偏壓荷載下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)非對(duì)稱變形與控制技術(shù)研究

鐘翰虎， 李聰,2， 李雨林， 朱純， 雍攀， 屈星

(1.長沙市公共工程建設(shè)中心， 湖南 長沙 410000； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長沙 410200； 3.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410000； 4.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410114)

隨著中國地鐵項(xiàng)目的快速發(fā)展，深基坑工程數(shù)量迅速增加?；釉O(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)主要問題是基坑與周圍環(huán)境的相互作用。偏壓基坑是由于基坑周邊環(huán)境影響而產(chǎn)生一種特殊的結(jié)構(gòu)形式。在城市復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行深基坑建設(shè)，往往使基坑面臨近接邊坡、路堤和建筑材料堆放等情況，上述情況均會(huì)在基坑兩側(cè)產(chǎn)生不均勻偏載，由此產(chǎn)生的不平衡力會(huì)改變基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的傳力和變形模式，將增加基坑開挖的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。

目前，相關(guān)的研究主要集中在基坑開挖對(duì)臨近既有建(構(gòu))筑物或地表沉降的影響方面[3-5]。而對(duì)于既有建(構(gòu))筑物所產(chǎn)生的偏壓荷載對(duì)深基坑建設(shè)過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究較少。

該文通過對(duì)某偏壓基坑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和相應(yīng)的地面沉降，并進(jìn)一步采用有限元法探討偏壓基坑支護(hù)體系變形控制技術(shù)。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

某深基坑平面呈矩形布置，基坑底平面尺寸長437 m，寬27.7～37.7 m，主線基坑底標(biāo)高為47.3～54.5 m，基坑深度為2.8～14.2 m。基坑一側(cè)存在高為7.5 m、坡率為1∶2的高邊坡，對(duì)臨近高邊坡一側(cè)產(chǎn)生約60 kPa偏壓荷載，使基坑呈現(xiàn)非對(duì)稱受力狀態(tài)?；邮┕^(qū)域處于城市主干道，車流量較大，在施工過程中，道路交通不能中斷，而放坡會(huì)占用部分行車道，影響交通通行，因此基坑設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁懸臂支護(hù)、鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐支護(hù)形式?？辈靾?chǎng)地地下水類型分為第四系松散層中的上層滯水及基巖裂隙中的基巖裂隙水，場(chǎng)地鉆孔初見水位為素填土中的上層滯水，埋深1.0～4.6 m。由于基坑臨近高邊坡、城市快速路，同時(shí)地下管線眾多，為防止由于基坑開挖引起路面塌陷、下沉、開裂等，同時(shí)為深入了解高邊坡所產(chǎn)生的偏載對(duì)基坑的影響，選取典型斷面對(duì)基坑開挖進(jìn)行施工全過程監(jiān)測(cè)。工程所在地為丘陵地貌，場(chǎng)地范圍內(nèi)地層由上至下依次為填土層、黏土層、粉質(zhì)黏土層、礫砂層、礫質(zhì)黏土層、全風(fēng)化花崗巖層。深基坑平面圖如圖1所示。

圖1 深基坑平面(單位：m)

1.2 基坑施工及監(jiān)測(cè)方案

為減少基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，并保證施工安全，基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用差異化設(shè)計(jì)，臨近高邊坡一側(cè)樁長23.6 m、直徑為1.2 m，遠(yuǎn)離高邊坡一側(cè)樁長22.1 m、直徑為1.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐體系自上向下由1道混凝土支撐和3道鋼支撐組成。

由于該深基坑的長度是其寬度和深度的16倍以上，在深基坑的中部可以忽略轉(zhuǎn)角效應(yīng)[6]。因此，可選擇基坑中部區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)斷面GS7來監(jiān)測(cè)圍護(hù)樁的橫向變形和附近的地面沉降。監(jiān)測(cè)斷面上設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖1所示，監(jiān)測(cè)斷面施工進(jìn)度如表1所示。施工階段自完成混凝土支撐開始計(jì)算。

表1 施工進(jìn)度

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 圍護(hù)樁變形

圖2為監(jiān)測(cè)斷面開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

由圖2可知：臨近高邊坡一側(cè)樁的變形表現(xiàn)出與遠(yuǎn)離高邊坡一側(cè)不同的變形模式。隨著開挖至基底時(shí)，臨近高邊坡側(cè)圍護(hù)樁向開挖一側(cè)發(fā)生了較大水平位移，符合深基坑施工中常見圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律[7]。而遠(yuǎn)離高邊坡側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)了一種特殊變形模式，即樁頂向基坑外部移動(dòng)，其下部則向坑內(nèi)移動(dòng)。從而使得基坑整體呈現(xiàn)遠(yuǎn)離偏載一側(cè)的扭轉(zhuǎn)變形。造成這種變形模式的主要原因?yàn)楦哌吰庐a(chǎn)生的偏載增大了偏壓一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力，從而推動(dòng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向非偏壓一側(cè)位移，同時(shí)該主動(dòng)土壓力大于引起遠(yuǎn)離偏壓一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部向外位移的被動(dòng)土壓力，從而使得遠(yuǎn)離偏壓一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部呈現(xiàn)出向基坑外部變形的情況。監(jiān)測(cè)斷面的圍護(hù)樁橫向變形最大值為50.9 mm，冠梁上的最大值為-40 mm。

2.2 路面沉降

圖3為在深基坑施工期間監(jiān)測(cè)斷面偏壓一側(cè)的地面沉降變化情況。

圖3 地面沉降變化

從圖3可以看出：深基坑開挖過程中，包括底板澆筑情況下地表沉降一直持續(xù)增加，尤其在施工階段2之后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形超過21 mm時(shí)，地表沉降急劇增大。最終在中間板澆筑后趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)段的最大沉降達(dá)到84.6 mm。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

3.1 模型建立與驗(yàn)證

為研究設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，該文采用二維平面應(yīng)變有限元(Plaxis 2D)分析方法。所有土層均采用15節(jié)點(diǎn)單元建模，考慮到可能存在裂縫等缺陷，將模擬采用的混凝土剛度降低20%。有限元模型和網(wǎng)格生成如圖4所示。該模型的平均單元尺寸為3.26 m，單元總數(shù)為1 236個(gè)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬，地表為自由邊界條件，模型側(cè)面限制其水平方向位移，底部為固定邊界條件。假設(shè)土為滿足莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性材料，進(jìn)行不排水分析。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到深基坑開挖的地層和支撐結(jié)構(gòu)以及深基坑附近既有建(構(gòu))筑物的物理性質(zhì)，其物理力學(xué)參數(shù)見表2、3所示。

圖4 深基坑開挖數(shù)值模型(尺寸單位：m)

表2 MC模型的土體參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5為測(cè)量的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的比較。由于采用了MC模型，數(shù)值模擬分析給出的預(yù)測(cè)結(jié)果略小于開挖各階段的結(jié)構(gòu)變形。最終開挖階段的最大水平位移比測(cè)量值低15%左右，與Likitlersuang[8]的研究結(jié)果相似，最終開挖階段的最大地表沉降預(yù)測(cè)值小于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值的一半。以往的研究也表明：MC模型預(yù)測(cè)的地表沉降與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異[9-10]。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)變形的預(yù)測(cè)結(jié)果討論優(yōu)化方案。通過對(duì)臨近高邊坡側(cè)樁最大地面沉降與最大水平位移的分析，結(jié)合圍護(hù)樁變形和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果討論地表沉降的影響。

圖5 測(cè)量結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

比較非對(duì)稱深基坑與對(duì)稱深基坑的變形模式，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁的變形模式與圖2相似。結(jié)果表明：偏壓荷載是深基坑支撐系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)變形的主要原因。針對(duì)監(jiān)測(cè)段變形較大的情況，該文進(jìn)一步探討相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

3.2 不同優(yōu)化方案的結(jié)果

模擬5種不同的設(shè)計(jì)方案，討論監(jiān)測(cè)段中限制扭轉(zhuǎn)變形的合適設(shè)計(jì)方案。

(1) 方案1：模擬實(shí)際設(shè)計(jì)方案。

(2) 方案2：基于方案1在臨近高邊坡樁外側(cè)進(jìn)行土體加固，探討是否可通過對(duì)基坑另一側(cè)的土體進(jìn)行加固達(dá)到限制基坑扭轉(zhuǎn)變形的目的。加固范圍見圖4。

(3) 方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，延長遠(yuǎn)離高邊坡側(cè)樁嵌入花崗巖地層中的長度。將樁底嵌入巖體是控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的有效方法。因此，在初步設(shè)計(jì)中，把遠(yuǎn)離高邊坡側(cè)的圍護(hù)樁設(shè)計(jì)嵌入巖體，探討將遠(yuǎn)離偏壓一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)延長對(duì)變形的控制效果(圖4)。

(4) 方案4：進(jìn)一步將方案2與方案3結(jié)合，討論該復(fù)合優(yōu)化方案的效果。

(5) 方案5：基坑內(nèi)土體加固。在此類工程中，由于相鄰結(jié)構(gòu)的影響，加固范圍可能受到限制。一些設(shè)計(jì)方案傾向于加固深基坑內(nèi)的土體。因而，該方案采用對(duì)整個(gè)基坑內(nèi)部開挖區(qū)域進(jìn)行土體加固(圖4)。

圖6為5種不同設(shè)計(jì)方案下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬結(jié)果。圖6表明：設(shè)計(jì)方案2、3、4相較原方案1在圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制方面有所改進(jìn)，但優(yōu)化效果有限。方案2、3、4的最大水平位移分別為25.3、27.4和24.2 mm。由于圍護(hù)樁的變形對(duì)路面沉降有顯著影響，特別是當(dāng)最大水平位移超過21 mm時(shí)，上述方案仍不能較好地控制路面路基沉降。相比之下，方案5可以有效地減小深基坑兩側(cè)圍護(hù)樁的水平位移，將其水平位移限制為17.5 mm，較方案1的最大水平位移27.3 mm，臨近高邊坡側(cè)最大變形量顯著減小，減小35.8%。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：方案5可以將圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移控制在階段2與階段3之間，從而可得到該階段下路面最大沉降值約為25 mm，與之最終路面沉降84.58 mm相比，路面最大沉降量減少約70%。

圖6 不同設(shè)計(jì)方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬結(jié)果

對(duì)于偏壓基坑，偏壓一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)移動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后的土壓力介于靜止和主動(dòng)土壓力之間，而非偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能向坑外移動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后的土壓力介于靜止和被動(dòng)土壓力之間。對(duì)稱基坑設(shè)計(jì)中常用基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力計(jì)算，而對(duì)于偏壓基坑，如此將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不合理，基坑的安全性得不到有效保障。該文通過研究得出對(duì)基坑內(nèi)土體進(jìn)行加固，可有效增強(qiáng)偏壓一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和支撐軸力，再將該支撐軸力作為荷載施加到非偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，從而達(dá)到減小非偏壓側(cè)基坑變形的目的。由此可見，對(duì)深基坑內(nèi)土體進(jìn)行加固是非對(duì)稱地表荷載作用下深基坑開挖的最優(yōu)控制方案。

4 結(jié)論

(1) 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形表明，非對(duì)稱地表荷載作用下深基坑的變形模式為扭轉(zhuǎn)變形。這主要是由于在開挖過程中，高邊坡會(huì)增大作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力，從而推動(dòng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)向遠(yuǎn)離偏壓一側(cè)扭轉(zhuǎn)變形。

(2) 偏壓荷載作用下，地表沉降迅速增大，且對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形敏感。當(dāng)偏壓側(cè)的樁體變形達(dá)到21 mm時(shí)，沉降急劇增大。因此，控制圍護(hù)樁的變形是控制地表沉降的關(guān)鍵因素。

(3) 模擬結(jié)果表明：對(duì)基坑內(nèi)土體進(jìn)行加固可以很大程度上控制支撐體系的扭轉(zhuǎn)變形。該方法可有效減小偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移，從而控制臨近道路即邊坡的沉降變形。