趙 平

(銅陵學院建筑工程學院，安徽 銅陵 244000)

引言

偏壓基坑是指基坑兩側(cè)存在相差較大荷載而處于不對稱受力狀態(tài)下的基坑，不同原因引起的偏壓問題十分常見，偏壓基坑變形性狀呈現(xiàn)出不同于普通基坑的特點，主要表現(xiàn)在基坑兩側(cè)不平衡堆載、不同挖深以及基坑周邊不同土質(zhì)等方面，按常規(guī)方法設計存在一定安全隱患[1-4].已有的基坑實測結(jié)果表明，臨近建(構(gòu))筑物的超載會對基坑產(chǎn)生不利影響，嚴重時還可能引起基坑破壞[5]，此類基坑的研究日益被學者所關(guān)注[6,7].現(xiàn)場監(jiān)測方面，劉波等[8]通過現(xiàn)場監(jiān)測資料分析了該深基坑在偏壓作用下圍護樁的樁體深層水平位移變化規(guī)律；方燾等[9]對鄰近有地鐵車站形成的兩側(cè)土體寬度非對稱的基坑開挖進行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比；王鵬[10]通過采用現(xiàn)場實測的方法對不同偏壓荷載下的深基坑受力與變形規(guī)律進行了研究.理論分析方面，吳波等[11]采用模糊層次分析法建立了地鐵深基坑非對稱施工的評估模型；周勇等[12]結(jié)合土體與樁共同變形的撓曲線方程，推導出支護樁的水平位移公式；范曉真等[13]引入考慮位移的非極限狀態(tài)土壓力理論，對作用于支護結(jié)構(gòu)上的土壓力進行了修正.數(shù)值模擬方面，楊琴等[14]采用MIDAS GTS軟件進行三維有限元計算，研究了基坑兩側(cè)地面標高不等、兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剛度不等對基坑開挖變形的影響；陳軍等[15]在Plaxis軟件中采用考慮土體效應變特性的HS本構(gòu)模型，研究了多級支護非對稱受荷基坑的變形特性；孫武斌[16]采用FLAC3D建立三維數(shù)值計算模型對地鐵車站偏壓基坑圍護結(jié)構(gòu)變形影響因素開展了研究.

綜上所述，當前關(guān)于偏壓基坑開挖影響日益被學者所關(guān)注，并取得了較豐富的成果.但目前類似研究中，大部分學者研究的對象為地鐵車站深基坑工程，但對管廊基坑工程在非對稱荷載條件下開挖變形特性研究甚少.此外，由于綜合管廊項目大多位于城市人口密集區(qū)，建設過程中不可避免地會對鄰近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響[17,18].本文在上述研究的基礎上，以合肥市某管廊基坑工程開挖工程為工程背景，基于修正摩爾庫侖本構(gòu)模型，采用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護全過程進行數(shù)值模擬，研究了非對稱荷載作用下深基坑開挖引起的地下連續(xù)墻水平變形規(guī)律，模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合良好，在此基礎上研究了荷載距離D的改變對內(nèi)支撐軸力及坑外地表沉降的影響.得到的結(jié)論可為后續(xù)類似工程設計及更深入的理論研究提供參考.

1 工程概況

本文研究對象為合肥市某綜合管廊(明挖段)基坑工程.基坑截面示意圖見圖1.基坑右側(cè)作為施工場地，距離坑外D=5 m處堆放有鋼筋等各種施工材料，經(jīng)施工單位測算，施工材料將產(chǎn)生17 kPa的地面超載，超載作用范圍L=7 m，因此基坑開挖在非對稱荷載作用下進行.此外，基坑長度為826 m，寬度為8 m，開挖深度為7 m，為長條形基坑.基坑的支護結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻和兩道內(nèi)支撐組成，其中：內(nèi)支撐均為圓管型鋼支撐，截面外徑為609 mm、截面厚度為16 mm，內(nèi)支撐具體位置布置在距離地表以下1 m、4 m處，內(nèi)支撐水平間距均為5 m.地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土墻，高度為14 m，其中嵌入土體深度為7 m，厚度為800 mm.此外，地下連續(xù)墻采用C30混凝土，彈性模量為3 100 000 kN·m-2，泊松比為0.22，重度為29 kN·m-3；鋼支撐彈性模量為218 000 000 kN·m-2，泊松比為0.32，重度為77 kN·m-3.基坑共分3次開挖，開挖深度依次為：1 m、3 m及3 m.根據(jù)巖土工程勘察報告，簡化后的土層為5層，參見基坑典型截面示意圖(圖1).土體力學參數(shù)如表1所示.

圖1 基坑典型截面示意圖

表1 計算模型土層力學參數(shù)

2 建模與計算

2.1 MIDAS/GTS NX軟件在基坑工程中的運用

MIDAS/GTS NX軟件是一個專門用于巖土工程問題中變形和穩(wěn)定性分析的計算軟件，在基坑工程的數(shù)值模擬中也被廣泛應用[9,14].張艷書等[19]、劉雪珠等[20]、麻鳳海等[21]、張振昌等[22]均采用MIDAS/GTS軟件對基坑開挖過程產(chǎn)生的相關(guān)影響開展了研究，內(nèi)容包括：軟土層對地鐵狹長深基坑地表沉降影響的研究、坑底加固置換率對杭州地鐵湘湖站深基坑安全的影響分析、基坑施工的全過程進行全面動態(tài)模擬，以及隧道區(qū)間典型截面開挖、支護及澆筑等全過程進行有限元模擬分析，并與現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比.研究結(jié)果表明MIDAS/GTS NX軟件在深基坑工程中的運用廣泛，并取得了較好的模擬效果.本次研究選用MIDAS/GTS NX軟件進行數(shù)值模擬.

2.2 基本假定

由于施工過程和現(xiàn)場工程條件比較復雜，為了便于計算研究，數(shù)值模型設計對實際情況進行一定簡化，本研究基本假設如下：①各層土體連續(xù)且均勻分布；②不考慮地下水對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響；③地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均為彈性體；④同一種材料為均質(zhì)、各向同性.

2.3 建立模型

由于基坑長度為826 m、寬度為8 m，呈窄長條形，基坑長度約為寬度的103倍，故對于非坑角區(qū)域，可以簡化為平面應變問題進行分析[21，22].使用有限元計算軟件MIDAS/GTS NX建立二維基坑模型.根據(jù)圣維南原理，考慮工程實際情況，本文建立的整體二維模型寬(x)、高(y)分別為：48 m、30 m，遠大于預計基坑開挖影響范圍.模型坐標系按照圖2中所示：X軸正方向指向基坑寬，Y軸正方向豎直向上.模型采用標準邊界條件，模型左右邊界僅允許發(fā)生豎向位移，頂部為自由邊界允許發(fā)生橫向和豎向位移，底部為固定約束.此外，地下連續(xù)墻與土體在強度和剛度上存在較大差異，在外力作用下其界面有可能產(chǎn)生相對滑移或脫離[23].為此，為了更好地開展數(shù)值模擬，在地下連續(xù)墻與土體之間設置接觸面單元.本次研究采用軟件自帶的庫侖摩擦界面單元體現(xiàn)地下連續(xù)墻與土體之間接觸面的特性.當表面發(fā)生接觸時，在接觸面之間傳遞切向力和法向力.模型中法向剛度模量和剪切剛度模量取值分別為：800 000 kN/m3和8 000 kN/m3，不考慮非線性接觸.由于基坑周圍土體的變形響應具有明顯的小應變特性，數(shù)值模型中土體采用修正摩爾庫侖本構(gòu)關(guān)系.模型中土體為考慮平面應變的2D面單元，地下連續(xù)墻、基坑內(nèi)支撐均采用1D梁單元.整體二維模型網(wǎng)格劃分情況如圖2所示.數(shù)值模型共計2 435個單元，2 502個節(jié)點.

圖2 二維有限元模型

2.4 模擬施工

數(shù)值模擬中基坑的開挖和支護分別通過軟件中的命令鈍化和激活來控制，數(shù)值模擬的基坑開挖過程與實際現(xiàn)場基坑開挖過程保持一致，施工工況具體內(nèi)容為：①進行初始地應力分析，位移清零；②地下連續(xù)墻施工；③開挖1，基坑開挖1m；④開挖2，基坑開挖3 m，施作第一道支撐；⑤開挖3，基坑開挖3 m，施作第二道支撐.

3 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測對比分析

數(shù)值模擬方法具有可以動態(tài)模擬基坑開挖與支護施工過程等優(yōu)點，且現(xiàn)場監(jiān)測可以對施工過程實施監(jiān)控和動態(tài)控制，對有效確?；娱_挖施工過程和基坑周圍既有建筑的安全有一定的促進作用[24].圖3 為工況5下左側(cè)地下連續(xù)墻水平位移模擬值與監(jiān)測值對比曲線圖，圖4 為工況5下右側(cè)地下連續(xù)墻水平位移模擬值與監(jiān)測值對比曲線圖，由圖3和圖4對比發(fā)現(xiàn)，基坑開挖完成時，無論是左側(cè)地下連續(xù)墻，還是右側(cè)地下連續(xù)墻都呈現(xiàn)出朝向基坑內(nèi)部的“凸鼓狀”變形規(guī)律，此結(jié)論與高億文等[5]在研究超載影響下圍護結(jié)構(gòu)非對稱基坑的受力及變形特性分析得出的結(jié)論相吻合.數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測值接近，且最大水平位移均發(fā)生在地下連續(xù)墻深度約為6 m的位置.此外，還可以得出，偏壓作用下，基坑兩側(cè)地下連續(xù)墻水平變形規(guī)律與對稱荷載條件下存在很大差異，基坑同一斷面內(nèi)有荷載一側(cè)的水平變形均大于無荷載一側(cè).具體來看，圖3中，最大水平位移分別約為6.2 mm、7.9 mm，變形規(guī)律相似，最大值較接近.值得注意的是，開挖完成時，在地下連續(xù)墻頂部出現(xiàn)了朝向基坑外側(cè)的變形，水平位移模擬值與監(jiān)測值分別約為2 mm、3.2 mm，這可能是由于該基坑受到非對稱的地表超載影響造成的.圖4中，最大水平位移分別約為8.5 mm、9.8 mm，變形規(guī)律相似，最大值較接近.模擬結(jié)果中，左側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移比右側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移小約2.3 mm，這可能是由于偏壓荷載在增加偏壓側(cè)地下連續(xù)墻水平位移的同時抑制非偏壓側(cè)的地下連續(xù)墻水平位移.綜上所述，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測值接近，變形規(guī)律類似，由此說明此次基坑開挖及支護結(jié)構(gòu)設計合理，驗證了數(shù)值模擬參數(shù)選取的可行性，并得出了基坑開挖完成時地下連續(xù)墻水平變形規(guī)律，可以在此基礎上開展基坑荷載距離D改變時內(nèi)支撐軸力和地表沉降的相關(guān)分析.

圖3 工況5下左側(cè)地下連續(xù)墻水平位移模擬值與監(jiān)測值

圖4 工況5下右側(cè)地下連續(xù)墻水平位移模擬值與監(jiān)測值

4 基坑右側(cè)荷載距離不同情況的計算與分析

非對稱荷載作用下的基坑開挖工程中引起的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及地表豎向變形與基坑開挖過程中很多因素有關(guān)，學者高億文[5]的研究成果顯示，非對稱荷載作用下的基坑開挖工程中引起的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及地表豎向變形的因素主要有以下幾類：超載的位置、超載的大小、內(nèi)支撐的設計參數(shù)以及超載的范圍等.考慮到內(nèi)支撐軸力是評判基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標之一，且地表豎向變形對基坑周圍環(huán)境會產(chǎn)生直接影響.本次研究只討論超載距離地下連續(xù)墻距離D的改變而引起的內(nèi)支撐軸力以及地表豎向變形影響，D的取值分別為：5 m、6 m、7 m、8 m、9 m以及10 m.分別改變超載距離地下連續(xù)墻距離D，其他參數(shù)保持不變，運用改變后的參數(shù)，分別建立二維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果研究該參數(shù)改變對支撐軸力和地表豎向位移的影響.

4.1 支撐軸力分析

圖5 為超載距離地下連續(xù)墻距離D的改變而引起的工況4下第一道內(nèi)支撐軸力變化對比圖，圖6為工況5下第一道內(nèi)支撐軸力變化對比圖，圖7 為工況5下第二道內(nèi)支撐軸力變化對比圖.通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，內(nèi)支撐軸力對超載距離地下連續(xù)墻距離D較敏感，且隨著D的不斷增大而有下降的趨勢.具體來看，圖5中，當D=5 m時，第一道內(nèi)支撐軸力數(shù)值為813 kN，當D=6 m時，第一道內(nèi)支撐軸力數(shù)值為613 kN，兩者軸力值相差為200 kN.說明坑外荷載距離變化對支撐軸力的影響較大.另外，當D取值分別為：7 m、8 m、9 m以及10 m時，軸力分別為：552 kN、525 kN、493 kN以及476 kN.圖6中，當D=5 m時，第一道內(nèi)支撐軸力數(shù)值為662 kN，當D=6 m時，第一道內(nèi)支撐軸力數(shù)值為539 kN，兩者軸力值相差為123 kN.這也說明坑外荷載距離變化對支撐軸力的影響較大.另外，當D取值分別為：7 m、8 m、9 m以及10 m時，第一道內(nèi)支撐軸力分別為：471 kN、453 kN、410 kN以及395 kN.圖7中，當D=5 m時，第二道內(nèi)支撐軸力數(shù)值為552 kN，當D=6 m時，第二道內(nèi)支撐軸力數(shù)值為481 kN，兩者軸力值相差為71 kN，也說明坑外荷載距離變化對支撐軸力的影響較大.另外，當D取值分別為：7 m、8 m、9 m以及10 m時，第二道內(nèi)支撐軸力分別為：463 kN、441 kN、405 kN以及383 kN.由圖5和圖6還可以看出，第一道內(nèi)支撐的軸力在工況4與工況5時相比，工況5時第1道支撐軸力有所減小，這可能是因為第2道支撐參與了受力的原因.因此，在基坑開挖支護過程中，要嚴格控制基坑邊緣非必要堆載，確有需要也應盡量使得堆載遠離基坑邊緣，以此來減小非對稱荷載對基坑開挖的影響，同時也可以利用不同工況下內(nèi)支撐軸力的變化規(guī)律對基坑支護體系設計參數(shù)進行優(yōu)化.

圖5 工況4下第一道內(nèi)支撐軸力變化圖

圖6 工況5下第一道內(nèi)支撐軸力變化圖

圖7 工況5下第二道內(nèi)支撐軸力變化圖

4.2 坑外地表豎向變形分析

圖8為超載距離地下連續(xù)墻距離D的改變而引起的工況5下基坑右側(cè)地表豎向變形對比圖，由圖8 可見，總體上，基坑右側(cè)地表豎向變形表現(xiàn)為“凹槽型”地表沉降，地表沉降值對超載距離地下連續(xù)墻距離D的大小較為敏感，有隨著超載距離地下連續(xù)墻距離D的增大而減小的趨勢，但最大沉降出現(xiàn)的位置在靠近右側(cè)地下連續(xù)墻約4 m的位置.具體來看，當D=1 m時，基坑開挖引起的地表沉降最大，最大值約為11.9 mm，當D=9 m時，基坑開挖引起的地表沉降最小，最大值約為6.9 mm，約減小42%，可見超載距離地下連續(xù)墻距離D的改變對坑外地表豎向變形有較大影響.此外，當D分別為3 m、5 m以及7 m時，基坑開挖引起的最大地表沉降分別約為10.2 mm、9.1 mm以及8.3 mm.由圖8還可以看出，超載距離地下連續(xù)墻距離D的增加也會導致距離地下連續(xù)墻頂部的地表土體沉降值也有不斷減小的趨勢，相較而言地下連續(xù)墻附近土體地表沉降值較小，這可能是因為地下連續(xù)墻與其接觸的土體之間會產(chǎn)生摩擦力的作用，這種摩擦力會阻礙附近土體的豎向變形，這種阻礙效果也隨著距離地下連續(xù)墻距離的增大而逐漸減弱.因此在類似基坑工程設計和施工時應重視非對稱荷載對基坑附近地表沉降帶來的不良影響.

圖8 工況5下基坑右側(cè)地表豎向變形對比圖

5 結(jié)論

本文依托合肥某管廊基坑工程，采用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護全過程進行數(shù)值模擬，研究了非對稱荷載作用下基坑開挖引起的地下連續(xù)墻水平變形規(guī)律，模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合良好，在此基礎上研究了荷載距離D的改變對內(nèi)支撐軸力及坑外地表沉降的影響，得出以下結(jié)論：

(1)通過修正摩爾庫侖本構(gòu)關(guān)系型模擬土體，可以較好地反應基坑開挖過程中的受力變形特性，模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好.

(2)偏壓基坑兩側(cè)地下連續(xù)墻均產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的水平變形，變形規(guī)律呈“凸鼓狀”，最大變形位置在地下連續(xù)墻深度約為6 m的位置，且受壓側(cè)的地下連續(xù)墻變形明顯大于非受壓側(cè).因此，偏壓基坑設計中宜增強受壓側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的受拉側(cè)配筋，以增強支護結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，進而減小施工風險.

(3)超載不僅增大近超載側(cè)地下連續(xù)墻的水平位移，還會引起遠側(cè)地下連續(xù)墻頂部出現(xiàn)遠離基坑的位移；超載作用距離坑邊距離的大小對支護結(jié)構(gòu)安全尤為重要.當偏壓距離D逐漸增大時，支撐軸力和地表沉降均有逐漸減小的趨勢，因此在類似基坑設計施工時要充分重視超載位置對基坑開挖的影響，并在必要的時候采取有針性的措施減小非對稱荷載對基坑開挖的不良影響.