魏煥衛(wèi)，孫元碩，尚文濤

(山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)以及地下空間工程的發(fā)展，基坑規(guī)模越來(lái)越大，出現(xiàn)了大量深基坑工程，基坑工程的安全問題尤為重要，控制基坑變形是基坑設(shè)計(jì)和施工的核心問題。

目前，眾多學(xué)者通過(guò)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬研究了不同支護(hù)下的基坑變形，并總結(jié)出影響基坑變形的因素。熊智彪等[1]、張欽喜等[2]通過(guò)樁錨支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究其變形特性，總結(jié)了樁錨支護(hù)下樁體位移、地表沉降的變化規(guī)律。侯玉杰等[3]、蔣波等[4]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了內(nèi)支撐支護(hù)體系下樁體變形以及支撐軸力的變化。張明聚等[5]、帥紅巖等[6]、李磊等[7]利用三維有限元軟件對(duì)內(nèi)支撐支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比，研究了支撐剛度變化下內(nèi)支撐與圍護(hù)樁體組合體系下基坑變形，總結(jié)了內(nèi)支撐體系下基坑的變形規(guī)律。以上主要研究了在對(duì)稱荷載下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性，然而不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖引起的非對(duì)稱荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性的影響與對(duì)稱荷載下有很大不同，姚愛軍等[8]、孫志浩等[9]、林剛等[10]通過(guò)工程實(shí)際數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，分析了不對(duì)稱荷載下深基坑內(nèi)支撐支護(hù)樁體深層水平位移及彎矩的變化。徐長(zhǎng)節(jié)等[11]通過(guò)數(shù)值模擬研究了基坑在不同挖深差以及挖深分界面位置不同時(shí)產(chǎn)生的不對(duì)稱荷載對(duì)基坑兩側(cè)地表沉降變化的影響。對(duì)于內(nèi)支撐支護(hù)體系，不規(guī)則基坑開挖引起的不對(duì)稱荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響文獻(xiàn)較少，有待進(jìn)行深入研究。

本文以某深基坑工程實(shí)例為背景，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)探討不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖引起的不對(duì)稱荷載對(duì)深基坑內(nèi)支撐樁體水平位移變化規(guī)律的影響，最后通過(guò)PLAXIS 3D數(shù)值模擬，研究不規(guī)則基坑開挖下樁體深層水平位移的變化，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，并在此模型基礎(chǔ)上在荷載較小一側(cè)坡頂施加土體堆載，研究基坑兩側(cè)樁體深層水平位移及彎矩的變化。

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地與地質(zhì)條件

擬建工程位于北海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)張東公路(311省道)與濱州北鐵路交叉口處北1.5km處，地理位置優(yōu)越，交通便利。基坑形狀大體呈凹形分布，東西長(zhǎng)約130m，南北長(zhǎng)約50m，基坑北側(cè)開挖深度為22m，南側(cè)開挖14.5m，東側(cè)開挖14.3m。該項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)現(xiàn)為鹽田地，項(xiàng)目北側(cè)、南側(cè)及東側(cè)場(chǎng)地較空曠。項(xiàng)目西側(cè)為新建濱州北鐵路線(現(xiàn)未使用，軌道已鋪設(shè)完成，地基采用改良土換填處理)，該項(xiàng)目基礎(chǔ)邊線距離鐵路線最近距離約32m；為了保證基坑及周邊鐵路的安全，對(duì)鐵路沉降以及支護(hù)樁、支撐等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 基坑平面位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)該場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告，構(gòu)成擬建場(chǎng)地的主要地層屬于第四系黃河三角洲沉積土層，場(chǎng)地自上而下劃分7層，地下水類型屬于第四紀(jì)潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深為3.0m，開挖范圍內(nèi)土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 支護(hù)方案

考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文條件、基坑周邊環(huán)境及開挖深度，依據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，擬對(duì)本工程采用支護(hù)樁+鋼筋混凝土角撐、對(duì)撐進(jìn)行支護(hù)。東西走向采用4道混凝土支撐，具體支護(hù)形式如圖2所示；南北走向采用2道混凝土支撐，基坑?xùn)|南位置采用放坡支護(hù)；基坑內(nèi)部高差位置采用懸臂樁支護(hù)，由于場(chǎng)地地下水位較淺，沿基坑四周設(shè)置單排水泥土攪拌樁止水帷幕；坑內(nèi)采用管井疏干降水，坑外采用回灌井回灌地下水。

圖2 基坑支護(hù)剖面

1.3 施工工況

該工程具體施工措施是先進(jìn)行支護(hù)樁和止水帷幕施工，然后采用降水井降水，最后進(jìn)行分步開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐布置，由于基坑北側(cè)開挖深度較深(開挖22.0m)，本文主要對(duì)東西走向基坑南北側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，該處主要施工工況如表2所示。

表2 施工工況

1.4 不對(duì)稱荷載分布特征

基坑圍護(hù)樁主要受到基坑兩側(cè)土體開挖產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力以及坡頂堆載，該項(xiàng)目深基坑開挖形狀不規(guī)則，由于南部?jī)蓚?cè)土體的開挖，導(dǎo)致基坑北側(cè)土壓力產(chǎn)生的荷載大于基坑南側(cè)土壓力產(chǎn)生的荷載，受基坑兩側(cè)荷載大小差距的影響，北部荷載通過(guò)支撐傳力給基坑南側(cè)，使基坑南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生背離開挖側(cè)變形，不規(guī)則內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖下的受力與變形形式如圖3所示。

圖3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力

為研究不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖產(chǎn)生的不對(duì)稱荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，選取基坑南側(cè)、北側(cè)部分冠梁水平位移和樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

主要選取基坑北側(cè)W6～W9冠梁水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、CX4深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基坑南側(cè)W15～W17冠梁水平位移、CX8深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，其中水平位移正值代表向開挖側(cè)位移，負(fù)值相反。

2.1 冠梁水平位移分析

1)基坑南北兩側(cè)冠梁位移隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線如圖4,5所示，其中基坑北側(cè)W6～W9監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移整體向開挖側(cè)方向位移，基坑南側(cè)與北側(cè)相反，整體位移向背離開挖側(cè)移動(dòng)，主要原因是由于整個(gè)基坑的不規(guī)則性，基坑南部?jī)蓚?cè)土體開挖，基坑北部整體荷載大于基坑南部，北部基坑荷載通過(guò)支撐傳力給基坑南部，使得基坑兩側(cè)受力不均，導(dǎo)致基坑向荷載較小一側(cè)發(fā)生側(cè)移。

圖4 北部冠梁水平位移時(shí)程曲線

圖5 南部冠梁水平位移時(shí)程曲線

2)基坑北側(cè)W7監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移最大，最大水平位移為27.0mm，由于W7監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑中部位置，受基坑空間效應(yīng)影響較小，導(dǎo)致位移偏大。W9監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移較小，主要是由于W9監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)開挖深度較淺(開挖16m)，整個(gè)冠梁的水平位移在每層土體開挖過(guò)程中增量最大，當(dāng)開挖至基底處，變形處于平穩(wěn)狀態(tài)。

3)基坑南側(cè)冠梁水平位移的增量趨勢(shì)與北側(cè)變形相似，水平位移的增長(zhǎng)主要出現(xiàn)在基坑開挖狀態(tài)下，后期變形趨勢(shì)逐漸穩(wěn)定。其中W15監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到不對(duì)稱荷載作用更為明顯，W15監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于基坑不對(duì)稱開挖，受到基坑北部較大荷載的作用。

2.2 樁身側(cè)向變形規(guī)律

1)基坑南北兩側(cè)樁體深層水平位移隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線如圖6,7所示，其中不同側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁體位移趨勢(shì)相反，CX4監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁位移趨勢(shì)向開挖側(cè)，CX8監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁位移隨著開挖樁上部逐漸向背離開挖側(cè)位移，基坑兩側(cè)樁體的變化趨勢(shì)不同。同時(shí)由于樁頂混凝土支撐在樁后土壓力作用下產(chǎn)生了較大的軸力，樁頂混凝土撐對(duì)北部樁的變形產(chǎn)生抑制作用，使得基坑北側(cè)圍護(hù)樁基底以上產(chǎn)生“大肚”狀，而南側(cè)基坑兩側(cè)開挖引起荷載減小，基坑北側(cè)荷載較大，混凝土支撐向基坑南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)擠壓，使得基坑南側(cè)圍護(hù)樁出現(xiàn)背離開挖側(cè)的變形。

圖6 CX4測(cè)斜點(diǎn)位移-深度曲線

圖7 CX8測(cè)斜點(diǎn)位移-深度曲線

2)基坑的不規(guī)則開挖，使基坑南北兩側(cè)產(chǎn)生的不對(duì)稱荷載導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同側(cè)產(chǎn)生不對(duì)稱變形。由于支撐在北部荷載作用下整體向南部移動(dòng)，使得基坑北側(cè)變形較大，南部變形較基坑北側(cè)變形小，CX4處樁體水平位移出現(xiàn)在基底以上位置，最大值為37.0mm，CX8處樁體水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂位置處，最大變形為13.5mm，根據(jù)不規(guī)則基坑開挖產(chǎn)生的不對(duì)稱荷載對(duì)位移結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可以看出荷載較大一側(cè)樁體位移較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要適當(dāng)增大該側(cè)的支護(hù)樁直徑或減小支護(hù)樁間距，防止荷載較大一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

3 有限元模型建立

為進(jìn)一步研究不規(guī)則基坑開挖引起的基坑兩側(cè)不對(duì)稱荷載對(duì)深基坑內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，建立有限元模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 模型建立

圖8 基坑支護(hù)有限元模型

關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)板單元厚度的選取，由PLAXIS 3D基礎(chǔ)教程中等效剛度理論，將支護(hù)樁等效為板單元計(jì)算，通過(guò)式(1)將支護(hù)樁轉(zhuǎn)換為板單元的厚度計(jì)算。

(1)

式中：D為灌注樁直徑(mm)；t為樁間距(mm)；h為折算板的厚度(mm)。

3.2 開挖工況模擬

主要研究不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖造成的不對(duì)稱荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的變形影響，實(shí)際施工過(guò)程中坡頂不存在土體堆載，數(shù)值模擬的具體工況如表3所示。

表3 模擬概況信息

3.3 樁體深層水平位移分析

分工況對(duì)本基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇基坑北側(cè)CX4測(cè)斜孔以及基坑南側(cè)CX8測(cè)斜孔位置進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，模擬不規(guī)則內(nèi)支撐基坑在開挖工況下基坑兩側(cè)樁體的變形趨勢(shì)，數(shù)值模擬得到的CX4，CX8測(cè)斜孔在不同工況下的深層水平位移如圖9，10所示。

圖9 CX4測(cè)斜點(diǎn)位移-深度模擬曲線

圖10 CX8測(cè)斜點(diǎn)位移-深度模擬曲線

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：數(shù)值模擬得到的基坑北側(cè)以及基坑南側(cè)樁體的深層水平位移變形趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相似，數(shù)值上的差距主要是由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定擾動(dòng)。基坑北側(cè)CX4測(cè)斜點(diǎn)，樁體最大水平位移出現(xiàn)在基底以上位置，在工況2到工況3下水平位移增長(zhǎng)速率最大，由21.0mm增長(zhǎng)至27.0mm，后期隨著內(nèi)支撐的支護(hù)作用，變形增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減小，開挖至基底時(shí)最大變形增長(zhǎng)至29.0mm，位移增長(zhǎng)趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變形大體一致。位于基坑南側(cè)的CX8測(cè)斜點(diǎn)，同樣由于不規(guī)則基坑開挖，基坑北側(cè)產(chǎn)生的荷載整體大于基坑南側(cè)，由基坑北側(cè)產(chǎn)生的土壓力通過(guò)混凝土支撐傳力到基坑南側(cè)，使得基坑南側(cè)樁體在樁體上方出現(xiàn)背離開挖側(cè)的變形，開挖至基底時(shí)，樁頂背離開挖側(cè)變形達(dá)到7.0mm，在基坑下部樁體向基坑開挖側(cè)變形，從位移-深度曲線看出，對(duì)于不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖，開挖造成荷載較大一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)向基坑開挖側(cè)的變形，且變形值較大，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)時(shí)，需要增大該側(cè)支護(hù)樁的直徑或減小樁間距來(lái)減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，數(shù)值模擬得到的位移曲線變形趨勢(shì)與工程實(shí)測(cè)大體一致，反映了數(shù)值模擬在一定程度上的準(zhǔn)確性，可以為后期基坑數(shù)值模擬研究提供一定的參考。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制

本工程在施工過(guò)程中，開挖土體沒有堆載于基坑坡頂附近，若假設(shè)土體在施工過(guò)程中，開挖土體堆載于基坑南側(cè)坡頂位置處，來(lái)抵消不規(guī)則基坑開挖時(shí)引起的北側(cè)較大荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值模擬階段在基坑南側(cè)距離坡頂5m位置處沿東西方向布置寬度20m的坡頂堆載(模擬時(shí)用面荷載來(lái)模擬)，由于開挖過(guò)程中土體不斷堆載，荷載不斷增加，在模擬階段設(shè)置工況1(施加20kPa)，工況2(施加40kPa)，工況3(60kPa)，工況4(80kPa)，工況5(100kPa)，從而抵抗由不規(guī)則基坑開挖引起的不對(duì)稱荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的變形影響。

4.1 基坑南部土體堆載下樁體位移分析

數(shù)值模擬得到的基坑兩側(cè)CX4，CX8測(cè)斜點(diǎn)隨工況的深層水平位移如圖11，12所示。

圖11 CX4測(cè)斜點(diǎn)位移-深度模擬曲線

圖12 CX8測(cè)斜點(diǎn)位移-深度模擬曲線

當(dāng)基坑南部作用坡頂堆載時(shí)，可以看出基坑南北圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形大體呈對(duì)稱分布，隨著基坑開挖，樁體深層水平位移大致呈“大肚狀”分布，總體變形趨勢(shì)與對(duì)稱荷載下內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形相似，在工況2到工況3下變形增長(zhǎng)速率最快，后期隨著內(nèi)支撐的施工，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體位移的抑制，變形增長(zhǎng)較小，同時(shí)在南側(cè)堆載作用下基坑北側(cè)CX4測(cè)斜點(diǎn)的深層水平位移由原來(lái)無(wú)堆載時(shí)的29mm減小到現(xiàn)在的20.5mm，減小約29.3%，基坑南部的堆載可以有效減小由不規(guī)則基坑開挖引起的基坑北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，基坑南側(cè)CX8測(cè)斜點(diǎn)在坡頂堆載的作用下整體出現(xiàn)向基坑開挖側(cè)的變形，土體堆載下能夠有效控制不規(guī)則基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響，整體變形趨勢(shì)與基坑北側(cè)相似。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)顯示，在內(nèi)支撐支護(hù)下，基坑不規(guī)則開挖狀態(tài)下開挖過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱荷載，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，在內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)多種措施來(lái)減小不規(guī)則基坑開挖產(chǎn)生的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

4.2 基坑南部作用土體堆載下樁體彎矩分析

在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩大小對(duì)基坑的整體穩(wěn)定性尤其重要，選取基坑南北側(cè)中部位置，對(duì)基坑南北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在南側(cè)坡頂處施加土體堆載下與無(wú)堆載下兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩大小進(jìn)行分析(見圖13,14)。

圖13 基坑北側(cè)樁體彎矩

圖14 基坑南側(cè)樁體彎矩

從圖13，14可以看出，當(dāng)不規(guī)則基坑坡頂南側(cè)不堆放土體堆載時(shí)，由于基坑不規(guī)則開挖引起的不對(duì)稱荷載使基坑北側(cè)變形較大，此時(shí)基坑北側(cè)圍護(hù)彎矩最大值為2 100kN·m，大于基坑南側(cè)的最大彎矩(1 500kN·m)，當(dāng)基坑開挖的土體堆載于南側(cè)坡頂時(shí)，此時(shí)基坑兩側(cè)位移基本呈對(duì)稱分布，基坑北側(cè)的最大彎矩為1 600kN·m，減小約23.8%，北側(cè)位移與彎矩均減小，不規(guī)則開挖會(huì)使基坑整體向荷載較小方向發(fā)生偏移，當(dāng)在荷載較小側(cè)坡頂作用土體堆載時(shí)，能夠有效減小荷載較大側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某不規(guī)則深基坑的冠梁水平位移與樁體深層水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果以及數(shù)值模擬分析，不規(guī)則內(nèi)支撐基坑變形具有以下特點(diǎn)。

1)在不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖下，基坑開挖兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱荷載，導(dǎo)致開挖兩側(cè)樁體變形趨勢(shì)不同，基坑整體出現(xiàn)向荷載較小一側(cè)的側(cè)移，荷載較大一側(cè)樁體產(chǎn)生向開挖側(cè)位移，變形較大，荷載較小一側(cè)產(chǎn)生背離開挖側(cè)變形。

2)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形受空間效應(yīng)影響較大，表現(xiàn)為基坑中部位置變形大，兩邊變形小。

3)通過(guò)PLAXIS 3D計(jì)算得到的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與實(shí)測(cè)變形趨勢(shì)大體一致，同時(shí)在不規(guī)則內(nèi)支撐基坑開挖下較小一側(cè)施加坡頂土體堆載，可以有效減小開挖引起的荷載較大側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與彎矩。