謝秀棟，張 林，何宗儒

（1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院水利水電與港口工程系，福州350108；2.吉林省敦化市水利局勘測設(shè)計院測繪隊，吉林 敦化133700）

三維城市空間的開發(fā)利用在現(xiàn)代化城市建設(shè)發(fā)展過程中顯得尤為重要，伴隨著越來越密集的高層建筑的興起，地下空間在滿足建筑物本身結(jié)構(gòu)安全的同時兼做地下車庫、交通樞紐、大型商場等［1］?；拥陌踩€(wěn)定在地下空間的開發(fā)過程中占有舉足輕重的地位，由于現(xiàn)代建筑的密集程度在加劇，許多深基坑必然受到臨近建（構(gòu)）筑物型式的影響，很難在滿足周邊環(huán)境的同時采用規(guī)則的長條形基坑，那么采取形狀不規(guī)則的異形基坑就勢在必行了［2］。異形基坑又名開口基坑，由于其形狀不規(guī)則、不封閉，施加支撐更加困難，應(yīng)力應(yīng)變更為集中，與其他規(guī)則基坑相比較，更無規(guī)律可循。因此，科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展的同時越來越多的開口基坑應(yīng)運而生，異形基坑工程的研究也不斷深入。

本基坑采用SMW工法樁建立起圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時用鋼支撐進(jìn)行支護(hù)，本文借助于FLAC3D有限差分軟件對整個基坑的開挖和支撐過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到異形基坑圍護(hù)樁體水平位移和鋼支撐軸力的變化規(guī)律，并與類似封閉基坑數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比，期望能找出異形基坑變形規(guī)律的一般性。

1 工程概況

本基坑模型來源于某軌道交通穿越橋面改造工程，由于內(nèi)河的存在，使得基坑被迫分為南北側(cè)兩小基坑和中間橋下一大基坑。該基坑支護(hù)總長40m，南北側(cè)小基坑挖深9.6m，中間橋下基坑挖深3.0m。基坑采用型鋼水泥土墻＋三道水平支撐的支護(hù)體系。該基坑布置圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型及材料參數(shù)

該基坑屬于異形基坑，但東西仍然對稱，所以取西側(cè)全部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算。選取南北側(cè)小基坑方向為X方向，東西向為Y方向，基坑深度方向為Z方向。綜合考慮到工程實際情況、三維模型的單元數(shù)量、計算速度，模型X方向上的墻后距離取20m，模型Y方向上的墻后距離取10m，在Z方向上的距離約為開挖深度的4倍，模型的計算尺寸為80m×33.6m×37.54m（長×寬×高）。為了探索異形基坑的變形特性，特取參數(shù)相同的封閉基坑與之對比分析，其模型計算尺寸為80m×12m×37.54m（長×寬×高）。模型邊界四側(cè)施加垂直于對應(yīng)面的水平方向約束，底部施加3個方向的約束。圍護(hù)樁體為SMW工法樁，采用實體單元模擬，根據(jù)工法樁的成樁特點，按照剛度等效原則將SMW工法樁等效為由單個樁所組成的一定厚度的地下連續(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力和位移分析。SMW工法樁樁徑為0.85m，樁距為0.6m，則假設(shè)等效后的地下連續(xù)墻厚度為d，有

求得d＝0.8

因此將圍護(hù)樁體換算成厚度為0.8m的地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬分析［3］。異形基坑和封閉基坑網(wǎng)格劃分如圖2和圖3所示。

該地區(qū)各主要土層分布及物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，其中中砂層由于含有少量淤泥，具有較小的黏聚力，土體材料使用Mohr－coulomb本構(gòu)模型。

圖1 基坑平面布置

圖3 封閉基坑計算模型

表1 各土層的物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 施工工況的模擬

為了充分使得兩種基坑模型開挖條件相似，模擬時均采取表3所示工況設(shè)置。

表3 施工工況設(shè)置

2.3 預(yù)警值確定

對于異形深基坑而言，首要任務(wù)便是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定基坑是否會出現(xiàn)險情。對基坑是否處于安全施工狀態(tài)的判斷要借助于一系列的預(yù)警值，及時對各項施工監(jiān)測數(shù)據(jù)整理分析并與預(yù)警值比較得出基坑的安全穩(wěn)定性結(jié)果。

當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到或超過預(yù)警值時應(yīng)設(shè)置報警，施工單位應(yīng)停工檢查，重點對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整達(dá)到安全施工標(biāo)準(zhǔn)后才能繼續(xù)施工。洗馬橋改造工程施工監(jiān)測預(yù)警值見表4。

表4 預(yù)警值一覽表

2.4 計算結(jié)果及分析

2.4.1 水平位移

整個模擬過程異形基坑和封閉基坑南北側(cè)墻體最中間位置水平位移變化曲線如圖4和圖5所示。開挖初期，異形深基坑地下連續(xù)墻體的水平位移仍呈現(xiàn)一般基坑的“凸形”［4］，但隨著開挖繼續(xù)進(jìn)行，尤其第四層大小基坑開挖后，由于開挖面積較大再加上中間鏤空，土體卸載突增，異形基坑地下連續(xù)墻體的水平位移與封閉基坑的差異就非常明顯了。但最大位移值均未超過預(yù)警值，處于安全范圍內(nèi)。

南、北側(cè)小基坑墻體在南北向方向上長度較小，僅為3.3m。圍護(hù)樁體東西向水平位移不大。開挖初期，最大值發(fā)生在墻體角部位置，隨著開挖的進(jìn)行，整體位移值逐漸增大，同樣最大位移位置并沒有出現(xiàn)在墻頂，而是逐漸下移。最后開挖完成后，最大值發(fā)生在墻體最側(cè)邊。

圖4 異形基坑墻體水平位移

圖5 封閉基坑墻體水平位移

2.4.2 支撐軸力

基坑開挖至3.4m時，完成第一道鋼支撐，其穿越橋面將南北兩小基坑聯(lián)系成一整體。同樣第二、三道鋼支撐在架設(shè)時，將南北兩側(cè)橋臺打通，從大基坑上面穿過將南北兩側(cè)小基坑支撐。所以此三道鋼支撐與封閉基坑鋼支撐并無本質(zhì)區(qū)別，其變化規(guī)律也類似，并且與實際監(jiān)測結(jié)果相近［5］，如圖6所示為模擬支撐軸力，橫坐標(biāo)顯示的是分析步；實際監(jiān)測鋼支撐軸力圖如圖7所示，橫坐標(biāo)顯示的是日期。

3 結(jié)語

本文利用FLAC3D有限差分方法對異形深基坑分步開挖進(jìn)行模擬，主要研究了基坑開挖引起的圍護(hù)樁體位移以及鋼支撐軸力的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

圖6 模擬鋼支撐軸力變化曲線

圖7 實際鋼支撐軸力變化曲線

（1）從圍護(hù)樁體整體變化規(guī)律來看，隨著開挖的進(jìn)行，圍護(hù)樁體的水平位移會隨基坑開挖深度的增加而增大，而且最大位移會逐漸下移。但是由于此異形基坑型式的特點——中間大基坑的存在，在工況4施工后，第四層土體卸載較大使得墻底水平位移迅速增大達(dá)到最大位移水平。

（2）鋼支撐由于預(yù)應(yīng)力的添加，在開挖初期有較大的卸荷現(xiàn)象，隨著開挖深度的不斷加大，土體不斷卸載，鋼支撐軸力急劇增加，待開挖完成后軸力趨于穩(wěn)定值。說明鋼支撐在整個基坑開挖階段減緩了土體向坑內(nèi)的移動，保證整個基坑的安全穩(wěn)定起到了顯著作用。

（3）由于此兩種基坑采用同種鋼支撐形式，異形基坑第一道穿越橋面，第二、三道均打通橋臺穿過大基坑，在開挖過程中大小基坑形成一整體，與封閉基坑鋼支撐軸力變化相似，只是值大小略有不同。

本文在模擬過程中并沒有考慮周邊施工荷載、圍護(hù)樁頂圈梁彎矩作用以及地下水位等因素的影響，模擬結(jié)果表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式對異形基坑的影響較大。同樣，異形基坑結(jié)構(gòu)型式、工程地質(zhì)條件、施工方法等影響因素不同均可能對異形基坑的變形產(chǎn)生影響，希望今后能更深一步研究找出異形基坑變形規(guī)律的一般性。

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［3］田予東，李源潮.黃河?xùn)|路站異形基坑支護(hù)設(shè)計［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010（增2）：99－104.

［4］Mana Abdulaziz，Wayne Clough G.Prediction of Movements for Braced Cuts in Clay［J］.Journ algeo－technical Engineering，1981，107（6）：759－777.

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