考慮空間效應(yīng)的深長(zhǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形分析

邱力杰，尹平保，王禮華，史豪杰，陳卓異

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530031；3.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410021）

隨著中國(guó)城市地下空間開發(fā)與施工水平的提高，大型地鐵車站與長(zhǎng)距離明挖隧道等深長(zhǎng)基坑工程不斷出現(xiàn)。和普通基坑相比，深長(zhǎng)基坑的長(zhǎng)度、寬度更大，且在施工過(guò)程中，為增加施工斷面，常采用分段、分層的方式進(jìn)行開挖。在施工設(shè)計(jì)過(guò)程中，也常將基坑簡(jiǎn)化為平面進(jìn)行計(jì)算。但深長(zhǎng)基坑在開挖面附近的土應(yīng)力與其余位置的土應(yīng)力有很大區(qū)別，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形存在明顯的空間效應(yīng)。若將深長(zhǎng)基坑簡(jiǎn)化為二維平面進(jìn)行分析，顯然無(wú)法準(zhǔn)確地反映深基坑的受力與變形的實(shí)際情況。因此，有必要考慮基坑的空間效應(yīng)，對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

基坑的空間效應(yīng)是指由于基坑與其支護(hù)體系受力狀態(tài)的不同，使基坑不同位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)與受力變形間相互影響，進(jìn)而發(fā)生改變的性質(zhì)［1］。目前，學(xué)者們主要使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析［2-5］、理論計(jì)算［6-8］及數(shù)值模擬［9-10］等手段，對(duì)基坑空間效應(yīng)進(jìn)行研究，其研究對(duì)象大多是方形、長(zhǎng)條形或異形基坑。其中，大型深長(zhǎng)基坑多采用分段、分層的方式進(jìn)行開挖［11］，對(duì)采用分段式開挖的深長(zhǎng)基坑工程進(jìn)行空間效應(yīng)分析的研究相對(duì)較少。楊麗春等［12］以超長(zhǎng)基坑為研究對(duì)象，考慮其基坑空間效應(yīng)，分析了開挖方式與開挖長(zhǎng)度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及坑底隆起的影響。吳志敏等［13］分別采用分段、分層開挖的方式，建立了開挖平面為20 m×20 m的基坑數(shù)值模型，揭示了在空間效應(yīng)影響下，深長(zhǎng)基坑的變形特點(diǎn)及土釘軸力變化規(guī)律。一些學(xué)者還對(duì)基坑空間效應(yīng)的影響因素進(jìn)行研究。俞曉等［14］通過(guò)建立不規(guī)則超大深基坑的數(shù)值模型，研究了內(nèi)支撐對(duì)基坑空間效應(yīng)的影響。劉念武等［15］分析了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了在不同基坑圍護(hù)形式下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊地表沉降的空間效應(yīng)。俞建霖等［16］研究了基坑尺寸大小對(duì)空間效應(yīng)的影響規(guī)律，確定了基坑的臨界長(zhǎng)寬比。該臨界長(zhǎng)寬比能決定基坑空間效應(yīng)的作用范圍。FINNO［17］通過(guò)分析150個(gè)基坑的數(shù)值模型，得到了基坑長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)度與開挖深度比、圍護(hù)系統(tǒng)剛度及基坑底抗隆起安全系數(shù)4個(gè)影響基坑空間效應(yīng)的主要因素。OU等［18］基于三維基坑模型中長(zhǎng)邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的最大值與二維模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值之比，研究了基坑長(zhǎng)寬比與距坑角間距對(duì)基坑變形的影響。

綜上所述，目前對(duì)于基坑空間效應(yīng)的研究多集中在方形或異形基坑的坑角效應(yīng)分析方面，研究者大多關(guān)注基坑設(shè)計(jì)尺寸大小、基坑施工時(shí)序、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等因素對(duì)基坑的空間效應(yīng)影響。采用分段開挖方式進(jìn)行開挖的深長(zhǎng)基坑，在開挖面位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，主要依靠土體與鄰近支撐體系來(lái)維持其穩(wěn)定，這與具有較大系統(tǒng)剛度的基坑坑角處的情況有較大區(qū)別。因此，對(duì)于分段開挖的深長(zhǎng)基坑，很有必要開展其圍護(hù)結(jié)構(gòu)在各影響因素下的受力及變形分析。本研究針對(duì)深圳市公常路下穿改造工程深基坑開挖，通過(guò)開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，以圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體水平位移、圍護(hù)樁彎矩及周邊地表沉降值作為控制指標(biāo)，分析該基坑周邊超載、圍護(hù)樁樁徑以及鋼支撐預(yù)加力等因素對(duì)基坑空間效應(yīng)的影響。

1 工程概況

深圳市公常路中山大學(xué)深圳校區(qū)段下穿改造工程位于深圳市光明區(qū)新湖街道，全長(zhǎng)為3.56 km，其所在區(qū)域土體主要由雜填土、有機(jī)質(zhì)黏土、中砂、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖等組成。選取其K2+000～K2+120段基坑進(jìn)行研究。該基坑長(zhǎng)為120.0 m，寬為29.0 m，開挖深度為17.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁徑為1.2 m，樁間距為1.5 m的鉆孔灌注樁，0.8 m旋噴樁進(jìn)行樁間咬接和止水。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用三道支撐，其中，第一道為砼支撐，其水平間距為9.0 m；第二道和第三道均采用鋼支撐，其水平間距均為3.0 m。在該基坑中間，設(shè)置520 mm×520 mm的鋼格構(gòu)立柱，該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。采用明挖順作法進(jìn)行基坑施工，對(duì)基坑分段、分層開挖，其中，分段長(zhǎng)度約為20.0～30.0 m，分層高度約為6.0 m。在開挖過(guò)程中，對(duì)圍護(hù)樁掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面，開挖至設(shè)計(jì)高程后，及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加預(yù)加軸力。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（單位：m）Fig.1 Schematic of propping structure of excavation（Unit：m）

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)設(shè)置

采用Midas GTS有限元軟件，對(duì)K2+000～K2+120段深基坑的開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。基坑及其圍護(hù)模型如圖2所示。該數(shù)值模型的尺寸大小為130 m×170 m×50 m，其中，基坑數(shù)值模型的尺寸大小為29 m×116 m×25 m，基坑開挖深度為17.5 m，支護(hù)樁嵌固深度為7.5 m。采用梁?jiǎn)卧M冠梁、砼支撐、鋼支撐、鋼圍檁、立柱樁等；采用板單元模擬圍護(hù)排樁?？紤]該工程的特點(diǎn)，按修正等剛度法［19］將咬合排樁等效為0.93 m厚的板；采用HS實(shí)體單元模擬基坑周圍土體。對(duì)模型四周施加邊界約束，對(duì)開挖基坑無(wú)支撐面施加法向位移約束。整個(gè)數(shù)值模型共127 506個(gè)單元，74 198個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮施工車輛對(duì)基坑的影響，在坑頂?shù)乇硎┘?0 kPa的均布荷載。各土層材料參數(shù)見(jiàn)表1。在表1中，γunast為有效土重度，Eref50為三軸切線模量，Erefoed為固結(jié)切線模量，Erefur為卸載再加載切線模量，c為黏聚力，?為內(nèi)摩擦角；CL1表示人工填土；CL2表示有機(jī)質(zhì)黏土；CL3表示中砂；CL4表示砂質(zhì)黏性土；CL5表示全風(fēng)化混合花崗巖；CL6表示土狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。模型計(jì)算工況與實(shí)際開挖工況一致，具體施工模擬步驟見(jiàn)表2。

表1 土層參數(shù)設(shè)置表Table 1 Table of soil parameters

表2 施工模擬步驟Table 2 Construction simulation steps

圖2 基坑支撐結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of support structure and propping structure of excavation

2.2 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段對(duì)基坑圍護(hù)樁的樁體水平位移及地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置平面和斷面分別如圖3～4所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置平面Fig.3 Plan view of layout of monitoring points

圖4 測(cè)點(diǎn)布置斷面Fig.4 Sectional view of layout of monitoring points

將圖3中開挖面附近的樁體水平位移測(cè)點(diǎn)SCX33及基坑中段測(cè)點(diǎn)SCX34的水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 SCX33、SCX34樁體水平位移的變化曲線Fig.5 Horizontal displacement curves of SCX33 and SCX34

從圖5可以看出，SCX33及SCX34監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樁體水平位移與有限元模型模擬的數(shù)值較接近，表明數(shù)值模擬結(jié)果能較好地反映實(shí)際工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況。其中，最大樁體水平位移監(jiān)測(cè)值均略大于最大模擬值，這是因?yàn)樵撚邢拊Ｐ蛯o(hù)樁等效為地下連續(xù)墻進(jìn)行計(jì)算，使得模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性更好。對(duì)比SCX33及SCX34監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樁體水平位移監(jiān)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)SCX33各深度的樁體水平位移值均小于SCX34的，這是因?yàn)殚_挖面附近未開挖土體與支撐共同作用于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形在開挖面附近的空間效應(yīng)較為明顯。

將圖3中開挖面附近樁體水平位移測(cè)點(diǎn)SDB35及基坑中段測(cè)點(diǎn)SDB36的水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果繪制成曲線，如圖6所示。

圖6 SDB35、SDB36地表沉降變化曲線Fig.6 Ground surface settlement curves of SDB35、SDB36

從圖6可以看出，SDB35及SDB36監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，其地表沉降最大值的出現(xiàn)位置均在距基坑邊11 m附近。SDB35及SDB36監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果均略大于對(duì)應(yīng)位置的有限元模擬結(jié)果，這是由于實(shí)際工程中基坑周邊不確定荷載較復(fù)雜，有限元模型中無(wú)法考慮到所有的周邊荷載。

從圖6中還可以看出，在基坑空間效應(yīng)的影響下，開挖面附近地表沉降均小于基坑中部的地表沉降。

3 影響因素分析

3.1 影響因素分析方案

為探討在空間效應(yīng)影響下，地面超載、圍護(hù)樁樁徑及鋼支撐預(yù)加力三因素對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、樁身彎矩及地表沉降的影響，制定影響因素分析方案，結(jié)果見(jiàn)表3。在表3中，當(dāng)僅針對(duì)某一影響因素進(jìn)行分析時(shí)，僅以該影響因素的參數(shù)作為單一變量，其余參數(shù)設(shè)置與基坑及圍護(hù)模型參數(shù)一致。表3及后續(xù)研究均基于基坑開挖土層至基坑底的工況7展開。

表3 影響因素分析方案表Table 3 Scheme of parameters analysis

3.2 地面超載的影響

將不同超載情況下，該模型長(zhǎng)邊中部及端部各控制指標(biāo)的變化曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分別如圖7～9所示。

圖7 不同超載下圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體的水平位移Fig.7 Horizontal displacement of retaining structure under different surcharge

從圖7可以看出，基坑周邊超載對(duì)基坑不同位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均有較大影響。隨著周邊超載的增大，基坑開挖面以上的樁體水平位移逐漸增大，樁體最大水平位移的發(fā)生位置逐漸上移，支護(hù)樁變形曲線逐漸由“凸肚”形轉(zhuǎn)化為前傾形。在支護(hù)樁17.5 m深度以下，由于周邊土體對(duì)圍護(hù)樁的嵌固作用，支護(hù)樁變形較小?；佣瞬繕扼w在不同超載下的水平位移均小于基坑中部的，地面超載的增大將提高空間效應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的限制作用。

對(duì)比圖8（a）及圖8（b）的彎矩，可知：周邊超載的變化對(duì)基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的影響程度大于其對(duì)基坑端部圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的影響程度。

圖8 不同超載下圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩Fig.8 Bending moment of retaining structure under different surcharges

從圖9可以看出，隨著周邊超載的增加，基坑周邊施加超載區(qū)域（距基坑0～20 m）的地表沉降在不斷增加，平均周邊超載每增加20 kPa，基坑長(zhǎng)邊中部、端部的最大沉降點(diǎn)的沉降分別增加約8、4 mm。周邊超載的變化對(duì)基坑中部的地表沉降影響程度大于基坑端部的。由于基坑端部土體的約束，地表沉降表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)。

圖9 不同超載下周邊地表沉降變化情況Fig.9 Ground surface settlement under different surcharges

3.3 圍護(hù)樁樁徑的影響

為分析圍護(hù)樁樁徑對(duì)基坑空間效應(yīng)影響，統(tǒng)計(jì)在不同樁徑下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩及周邊地表沉降的計(jì)算結(jié)果，其對(duì)比曲線分別如圖10～12所示。

圖10 不同樁徑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體的水平位移Fig.10 Horizontal displacement of retaining structure under different diameters of the fender pile

從圖10可看出，隨著圍護(hù)樁樁徑的增大，基坑端部及中部的樁體水平位移均逐漸減小，當(dāng)樁徑增大到一定范圍后，其對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制的效果逐漸不明顯。在不同樁徑下，基坑中部及其端部的變形曲線基本一致，表明圍護(hù)樁樁徑的變化對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的空間效應(yīng)影響不大。

從圖11可以看出，支護(hù)樁樁徑的變化對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩影響顯著。當(dāng)圍護(hù)樁樁徑由0.6 m增至1.4 m時(shí)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊的中部與端部15.5 m深度處的彎矩差值分別為11.8、23.9、45.0、75.8和117.8 kN?m。因此，當(dāng)圍護(hù)樁的樁徑大于0.8 m時(shí)，樁徑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的影響較為明顯。

圖11 不同樁徑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩Fig.11 Bending moment of retaining structure under different diameters of the fender pile

從圖12可看出，圍護(hù)樁樁徑變化對(duì)基坑周邊地表沉降影響較小。當(dāng)樁徑由1.4 m減至0.6 m時(shí)，基坑中部周邊地表沉降最大值減小幅度僅為8.5%。在不同樁徑下，基坑中部及端部最大地表沉降量較近，圍護(hù)樁樁徑的變化對(duì)基坑空間效應(yīng)影響程度較小。

圖12 不同樁徑的周邊地表沉降變化情況Fig.12 Ground surface settlement under different diameters of the fender pile

綜上所述，圍護(hù)樁樁徑的改變對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的空間效應(yīng)影響顯著；對(duì)周邊地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的空間效應(yīng)影響不大。這是因?yàn)闃稄阶兓瘜⒅苯訉?dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎剛度的變化，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩隨之改變。而圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、周邊地表沉降與支撐剛度及周邊土層參數(shù)等因素間均有諸多關(guān)聯(lián)，在支撐體系穩(wěn)定的情況下，樁徑對(duì)其空間效應(yīng)影響不突出。

3.4 鋼支撐預(yù)加力的影響

為分析鋼支撐預(yù)加力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，繪制在不同預(yù)加軸力下支護(hù)樁變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩變化及周邊地表沉降變化曲線，分別如圖13～15所示。

圖13 不同預(yù)加力的圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體的水平位移Fig.13 Horizontal displacement of retaining structure under different pre-axial loads

從圖13可以看出，隨著鋼支撐預(yù)加力的增大，圍護(hù)樁樁體水平位移逐漸減小，平均每增大10%鋼支撐預(yù)加軸力，基坑端部及中部樁體水平位移最大值減小約0.4 mm，鋼支撐預(yù)加力對(duì)基坑變形的空間效應(yīng)影響不顯著。

從圖14可以看出，兩處圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩變形趨勢(shì)相近，隨著鋼支撐預(yù)加軸力的增大，基坑底19 m深度以下，嵌固段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩的絕對(duì)值逐漸減小，在第一道鋼支撐位置的負(fù)彎矩的絕對(duì)值增大，第二道鋼支撐位置的正彎矩減小。在對(duì)兩個(gè)位置的彎矩圖進(jìn)行對(duì)比后，可知：當(dāng)鋼支撐預(yù)加力由0增加至80%的設(shè)計(jì)軸力值時(shí)，基坑中部、端部圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大正彎矩減小幅度分別為15.8%、4.8%，最大負(fù)彎矩絕對(duì)值的減小幅度分別為48.1%、39.7%。因此，鋼支撐預(yù)加力對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩有一定影響，但其對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的空間效應(yīng)作用效果不明顯。

從圖15可以看出，隨著鋼支撐預(yù)加軸力的增大，周邊地表沉降逐漸減小，平均每增大10%的設(shè)計(jì)值預(yù)加軸力，基坑端部、中部樁體水平位移最大值減小約為0.39、0.26 mm。這表明鋼支撐預(yù)加軸力的施加可以減小基坑周邊一定范圍內(nèi)的地表沉降，但其對(duì)基坑周邊地表沉降的空間效應(yīng)影響效果不明顯。

圖15 不同預(yù)加力的周邊地表沉降變化情況Fig.15 Ground surface settlement under different pre-axial loads

綜上所述，鋼支撐預(yù)加軸力的施加對(duì)基坑受力及變形的空間效應(yīng)影響均不明顯，這是該工程因?yàn)樵诂F(xiàn)有施工條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系已提供較有效的支撐，鋼支撐預(yù)加軸力對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形與受力影響均不大。

4 結(jié)論

本研究以深圳市公常路中山大學(xué)深圳校區(qū)段下穿改造工程K2+000～K2+120段基坑開挖過(guò)程為工程背景，采用Midas GTS有限元軟件，對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行模擬和計(jì)算，通過(guò)影響因素分析，得到以下結(jié)論：

1） 基坑周邊超載對(duì)圍護(hù)樁變形、彎矩及周邊地表沉降均有較顯著的影響；周邊超載的變化，對(duì)支護(hù)樁變形、樁身彎矩、支撐受力及周邊地表沉降的空間效應(yīng)有明顯影響。

2） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的空間效應(yīng)受圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁徑影響顯著；樁徑對(duì)基坑周邊地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移空間效應(yīng)的影響不明顯。

3） 對(duì)于該項(xiàng)目而言，通過(guò)調(diào)整鋼支撐預(yù)加軸力值對(duì)基坑變形、受力及周邊地表沉降的空間效應(yīng)的影響均不顯著。