不同臨河距離條件下深基坑變形與穩(wěn)定性分析

王小耿+李飛++張飛

摘 要：建立了臨河軟土深基坑抗隆起判斷的有限元數(shù)值分析模型，分析臨河基坑的變形性狀與抗隆起穩(wěn)定性，并對(duì)基坑臨河水位及臨河距離等因素進(jìn)行參數(shù)分析，探討圍護(hù)樁的水平位移和坑底隆起回彈變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，隨著河流水位的增加，圍護(hù)樁的水平變形與坑底回彈量也隨之增加，基坑土體的抗隆起穩(wěn)定性隨之降低；臨河距離大于2倍開挖深度時(shí)，臨河距離對(duì)基坑變形的影響幾乎可以忽略，但當(dāng)距離小到基坑挖深的1/2時(shí)，抗隆起穩(wěn)定性會(huì)急劇降低，基坑發(fā)生破壞。工程中應(yīng)注意到這兩種因素的綜合影響，采取適當(dāng)措施，控制基坑變形并提高基坑的抗隆起穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：臨河 水位 深基坑 變形 穩(wěn)定分析

中圖分類號(hào)：TU44；TU473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（b）-0009-06

隨著城市建設(shè)與地下軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，大量的深基坑工程開始涌現(xiàn)。由于發(fā)展的需要，不少基坑工程依水而建。此類基坑一方面由于非對(duì)稱荷載[1-3]的作用，會(huì)嚴(yán)重影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地表以及河堤的受力與變形，使變形呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài)，容易造成深基坑的失穩(wěn)[4]。另一方面又會(huì)由于河流滲流的影響[5]削弱土體強(qiáng)度，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力，同時(shí)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及止水防滲提出了更高的要求，增加了設(shè)計(jì)難度。而目前的一些研究著重于變形規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而對(duì)于在臨河非對(duì)稱荷載狀況下基坑的隆起穩(wěn)定分析卻鮮有涉及，文獻(xiàn)[6]對(duì)某河岸工程采用FLAC軟件模擬了河流水位上升對(duì)河岸基坑穩(wěn)定的影響，分析了河流水位上升對(duì)基坑土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。在臨河非對(duì)稱荷載狀態(tài)下的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與坑底土體的回彈量，土體的穩(wěn)定破壞機(jī)制與一般狀況下的基坑有很大的差異。因此研究不同臨河距離及河流水位下的深基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及基坑隆起穩(wěn)定的影響，對(duì)基坑位置選擇及工程中控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形具有指導(dǎo)意義。

該文根據(jù)鹽城濱海軟土地區(qū)某深基坑實(shí)例為背景，采用巖土工程有限元軟件Plaxis建立臨河非對(duì)稱荷載作用下的基坑變形與穩(wěn)定數(shù)值模型，分析不同臨河距離與河流水位等因素對(duì)深基坑變形性狀的影響，探討基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、坑底隆起回彈及抗隆起安全系數(shù)[7]的變化規(guī)律。

1 工程背景

鹽城先鋒國(guó)際廣場(chǎng)基坑工程，三面環(huán)水，北面緊鄰越河，距離約為10 m；西側(cè)與先鋒島三期住宅樓基坑相連接；南側(cè)臨近已建地下一層非機(jī)動(dòng)車庫(kù)，距離1.5 m。東側(cè)與現(xiàn)狀小海路立交橋相鄰。整個(gè)基坑面積14 000 m2，周長(zhǎng)520 m，基坑實(shí)際開挖深度為8.55～10.05 m。周圍環(huán)境下有管線分布，條件復(fù)雜。

基坑開挖深度內(nèi)，場(chǎng)地巖土層自上而下分布依次為：①0.5～3.0 m厚的雜填土層；②10.4～1.7 m厚的粉質(zhì)黏土層；②2A0.8～1.7 m厚粉土層；②25.9～9.6 m厚的淤泥質(zhì)土層；③3.3～6.3 m厚粘土層；④3.4～8.9 m厚粉土夾粉砂；⑤2.9～7.0 m厚粉土；⑥1.9～4.9 m厚粉質(zhì)黏土層。

2 臨河基坑數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模型與材料參數(shù)

該數(shù)值模型采用臨河側(cè)具有代表性的一個(gè)斷面進(jìn)行建模，基坑開挖寬度約為36 m，開挖深度為10 m，支護(hù)方式為Φ1000@1200鉆孔灌注樁加兩道鋼筋混凝土支撐，并采用三軸深攪拌樁做止水帷幕。

該文采用的Plaxis模擬計(jì)算中，土體本構(gòu)模型選取HS硬化模型，該模型為改進(jìn)的莫爾—庫(kù)倫模型，可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為[8]。該文模型中、、三者關(guān)系取值參照前人在HS模型方面已有的相關(guān)研究[9]。采用平面單元模擬土體，桿單元模擬鋼筋混凝土支撐，鉆孔灌注樁根據(jù)抗彎剛度等效的原則，采用等效厚度的板單元進(jìn)行模擬。支撐的抗壓剛度為EA=1.228×107kN，等效后的樁軸向剛度EA= 2.485×107 kN/m，抗彎剛度EI=1.288×106 kN/m2。樁與周圍土體的接觸用界面單元來模擬，界面強(qiáng)度折減系數(shù)取0.7，參考文獻(xiàn)[4]中河流水壓力的處理方法是把河岸與河底受到的水壓力用同樣大小的外力荷載來模擬?；幼笥疫吔缡┘铀郊s束，底部邊界施加水平與豎向約束，巖土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元來模擬，基坑模型網(wǎng)格圖如圖1所示。根據(jù)土層分布的性質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)性質(zhì)相近的土層進(jìn)行合并簡(jiǎn)化，相關(guān)土層參數(shù)見表1。

2.2 模擬基坑開挖方案

工程中基坑所處位置距離越河12 m，河流水位距離地表1 m。該文將從0 m、-1 m、-2 m、-3 m四個(gè)不同河流水位變化來分析河流水位升降對(duì)基坑變形及其隆起穩(wěn)定的影響。然后再改變臨河距離，建立臨河3 m、5 m、7 m、12 m、17 m，22 m……的模型繼續(xù)探討?；娱_挖第一層土體到支撐底下1 m處，加設(shè)一道支撐，并對(duì)下一層土體進(jìn)行疏干降水，然后繼續(xù)開挖加設(shè)支撐直到基坑底部。

3 臨河基坑隆起穩(wěn)定狀態(tài)

3.1 基坑變形狀態(tài)

以臨河12 m、河流水位為-1 m的基坑為例，基坑開挖到坑底以后，其臨河與背河兩側(cè)圍護(hù)樁的水平位移如圖2所示，圖中可以發(fā)現(xiàn)兩者的水平位移十分接近，背河一側(cè)圍護(hù)樁的水平位移略大于臨河一側(cè)，最大位移出現(xiàn)在沿樁長(zhǎng)約2/3處。而文獻(xiàn)[10]中臨河側(cè)的位移要大于背河側(cè)的位移，造成這一差別的原因可能是此模型中的臨河距離小，同時(shí)河流水位不高，導(dǎo)致臨河側(cè)樁身所受壓力小于背河側(cè)樁身壓力。

基坑底部土體下0.5 m處的隆起回彈量如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，基坑底部的最大回彈量出現(xiàn)在距離坑壁約5 m處，達(dá)27.5 mm，在距離坑壁約8 m到基坑中心的一段區(qū)域中，基坑底部回彈量幾乎保持不變。

3.2 基坑破壞狀態(tài)

基坑在開挖卸載與河流壓力的共同作用下最終位移增量云圖如圖4所示，基坑土體位移增量矢量圖如圖5所示。從圖4中可以看出基坑臨河一側(cè)土體的位移增量遠(yuǎn)大于背河一側(cè)的土體，且位移增量區(qū)域更加集中。從圖5中類似地發(fā)現(xiàn)位移從河堤處向下發(fā)展繞過支護(hù)樁后在坑底部向上隆起，背河一側(cè)的變化趨勢(shì)與臨河側(cè)相似，位移增量區(qū)域面積比臨河側(cè)更大，但最終的位移增量要小于臨河一側(cè)。可能是臨河側(cè)由于河流水壓力的約束限制了河流底部土體位移的發(fā)展，但背河一側(cè)沒有水壓力，所以受基坑開挖影響而發(fā)生位移的區(qū)域更大。

4 河流水位與臨河距離對(duì)基坑變形的影響

前面分析了臨河基坑的變形及其破壞狀態(tài)，與一般基坑的變形相比差異顯著，尤其在破壞狀態(tài)的時(shí)候。接下來將探討臨河水位與臨河距離對(duì)基坑變形及其穩(wěn)定性的影響。

4.1 河流水位的影響

該文模擬了河流水位從河底-3 m上升到地表0 m的4種不同工況，不同河流水位下基坑兩側(cè)圍護(hù)樁的水平位移變化規(guī)律如圖6（a）、6（b）所示。從圖6（a）中可以看出，當(dāng)河流水位為-3 m時(shí)，樁體的位移最小，隨著河流水位的上升，圍護(hù)樁的位移逐漸增大，當(dāng)水位從-3 m上升到-2 m時(shí)，圍護(hù)墻最大水平位移增大了10.1%，從-2 m上升到-1 m時(shí)，圍護(hù)樁最大水平位移增加了14.0%，從-1 m上升到0 m，時(shí)圍護(hù)樁的最大水平位移增加了22.0%，變化幅度逐漸遞增。圖6（b）中，背河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化與臨河側(cè)呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，水位從-3 m上升到0 m時(shí)，每上升1 m，相應(yīng)圍護(hù)樁的最大水平位移增量為2.1%、3.4%和6.8%，遠(yuǎn)小于臨河一側(cè)的增量?？赡苁桥R河側(cè)的水位上升會(huì)帶來水壓力的增加，加大了臨河側(cè)土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。

不同河流水位下基坑底部隆起回彈量變化規(guī)律如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著河流水位的上升，基坑底部下0.5 m處的回彈量也逐漸增加，最大回彈量發(fā)生的位置也發(fā)生改變，在水位-2 m、-3 m的情況下，基坑底部的最大回彈位移發(fā)生在基坑中心處。在水位升高到-1 m、0 m時(shí)，水壓力增大，坑內(nèi)土體受到的圍護(hù)樁的壓力也隨之增大，坑底的最大位移出現(xiàn)在距離基坑邊緣約5 m處，越往基坑中心位移越少，呈現(xiàn)馬鞍形，河流水位的上升加大了坑底靠近臨河一側(cè)的土體隆起量。

通過強(qiáng)度折減法計(jì)算的抗隆起安全系數(shù)與坑底隆起量的關(guān)系曲線如圖8所示。當(dāng)河流水位逐漸上升，基坑抗隆起安全系數(shù)逐漸降低。當(dāng)水位上升到0 m時(shí)，安全系數(shù)降低明顯，此時(shí)對(duì)應(yīng)的圍護(hù)樁位移也增加很多，坑底處已經(jīng)產(chǎn)生大量的隆起位移。強(qiáng)度折減計(jì)算中，圖示僅說明基坑的破壞狀態(tài)，圖中曲線對(duì)應(yīng)坑底位移無實(shí)際意義。

4.2 臨河距離的影響

該文模擬了河流水位-1 m時(shí)基坑在臨河5 m、7 m、12 m、17 m、22 m、27 m、32 m幾種不同工況下的基坑開挖對(duì)圍護(hù)樁變形及土體穩(wěn)定性的影響，不同臨河距離下基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形如圖9（a）、9（b）所示。由圖9（a）中看出，不同臨河距離下，臨河側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化規(guī)律較為一致，樁的最大水平位移出現(xiàn)在沿樁身約2/3處，隨著臨河距離的增加，水平位移逐步增大，當(dāng)臨河距離達(dá)到22 m（約兩倍的基坑開挖深度）時(shí)，變化的幅度變得很小，距離大于22 m后，樁的水平位移幾乎相同。圖9（b）中，背河側(cè)的圍護(hù)樁的變形曲線基本相同，從臨河5～32 m，圍護(hù)樁的最大水平位移僅變化了1.1%，影響幾乎可以不計(jì)。

臨河距離與基坑底部回彈量的變化關(guān)系如圖10所示，臨河距離對(duì)于基坑底部回彈量的影響集中體現(xiàn)在臨河一側(cè)附近的回彈量，在臨河側(cè)距離坑壁5 m處的隆起量隨著臨河距離的變大而增加，距離到達(dá)約兩倍基坑深度時(shí)，回彈量趨于一致。

不同臨河距離坑底隆起量與抗隆起安全系數(shù)變化規(guī)律如圖11所示，當(dāng)臨河距離大于5 m時(shí)隨著臨河距離的增大，抗隆起安全系數(shù)基本保持不變；當(dāng)把臨河距離縮小為3 m進(jìn)一步計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基坑開挖到第二層土?xí)r，整個(gè)計(jì)算過程變得十分緩慢，達(dá)到設(shè)定計(jì)算步數(shù)時(shí)仍未算完，增加計(jì)算步數(shù)，仍有不收斂的趨勢(shì)?？梢耘卸ㄍ馏w已經(jīng)達(dá)到破壞狀態(tài)，該步驟后坑底的最大隆起位移達(dá)到248.0 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他距離下的坑底隆起位移。

5 結(jié)論

（1）臨河基坑破壞時(shí)的滑裂面從河提往下延伸，繞過圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部向上發(fā)展的一條曲線，河流的水壓力限制了河流底部土體位移的產(chǎn)生，使得位移發(fā)生區(qū)域集中在河堤與基坑圍護(hù)樁之間，同時(shí)也使得臨河側(cè)土體沉降位移遠(yuǎn)大于背河一側(cè)。

（2）基坑圍護(hù)樁的變形隨著河流水位的升高而增大，增加幅度也變大，臨河側(cè)的變形增量明顯大于背河一側(cè)增量?；拥撞孔畲舐∑鹆康奈恢冒l(fā)生改變，坑底隆起曲線由上凸曲線變成馬鞍型曲線。同時(shí)基坑的抗隆起安全系數(shù)也隨著河流的上升發(fā)生下降。工程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮河流的水位變化對(duì)基坑變形與穩(wěn)定性的影響，考慮到最大水位的情況。

（3）不同的臨河距離下，基坑圍護(hù)樁的變形規(guī)律大致相同，臨河側(cè)的變形略小于背側(cè)的變形，當(dāng)臨河距離約為兩倍基坑深度時(shí)，變形量基本不再增加，兩側(cè)的變形量也趨于相同，基坑底部回彈變化規(guī)律也相似，在約兩倍基坑深度的臨河距離后，隆起回彈量不再增加。工程中應(yīng)避免基坑過于靠近河流，兩倍基坑挖深開外能極大地避免影響。

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