不規(guī)則基坑開挖導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)變形及控制研究*

魏煥衛(wèi)，孫元碩，尚文濤

(山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)以及地下空間工程的發(fā)展，基坑規(guī)模越來越大，出現(xiàn)了大量深基坑工程，基坑工程的安全問題尤為重要，控制基坑變形是基坑設(shè)計和施工的核心問題。

目前，眾多學者通過工程實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬研究了不同支護下的基坑變形，并總結(jié)出影響基坑變形的因素。熊智彪等[1]、張欽喜等[2]通過樁錨支護現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究其變形特性，總結(jié)了樁錨支護下樁體位移、地表沉降的變化規(guī)律。侯玉杰等[3]、蔣波等[4]根據(jù)實測數(shù)據(jù)研究了內(nèi)支撐支護體系下樁體變形以及支撐軸力的變化。張明聚等[5]、帥紅巖等[6]、李磊等[7]利用三維有限元軟件對內(nèi)支撐支護體系進行數(shù)值模擬與實測對比，研究了支撐剛度變化下內(nèi)支撐與圍護樁體組合體系下基坑變形，總結(jié)了內(nèi)支撐體系下基坑的變形規(guī)律。以上主要研究了在對稱荷載下基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形特性，然而不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖引起的非對稱荷載對圍護結(jié)構(gòu)變形特性的影響與對稱荷載下有很大不同，姚愛軍等[8]、孫志浩等[9]、林剛等[10]通過工程實際數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，分析了不對稱荷載下深基坑內(nèi)支撐支護樁體深層水平位移及彎矩的變化。徐長節(jié)等[11]通過數(shù)值模擬研究了基坑在不同挖深差以及挖深分界面位置不同時產(chǎn)生的不對稱荷載對基坑兩側(cè)地表沉降變化的影響。對于內(nèi)支撐支護體系，不規(guī)則基坑開挖引起的不對稱荷載對圍護結(jié)構(gòu)的影響文獻較少，有待進行深入研究。

本文以某深基坑工程實例為背景，根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)探討不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖引起的不對稱荷載對深基坑內(nèi)支撐樁體水平位移變化規(guī)律的影響，最后通過PLAXIS 3D數(shù)值模擬，研究不規(guī)則基坑開挖下樁體深層水平位移的變化，模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合較好，并在此模型基礎(chǔ)上在荷載較小一側(cè)坡頂施加土體堆載，研究基坑兩側(cè)樁體深層水平位移及彎矩的變化。

1 工程概況

1.1 工程場地與地質(zhì)條件

擬建工程位于北海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)張東公路(311省道)與濱州北鐵路交叉口處北1.5km處，地理位置優(yōu)越，交通便利?；有螤畲篌w呈凹形分布，東西長約130m，南北長約50m，基坑北側(cè)開挖深度為22m，南側(cè)開挖14.5m，東側(cè)開挖14.3m。該項目場區(qū)現(xiàn)為鹽田地，項目北側(cè)、南側(cè)及東側(cè)場地較空曠。項目西側(cè)為新建濱州北鐵路線(現(xiàn)未使用，軌道已鋪設(shè)完成，地基采用改良土換填處理)，該項目基礎(chǔ)邊線距離鐵路線最近距離約32m；為了保證基坑及周邊鐵路的安全，對鐵路沉降以及支護樁、支撐等進行監(jiān)測，部分監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 基坑平面位置及監(jiān)測點布置

根據(jù)該場地巖土工程勘察報告，構(gòu)成擬建場地的主要地層屬于第四系黃河三角洲沉積土層，場地自上而下劃分7層，地下水類型屬于第四紀潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深為3.0m，開挖范圍內(nèi)土體力學參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學參數(shù)

1.2 支護方案

考慮場地工程地質(zhì)與水文條件、基坑周邊環(huán)境及開挖深度，依據(jù)有關(guān)技術(shù)標準，擬對本工程采用支護樁+鋼筋混凝土角撐、對撐進行支護。東西走向采用4道混凝土支撐，具體支護形式如圖2所示；南北走向采用2道混凝土支撐，基坑東南位置采用放坡支護；基坑內(nèi)部高差位置采用懸臂樁支護，由于場地地下水位較淺，沿基坑四周設(shè)置單排水泥土攪拌樁止水帷幕；坑內(nèi)采用管井疏干降水，坑外采用回灌井回灌地下水。

圖2 基坑支護剖面

1.3 施工工況

該工程具體施工措施是先進行支護樁和止水帷幕施工，然后采用降水井降水，最后進行分步開挖和圍護結(jié)構(gòu)支撐布置，由于基坑北側(cè)開挖深度較深(開挖22.0m)，本文主要對東西走向基坑南北側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)變形進行分析，該處主要施工工況如表2所示。

表2 施工工況

1.4 不對稱荷載分布特征

基坑圍護樁主要受到基坑兩側(cè)土體開挖產(chǎn)生的主動土壓力以及坡頂堆載，該項目深基坑開挖形狀不規(guī)則，由于南部兩側(cè)土體的開挖，導(dǎo)致基坑北側(cè)土壓力產(chǎn)生的荷載大于基坑南側(cè)土壓力產(chǎn)生的荷載，受基坑兩側(cè)荷載大小差距的影響，北部荷載通過支撐傳力給基坑南側(cè)，使基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生背離開挖側(cè)變形，不規(guī)則內(nèi)支撐圍護結(jié)構(gòu)在開挖下的受力與變形形式如圖3所示。

圖3 基坑圍護結(jié)構(gòu)受力

為研究不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖產(chǎn)生的不對稱荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響，選取基坑南側(cè)、北側(cè)部分冠梁水平位移和樁體深層水平位移監(jiān)測點進行分析。

2 實測數(shù)據(jù)

主要選取基坑北側(cè)W6～W9冠梁水平位移監(jiān)測點、CX4深層水平位移監(jiān)測點，基坑南側(cè)W15～W17冠梁水平位移、CX8深層水平位移監(jiān)測點進行實測數(shù)據(jù)分析，其中水平位移正值代表向開挖側(cè)位移，負值相反。

2.1 冠梁水平位移分析

1)基坑南北兩側(cè)冠梁位移隨時間變化的時程曲線如圖4,5所示，其中基坑北側(cè)W6～W9監(jiān)測點水平位移整體向開挖側(cè)方向位移，基坑南側(cè)與北側(cè)相反，整體位移向背離開挖側(cè)移動，主要原因是由于整個基坑的不規(guī)則性，基坑南部兩側(cè)土體開挖，基坑北部整體荷載大于基坑南部，北部基坑荷載通過支撐傳力給基坑南部，使得基坑兩側(cè)受力不均，導(dǎo)致基坑向荷載較小一側(cè)發(fā)生側(cè)移。

圖4 北部冠梁水平位移時程曲線

圖5 南部冠梁水平位移時程曲線

2)基坑北側(cè)W7監(jiān)測點水平位移最大，最大水平位移為27.0mm，由于W7監(jiān)測點位于基坑中部位置，受基坑空間效應(yīng)影響較小，導(dǎo)致位移偏大。W9監(jiān)測點位移較小，主要是由于W9監(jiān)測點位置相對于其他監(jiān)測點開挖深度較淺(開挖16m)，整個冠梁的水平位移在每層土體開挖過程中增量最大，當開挖至基底處，變形處于平穩(wěn)狀態(tài)。

3)基坑南側(cè)冠梁水平位移的增量趨勢與北側(cè)變形相似，水平位移的增長主要出現(xiàn)在基坑開挖狀態(tài)下，后期變形趨勢逐漸穩(wěn)定。其中W15監(jiān)測點受到不對稱荷載作用更為明顯，W15監(jiān)測點由于基坑不對稱開挖，受到基坑北部較大荷載的作用。

2.2 樁身側(cè)向變形規(guī)律

1)基坑南北兩側(cè)樁體深層水平位移隨時間變化的時程曲線如圖6,7所示，其中不同側(cè)的監(jiān)測點樁體位移趨勢相反，CX4監(jiān)測點樁位移趨勢向開挖側(cè)，CX8監(jiān)測點樁位移隨著開挖樁上部逐漸向背離開挖側(cè)位移，基坑兩側(cè)樁體的變化趨勢不同。同時由于樁頂混凝土支撐在樁后土壓力作用下產(chǎn)生了較大的軸力，樁頂混凝土撐對北部樁的變形產(chǎn)生抑制作用，使得基坑北側(cè)圍護樁基底以上產(chǎn)生“大肚”狀，而南側(cè)基坑兩側(cè)開挖引起荷載減小，基坑北側(cè)荷載較大，混凝土支撐向基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)擠壓，使得基坑南側(cè)圍護樁出現(xiàn)背離開挖側(cè)的變形。

圖6 CX4測斜點位移-深度曲線

圖7 CX8測斜點位移-深度曲線

2)基坑的不規(guī)則開挖，使基坑南北兩側(cè)產(chǎn)生的不對稱荷載導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)不同側(cè)產(chǎn)生不對稱變形。由于支撐在北部荷載作用下整體向南部移動，使得基坑北側(cè)變形較大，南部變形較基坑北側(cè)變形小，CX4處樁體水平位移出現(xiàn)在基底以上位置，最大值為37.0mm，CX8處樁體水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂位置處，最大變形為13.5mm，根據(jù)不規(guī)則基坑開挖產(chǎn)生的不對稱荷載對位移結(jié)構(gòu)變形實測數(shù)據(jù)分析，可以看出荷載較大一側(cè)樁體位移較大，在實際設(shè)計中要適當增大該側(cè)的支護樁直徑或減小支護樁間距，防止荷載較大一側(cè)圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

3 有限元模型建立

為進一步研究不規(guī)則基坑開挖引起的基坑兩側(cè)不對稱荷載對深基坑內(nèi)支撐圍護結(jié)構(gòu)的影響，建立有限元模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比分析。

3.1 模型建立

圖8 基坑支護有限元模型

關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)板單元厚度的選取，由PLAXIS 3D基礎(chǔ)教程中等效剛度理論，將支護樁等效為板單元計算，通過式(1)將支護樁轉(zhuǎn)換為板單元的厚度計算。

(1)

式中：D為灌注樁直徑(mm)；t為樁間距(mm)；h為折算板的厚度(mm)。

3.2 開挖工況模擬

主要研究不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖造成的不對稱荷載對圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)的變形影響，實際施工過程中坡頂不存在土體堆載，數(shù)值模擬的具體工況如表3所示。

表3 模擬概況信息

3.3 樁體深層水平位移分析

分工況對本基坑開挖進行數(shù)值模擬，選擇基坑北側(cè)CX4測斜孔以及基坑南側(cè)CX8測斜孔位置進行變形監(jiān)測，模擬不規(guī)則內(nèi)支撐基坑在開挖工況下基坑兩側(cè)樁體的變形趨勢，數(shù)值模擬得到的CX4，CX8測斜孔在不同工況下的深層水平位移如圖9，10所示。

圖9 CX4測斜點位移-深度模擬曲線

圖10 CX8測斜點位移-深度模擬曲線

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：數(shù)值模擬得到的基坑北側(cè)以及基坑南側(cè)樁體的深層水平位移變形趨勢與實測數(shù)據(jù)相似，數(shù)值上的差距主要是由于現(xiàn)場工況復(fù)雜，對圍護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定擾動。基坑北側(cè)CX4測斜點，樁體最大水平位移出現(xiàn)在基底以上位置，在工況2到工況3下水平位移增長速率最大，由21.0mm增長至27.0mm，后期隨著內(nèi)支撐的支護作用，變形增長趨勢逐漸減小，開挖至基底時最大變形增長至29.0mm，位移增長趨勢與實測數(shù)據(jù)變形大體一致。位于基坑南側(cè)的CX8測斜點，同樣由于不規(guī)則基坑開挖，基坑北側(cè)產(chǎn)生的荷載整體大于基坑南側(cè)，由基坑北側(cè)產(chǎn)生的土壓力通過混凝土支撐傳力到基坑南側(cè)，使得基坑南側(cè)樁體在樁體上方出現(xiàn)背離開挖側(cè)的變形，開挖至基底時，樁頂背離開挖側(cè)變形達到7.0mm，在基坑下部樁體向基坑開挖側(cè)變形，從位移-深度曲線看出，對于不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖，開挖造成荷載較大一側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)向基坑開挖側(cè)的變形，且變形值較大，在基坑圍護結(jié)構(gòu)施工設(shè)計時，需要增大該側(cè)支護樁的直徑或減小樁間距來減小圍護結(jié)構(gòu)位移，數(shù)值模擬得到的位移曲線變形趨勢與工程實測大體一致，反映了數(shù)值模擬在一定程度上的準確性，可以為后期基坑數(shù)值模擬研究提供一定的參考。

4 支護結(jié)構(gòu)變形控制

本工程在施工過程中，開挖土體沒有堆載于基坑坡頂附近，若假設(shè)土體在施工過程中，開挖土體堆載于基坑南側(cè)坡頂位置處，來抵消不規(guī)則基坑開挖時引起的北側(cè)較大荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值模擬階段在基坑南側(cè)距離坡頂5m位置處沿東西方向布置寬度20m的坡頂堆載(模擬時用面荷載來模擬)，由于開挖過程中土體不斷堆載，荷載不斷增加，在模擬階段設(shè)置工況1(施加20kPa)，工況2(施加40kPa)，工況3(60kPa)，工況4(80kPa)，工況5(100kPa)，從而抵抗由不規(guī)則基坑開挖引起的不對稱荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)的變形影響。

4.1 基坑南部土體堆載下樁體位移分析

數(shù)值模擬得到的基坑兩側(cè)CX4，CX8測斜點隨工況的深層水平位移如圖11，12所示。

圖11 CX4測斜點位移-深度模擬曲線

圖12 CX8測斜點位移-深度模擬曲線

當基坑南部作用坡頂堆載時，可以看出基坑南北圍護結(jié)構(gòu)的變形大體呈對稱分布，隨著基坑開挖，樁體深層水平位移大致呈“大肚狀”分布，總體變形趨勢與對稱荷載下內(nèi)支撐圍護結(jié)構(gòu)變形相似，在工況2到工況3下變形增長速率最快，后期隨著內(nèi)支撐的施工，對圍護結(jié)構(gòu)樁體位移的抑制，變形增長較小，同時在南側(cè)堆載作用下基坑北側(cè)CX4測斜點的深層水平位移由原來無堆載時的29mm減小到現(xiàn)在的20.5mm，減小約29.3%，基坑南部的堆載可以有效減小由不規(guī)則基坑開挖引起的基坑北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形，基坑南側(cè)CX8測斜點在坡頂堆載的作用下整體出現(xiàn)向基坑開挖側(cè)的變形，土體堆載下能夠有效控制不規(guī)則基坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)的變形影響，整體變形趨勢與基坑北側(cè)相似。通過模擬數(shù)據(jù)顯示，在內(nèi)支撐支護下，基坑不規(guī)則開挖狀態(tài)下開挖過程中可能會產(chǎn)生不對稱荷載，對基坑圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，在內(nèi)支撐支護設(shè)計時可以通過多種措施來減小不規(guī)則基坑開挖產(chǎn)生的基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。

4.2 基坑南部作用土體堆載下樁體彎矩分析

在基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，圍護結(jié)構(gòu)的彎矩大小對基坑的整體穩(wěn)定性尤其重要，選取基坑南北側(cè)中部位置，對基坑南北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)在南側(cè)坡頂處施加土體堆載下與無堆載下兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的彎矩大小進行分析(見圖13,14)。

圖13 基坑北側(cè)樁體彎矩

圖14 基坑南側(cè)樁體彎矩

從圖13，14可以看出，當不規(guī)則基坑坡頂南側(cè)不堆放土體堆載時，由于基坑不規(guī)則開挖引起的不對稱荷載使基坑北側(cè)變形較大，此時基坑北側(cè)圍護彎矩最大值為2 100kN·m，大于基坑南側(cè)的最大彎矩(1 500kN·m)，當基坑開挖的土體堆載于南側(cè)坡頂時，此時基坑兩側(cè)位移基本呈對稱分布，基坑北側(cè)的最大彎矩為1 600kN·m，減小約23.8%，北側(cè)位移與彎矩均減小，不規(guī)則開挖會使基坑整體向荷載較小方向發(fā)生偏移，當在荷載較小側(cè)坡頂作用土體堆載時，能夠有效減小荷載較大側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力。

5 結(jié)語

通過對某不規(guī)則深基坑的冠梁水平位移與樁體深層水平位移的監(jiān)測結(jié)果以及數(shù)值模擬分析，不規(guī)則內(nèi)支撐基坑變形具有以下特點。

1)在不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖下，基坑開挖兩側(cè)會產(chǎn)生不對稱荷載，導(dǎo)致開挖兩側(cè)樁體變形趨勢不同，基坑整體出現(xiàn)向荷載較小一側(cè)的側(cè)移，荷載較大一側(cè)樁體產(chǎn)生向開挖側(cè)位移，變形較大，荷載較小一側(cè)產(chǎn)生背離開挖側(cè)變形。

2)基坑圍護結(jié)構(gòu)變形受空間效應(yīng)影響較大，表現(xiàn)為基坑中部位置變形大，兩邊變形小。

3)通過PLAXIS 3D計算得到的基坑圍護結(jié)構(gòu)變形與實測變形趨勢大體一致，同時在不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖下較小一側(cè)施加坡頂土體堆載，可以有效減小開挖引起的荷載較大側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的變形與彎矩。