基坑周邊堆載對(duì)土體變形的影響分析

侯明鋒，劉金龍,，姚軍，祝磊

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230022）

1 引言

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，如果基坑兩側(cè)有大量土方不能及時(shí)運(yùn)出而堆積于某處，或者在基坑開(kāi)挖兩側(cè)臨時(shí)堆放重物都會(huì)對(duì)基坑開(kāi)挖造成一定的影響。如上海地區(qū)某基坑施工現(xiàn)場(chǎng)，由于在基坑一側(cè)有大量挖方土未及時(shí)運(yùn)出，導(dǎo)致對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞，進(jìn)而造成基坑失穩(wěn)塌方，由堆載觸發(fā)基坑失穩(wěn)的問(wèn)題在各個(gè)地方造成的工程事故均有例可循，近年來(lái)這也引起了廣大的學(xué)者和設(shè)計(jì)師的關(guān)注。

林剛通過(guò)有限元軟件進(jìn)行二維和三維建模，提出不平衡基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)不平衡堆載作用下和不同挖深情況下樁撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了算例分析。朱懷龍等針對(duì)基坑臨時(shí)堆載的情況，依托某工程實(shí)例，運(yùn)用有限元數(shù)值建模并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了坑外偏壓荷載大小、荷載位置及荷載分布寬度對(duì)既有深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。孫永超軟件模擬了有堆載和無(wú)堆載兩種工況下軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖全過(guò)程，并分析了堆載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降造成的影響。除此之外還有諸多學(xué)者對(duì)不均衡堆載的問(wèn)題進(jìn)入了深入探討。

為此，本文基于有限元方法對(duì)比分析了在堆載大小和位置發(fā)生變化時(shí)基坑的變形情況。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 工程概況

某車(chē)站主體總長(zhǎng)度196.4m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度22.9m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑平均開(kāi)挖深度17.8m。車(chē)站采用地下兩層雙柱三跨島式站臺(tái)設(shè)計(jì)模式，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Ф1000@1300 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)方案，第一道支撐為800mm×900mm的鋼筋混凝土梁，第二、三道為鋼支撐 (Ф609，壁厚t=16mm)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐布置以及堆載位置如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型橫斷面示意圖

根據(jù)地勘報(bào)告，從上至下各土層可分為①素填土、②黏土、③黏土、④全風(fēng)化砂巖、⑤強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑥中風(fēng)化砂巖，采用小應(yīng)變模型(Hs-small)對(duì)土體進(jìn)行模擬，土層的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

土層各項(xiàng)物理參數(shù) 表1

在有限元模型建立過(guò)程中，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬內(nèi)支撐，用板單元模擬地下連續(xù)墻等效代替的圍護(hù)樁，等效后的地連墻參數(shù)為彈性模量為 4×107MPa；泊松比 v=0.167，EA=23.04×10kN/m，抗彎剛度EI為1.13×10kN/m。厚度為0.8m。內(nèi)支撐具體參數(shù)見(jiàn)表2。

內(nèi)支撐物理參數(shù) 表2

2.2 有限元模型建立

基于該車(chē)站工程概況建立了有限元軟件分析模型，為減小模型邊界效應(yīng)的影響，模型邊界取至基坑深度的3～5倍，模型 X軸方向取 100m，Y軸方向取50m。有限元整體網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖2。

圖2 基坑有限元網(wǎng)格劃分

在基坑未施加堆載作用下，基坑開(kāi)挖到底后對(duì)該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的監(jiān)測(cè)值和軟件模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比圖

基坑開(kāi)挖到底后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)值最大為12.67mm，位于距樁頂8m處；本文數(shù)值模擬后的水平位移最大值為11.83mm，兩組數(shù)據(jù)誤差為6.6%。圍護(hù)樁模擬數(shù)據(jù)曲線雖然波動(dòng)較為明顯，但是整體發(fā)展規(guī)律與變形實(shí)測(cè)曲線結(jié)果基本一致，可以驗(yàn)證該基坑有限元計(jì)算的正確性。

3 堆載大小的影響分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

在基坑開(kāi)挖到底，堆載P不同取值時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分布見(jiàn)圖4所示。在開(kāi)挖至基底-17.8m，最大水平位移由P=20kPa時(shí)的7.41mm增加到P=80kPa時(shí)的18.76mm。且在堆載值較小時(shí)該側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值在距樁頂14m處左右，堆載值增大后，最大值位置上移至樁頂附近位置。

圖4 開(kāi)挖至底時(shí)堆載側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

在同一開(kāi)挖深度下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨著堆載的增加而增加，如圖5所示。

圖5 堆載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值的影響

3.2 地表沉降分析

在不同開(kāi)挖深度下，隨著堆載的逐漸增大，基坑該側(cè)的周邊地表沉降值如圖6所示。

圖6 基坑開(kāi)挖至底堆載側(cè)地表沉降

由圖6可以看出在開(kāi)挖深度一致的情況下，地表沉降隨著堆載的增加而增加.基坑開(kāi)挖至-17.8m時(shí)地表沉降值由P1=20kPa時(shí)的 5.46mm增加到P4=80kPa的25.12mm。最大沉降值在距基坑邊緣6～8m左右。

3.3 土體水平位移

圖7給出了基坑開(kāi)挖后土體水平位移的等值線分布情況。由土體水平位移等值線分布圖可以看出，開(kāi)挖到底后基坑兩側(cè)土體水平位移方向指向開(kāi)挖工作面。結(jié)果表明，無(wú)堆載時(shí)土體水平位移最大值的位置位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部坑壁土體中，隨著堆載的逐漸增大，當(dāng)堆載值增大到80kPa時(shí)，土體最大水平位移值位于圍護(hù)結(jié)構(gòu)后方的土體中。

圖7 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

4 堆載位置的影響分析

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

基坑開(kāi)挖到底后，在恒定P=20kPa堆載作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨著堆載位置變化而變化，具體趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 開(kāi)挖至底堆載側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

可見(jiàn)，堆載位置的變化對(duì)圍護(hù)樁頂?shù)乃轿灰朴绊戄^大，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移影響較小。隨著堆載不斷遠(yuǎn)離基坑邊緣，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁頂水平位移不斷減小，由L=3m時(shí)的7.22mm減小至L=6m時(shí)的5.61mm。四種堆載位置不同條件下樁頂水平位移最大值為7.4mm，在距樁頂14m位置左右。

4.2 地表沉降分析

在堆載距基坑邊緣位置L=3m、4m、5m、6m四種作用情況下，堆載側(cè)地表沉降如圖9所示?？芍S著堆載距坑邊緣位置的不斷增大，堆載側(cè)地表沉降值不斷減小，且最大沉降值位置不斷遠(yuǎn)離基坑。

圖9 L改變下基坑開(kāi)挖到底堆載側(cè)地表沉降

由圖10可以看出L=3m時(shí)地表沉降最大值為6.89mm，在距基坑邊緣5m左右。L=6m時(shí)最大值為4.53mm，在距基坑邊緣8m左右。

圖10 堆載位置對(duì)最大地表沉降值的影響

4.3 土體水平位移

圖11給出了堆載距坑邊3m時(shí)的土體水平位移等值線分布情況，施加堆載和不施加堆載側(cè)的土體水平位移方向都指向開(kāi)挖面。其中堆載側(cè)最大水平位移在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部后方的土體中。右邊未施加堆載一側(cè)水平位移最大值為5.12mm，在距坑底不遠(yuǎn)處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁土體中。

由圖11(a)、(b)對(duì)比看出堆載相同情況下，距坑邊距離不同對(duì)堆載側(cè)土體水平位移無(wú)影響，但是隨著距離增加，水平位移最大值位置逐漸下移。

圖11 土體水平位移等值線分布圖(單位：mm)

5 結(jié)論

①堆載位置不變時(shí)，堆載側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨著堆載的增加而增大，且水平位移最大位置隨著堆載的增加而逐漸上移至樁頂位置。堆載側(cè)土體水平位移隨著堆載的增加而增大，最大位移位置逐漸上移至基坑頂部附近。

②堆載位置不變時(shí)，堆載側(cè)周表沉降隨著堆載的增加而增大，但地表沉降最大值位置變化差異不大。

③堆載大小不變，隨著堆載到坑邊距離增加，樁頂水平位移不斷減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移不受堆載位置的影響。堆載到坑邊距離變化對(duì)堆載側(cè)土體水平位移無(wú)明顯影響。

④堆載大小不變，最大地表沉降值隨著堆載距離的增大而減小，最大沉降值位置向偏離基坑位置方向增加。