生法向水平位移，文中基坑由于受嚴重偏壓影響產生較大切向水平位移，故將兩個方向的合成水平位移加入進行對比.由圖11可知：基坑的圍護樁最大法向水平位移變化介于0%He～0.23%He，平均值為0.12%He；樁身最大合成水平位移的變化介于0%He～0.26%He，平均值為0.14%He，圍護樁最大合成水平位移相較于法向水平位移增大了17%.在具有相似地質條件的普通對稱基坑案例中，文獻[19]中土巖復合地區(qū)基坑圍護結構的δhm平均值為0.16%He，文獻[20]基坑圍護結構的δhm平均值為0.20%He.對于類似偏壓基坑，施工過程中，單一監(jiān)測樁身法向水平位移，不利于控制工程風險，需重點關注樁身兩個方向上的水平位移，合理布置測點以反映樁身變形特性.

4 結論

1) 在嚴重偏壓作用下，非對稱基坑樁頂整體產生扭轉變形；圍護樁樁身在兩個方向上均會產生較大水平位移，法向水平位移均呈“凸肚”狀變形，最大法向水平位移達40.53 mm(0.23%He)，切向水平位移存在懸臂式變形與“凸肚”狀變形兩種不同的變形模式，最大切向水平位移達28.56 mm(0.16%He).

2) 基坑偏壓區(qū)第1道砼支撐軸力基本保持7 000 kN以上，對控制基坑變形,以及維持基坑穩(wěn)定起到了重要作用；因超挖及鋼圍檁連接不牢靠等，鋼支撐未能充分發(fā)揮對圍護樁變形的抑制作用，鋼支撐最大軸力僅540.1 kN，錨索拉力均小于180.0 kN；殘積土地層中，降雨導致圍護樁變形顯著增加，圍護樁變形最大增幅達55%.

3) 非對稱基坑圍護樁最大法向水平位移為0%He～0.23%He，平均值為0.12%He，最大合成水平位移為0%He～0.26%He，平均值為0.14%He，最大合成水平位移相較于最大法向水平位移增大了17%.

4) 對于嚴重偏壓的非對稱基坑，設計中應充分考慮圍護樁兩個方向上的變形，在施工過程中，單一監(jiān)測樁身法向水平位移，不利于控制工程風險，需重點關注樁身兩個方向上的水平位移，合理布置測點，以反映樁身的變形特性.