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臨近既有建(構(gòu))筑物或地表沉降的影響方面[3-5]。而對于既有建(構(gòu))筑物所產(chǎn)生的偏壓荷載對深基坑建設(shè)過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究較少。

該文通過對某偏壓基坑進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測獲得基坑圍護(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?；右粋?cè)存在高為7.5 m、坡率為1∶2的高邊坡，對臨近高邊坡一側(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?？辈靾龅氐叵滤愋头譃榈谒南邓缮又械纳蠈訙盎鶐r裂隙中的基巖裂隙水，場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)生的偏載對基坑的影響，選取典型斷面對基坑開挖進(jìn)行施工全過程監(jiān)測。工程所在地為丘陵地貌，場地范圍內(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)測方案

為減少基坑開挖對周邊環(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)測圍護(hù)樁的橫向變形和附近的地面沉降。監(jiān)測斷面上設(shè)3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，具體布置如圖1所示，監(jiān)測斷面施工進(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)場監(jiān)測結(jié)果

2.1 圍護(hù)樁變形

圖2為監(jiān)測斷面開挖期間圍護(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)測值小于現(xiàn)場測量值的一半。以往的研究也表明：MC模型預(yù)測的地表沉降與實(shí)測結(jié)果存在一定差異[9-10]。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)變形的預(yù)測結(jié)果討論優(yōu)化方案。通過對臨近高邊坡側(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)場監(jiān)測結(jié)果討論地表沉降的影響。

圖5 測量結(jié)果和預(yù)測結(jié)果對比圖

比較非對稱深基坑與對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。針對監(jiān)測段變形較大的情況，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%。對比實(shí)測數(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，對深基坑內(nèi)土體進(jìn)行加固是非對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。