高边坡对邻近基坑稳定性的影响研究

刘继强，田志强，林志斌，李元海

(1.中铁南方投资发展有限公司，广东深圳 518000;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044; 3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)

0 引言

地铁车站基坑通常会遇到各种不同的施工条件，包括极其复杂的工程水文地质与地形情况，当基坑一侧存在山地边坡、高层建筑物或临时堆载时，基坑受到的偏压作用不仅使基坑的设计、支护、施工变得更加复杂［1－3］，而且会使基坑两侧桩体产生不一致的变形、弯矩，基坑稳定性大大降低［4－6］，此时基坑稳定性的研究就成为一个不可忽视的问题。通常基坑开挖的稳定性分析从应力与应变2方面进行考虑，主要为土体的应力、水平位移、竖向地表沉降以及支护结构的应力、位移等［7－10］。而目前，关于偏压基坑稳定性的文献资料很少，同时这些文献都未对偏压作用下基坑稳定性的变化规律进行深入研究［1－6］。因此，本文以深圳地铁5号线上水径车站工程为背景，采用FLAC3D软件，对不同基坑距边坡距离下(即不同偏压作用)基坑的桩位移、桩弯矩、支撑轴力、边坡沉降等进行模拟分析，以获得不同基坑距边坡距离下基坑和边坡的变形规律，同时可为基坑设计时基坑位置的选取提供参考。

1 工程概况

2 计算参数及计算模型

2.1 计算参数

由于深基坑开挖一般首先进行降水，故假定水位已降到坑底以下，计算模型中没有考虑地下水的作用;基坑外侧有旋喷桩做止水帷幕，阻隔了地下水的渗流，故假定基坑内侧土体无渗流力作用，不考虑地下水渗流。土体采用摩尔库伦模型，土层参数(见表1)主要依据现场实验和实验室的测试结果确定。冠梁采用弹性单元，弹性模量和泊松比分别取30GPa和0.25。钻孔桩、锚索及支撑采用结构单元(见表2)，同时考虑基坑周围的堆载情况，在基坑两边15m范围内各加一个10kPa的荷载。

表1 土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

表2 结构单元参数Table 2 Parameters of structural element

2.2 计算模型

基坑一般为不规则的矩形、弧形组合，有较强的空间效应。就基坑变形而言，研究证明二维计算结果一般在基坑转角处比三维大15%左右，而在基坑其他部位相差不大［11］。同时经验表明，基坑失稳事故多从基坑拐角处支护结构失效开始的，因此，将基坑分析按二维问题处理，是偏于安全的;同时，考虑到本文需要计算的方案较多，如采用三维模型，计算时间太长;以及希望用“二维模型”来排除纵向地形与基坑形状条件的影响，获得更为一般的规律。故本文拟取工程中的一个断面进行二维模拟分析。一般来说，基坑开挖影响长度约为开挖深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍［12］，当基坑距边坡的距离d为4 m时，模型范围为184.4 m×69.9 m，如图1所示。基坑第一级和第二级台阶边坡分别设置3根和4根长度均为24m的锚索，第三级则设置5根12 m的全粘结锚杆;同时在地面以下0.5，7.5，14，18 m处设置1道直径600 mm、t=16 mm的钢管横撑。基坑开挖共分5步进行，基坑土体各步开挖至地面以下1.5，8.5，15，19，23.3m。

图1 高边坡下基坑二维FEM计算模型Fig.1 2D FEM model of foundation pit at the foot of high slope

2.3 计算方案

为研究在基坑设计位置允许的变化范围(通常较小)内，不同基坑距边坡距离对深基坑的稳定性影响，共设置8种方案，如表3所示。

表3 基坑距边坡距离的拟定方案Table 3 Options of distance between foundation pit and slope

3 计算结果

3.1 与实际监测对比分析

由于实际工程中监测桩位移的断面距边坡距离为3 m，相同距离下模拟计算与实际监测中的近坡桩位移如图2所示，从图2中可以看出:数值模拟得出的左桩变形模式，位移最大值与最小值的出现位置、大小均与实际相符合;数值模拟得出边坡的最大沉降值为11.08 mm，实际监测值为11.98 mm。因此，从两者的对比分析结果来看，可以认为本次模拟在一定程度上能够反映出实际基坑的变形及稳定性情况，研究结果将具有一定的可靠性与可信性。

图2 模拟计算与实际监测中的近坡桩位移Fig.2 Displacement of piles on the side close to the slope:calculated values VS measured values

3.2 基坑距边坡距不同距离下的基坑变形机制分析

桩后土压力的大小和分布，对支护结构体系的内力、变形和稳定性验算有着决定性的作用，桩后土压力越大，基坑围护桩的变形、内力以及边坡的沉降值就越大，基坑的整体稳定性影响就越小。从图3中可以看出:随着基坑距边坡距离的增大，基坑桩后的竖向土压力呈非线性的逐渐减小，当基坑距边坡距离大于16 m，桩后的土压力基坑保持不变，这就意味着随着基坑距边坡距离的增大，基坑桩的位移、边坡沉降等将会呈现非线性增长或衰减的规律，至一定距离时，其大小将不会发生变化。为研究这种非线性增长或衰减的规律变化以及相应的函数关系，对不同基坑距边坡距离下的基坑桩位移、弯矩、稳定安全系数等进行分析。

图3 基坑距边坡不同距离下的近坡桩后土压力Fig.3 Soil pressure behind piles close to the slope in the case of different distances between the slope and the foundation pit

3.3 基坑距边坡距离对桩体位移的影响

图4为基坑距边坡不同距离条件下在基坑开挖施工完成后近坡桩和远坡桩的位移曲线(往基坑内为正)。由图4可以看出:由于边坡对基坑产生的偏压影响随距边坡距离的增大而逐渐减小，因此，当基坑距边坡距离小于16 m时，基坑两侧的桩将会发生向远离边坡方向的整体偏移，桩顶水平位移最大，且近坡桩的位移要比远坡侧桩约大30%;当距离达到16 m以上时，基坑近坡桩几乎不发生变形，远坡桩开始呈“弓形变形”，并在约－15 m处出现最大的正位移。

图4 距边坡不同距离下桩体位移曲线Fig.4 Curves of displacement of piles in the case of different distances between the slope and the foundation pit

图5给出了桩的最大水平位移与距基坑距离的变化曲线。拟合结果显示:高边坡下近坡桩的最大位移y与基坑距边坡距离d呈指数衰减关系:y= 23.79e(－d/3.40)+1.62，随着距离的增大，近坡桩位移的减小速率逐渐变小，可以认为，当距离为24 m以上时，近坡桩的最大位移值基本保持不变;远坡桩最大位移y与距离d呈指数递增关系:y=－23.64e(－d/5.93)+ 4.26，随着距离的增大，远坡桩位移的增大速率逐渐变小，当距离为24 m以上时，远坡桩的最大位移也将趋于稳定。

根据简化规则1、规则2，以PG&E69节点系统为例，标准PG&E69节点系统如图1(a)所示，简化PG&E69节点系统如图1(b)所示。

图5 桩体最大位移与距边坡距离的关系曲线Fig.5 Curves of relationship between maximum pile displacement and the distance between the slope and the foundation pit

根据桩的允许最大变形设计值30mm和两侧桩的拟合公式反算可知，该工程基坑距边坡最小距离可选0m。

3.4 基坑距边坡距离对桩体弯矩的影响

图6为距边坡不同距离下桩弯矩的变化曲线，当距离为2 m时，基坑两侧桩体的弯矩受支撑设置位置的影响均呈波浪形分布。此时，近坡桩和远坡桩的最大弯矩分别出现在第4道和第2道支撑处，分别为949 kN·m和510kN·m，近坡桩弯矩值明显大于远坡桩。随着距离的增大，近坡桩弯矩在第2道支撑位置以上改变很小，在第2，3道支撑位置处桩的负弯矩则随着距离的增大而逐渐减小;远坡桩弯矩在－21 m处桩的正弯矩随着距离的增大先逐渐减小，后迅速增大，在第3道支撑位置以上改变则很小。总的来说，基坑距边坡距离的改变对近坡桩弯矩的影响比远坡桩大。

图6 距边坡不同距离下的桩体弯矩曲线Fig.6 Curves of bending moment of piles in the case of different distances between the slope and the foundation pit

3.5 基坑距边坡距离对支撑轴力的影响

图7给出了距边坡不同距离下支撑轴力曲线。随着距离的变化，4道支撑轴力的相对大小关系没有发生较大变化，都是第2道最大，第1道最小，第3道和第4道相差不大。随着基坑距边坡距离的不断增大，第1道、第2道支撑的轴力逐渐减小，第3道支撑轴力先减小而后增大，第4道支撑轴力则变化不大。可以看出:当基坑距边坡距离大于8 m时，距离的改变对各道支撑轴力的影响不大。

图7 距边坡不同距离下的支撑轴力曲线Fig.7 Curves of axial force of the support in the case of different distances between the slope and the foundation pit

3.6 基坑距边坡距离对远坡侧地表沉降的影响

图8给出了基坑距边坡不同距离下的基坑远坡侧的地表沉降曲线，当距离为0 m时，虽然远坡桩发生了向坑外的变形，但由于超载的影响，基坑远坡侧地表仍存在约17m的沉降范围，沉降最大值出现在距坑边12 m左右处，凹槽以外地表各点几乎不发生沉降;随着距边坡距离的增大，远坡侧地表沉降影响范围基本不变，但由于基坑远坡桩偏向基坑外的位移越来越小，使得远坡侧地表沉降值越来越大，出现最大值的位置也逐渐向基坑内靠近。

图8 距边坡不同距离下远坡侧地表沉降曲线Fig.8 Curves of ground surface settlement on the side away from the slope in the case of different distances between the slope and the foundation pit

从图9中可知:基坑距边坡距离从0 m增加到2 m时，远坡侧的最大地表沉降变化很小;当距边坡距离大于2 m时，远坡侧地表最大沉降值y与基坑距边坡距离d大致成指数递增关系:y=－7.42e(－d/6.17)+ 15.6;随着基坑距边坡距离的增大，远坡桩地表沉降的增大速率逐渐变小，当距离为24 m以上时，远坡桩地表沉降最大值基本不发生变化。

图9 远坡侧地表最大沉降与基坑距边坡距离关系曲线Fig.9 Curves of relationship between the maximum ground surface settlement on the side away from the slope and the distance between the slope and the foundation pit

3.7 基坑距边坡距离对近坡侧边坡影响

3.7.1 边坡沉降

图10为距边坡不同距离d下的边坡沉降曲线，当距离d=0m时，边坡最大沉降值出现在距坡底水平距离为8 m处的位置，为18.10 mm;从该位置外两边，其沉降值都逐渐减小，基坑开挖对边坡的影响范围约为

1.8 H(H为基坑开挖深度)。由于近坡桩的侧向变形随着d的逐渐增大而逐渐后移，边坡的沉降值逐渐减小，但影响范围变化不大。

图10 距基坑不同距离下的边坡沉降曲线Fig.10 Curves of slope settlement in the case of different distances between the slope and the foundation pit

从图11的拟合分析结果看出:边坡最大沉降值y与d呈指数衰减关系，关系式为y=18.08e(－d/7.61)－0.11，当距离达到16 m以上时，基坑开挖对边坡的影响可忽略不计。

图11 边坡最大沉降与基坑距边坡距离的关系曲线Fig.11 Curves of relationship between the maximum settlement of the slope and the distance between the slope and the foundation pit

3.7.2 锚杆轴力变化

在基坑距边坡不同距离下，基坑开挖前后前2级台阶边坡上设置位置由坡底至坡顶的7根锚杆的轴力变化值如表4所示。由表4数据可知:受基坑开挖影响，第1台阶锚杆(1#～3#)，位置距坡底越近的锚杆，轴力变化越大;第2台阶锚杆(4#～7#)，7#轴力变化最大，5#变化最小。基坑距边坡距离越大，基坑开挖引起的锚杆轴力变化越小，当基坑距边坡距离大于16 m时，基坑开挖对边坡锚杆的影响可以忽略不计。

表4 距边坡不同距离下基坑开挖前后锚杆轴力变化值Table 4 Variations of axial force of anchors before and after foundation pit excavation in the case of different distances between the slope and the foundation pit kN

3.8 基坑距边坡距离对基坑稳定性的影响分析

3.8.1 整体稳定性影响

图12为基坑距边坡不同距离下基坑的整体安全稳定系数曲线。当基坑距边坡距离发生变化时，基坑整体易发生失稳的位置都位于第3级台阶边坡上(见图13)。因此，基坑距边坡距离的增大对基坑整体的稳定性影响很小，整个过程中，基坑整体稳定性系数y与距边坡距离d大致成指数增长关系:y=－0.43e(－d/53.17)+2.22，当基坑距边坡距离为0 m，基坑的整体稳定安全系数最小，为1.80。

3.8.2 不对称稳定性影响

有边坡两侧土层非对称基坑、无边坡两侧土层非对称基坑以及无边坡两侧土层对称基坑的基坑整体稳定安全系数见表5。有边坡两侧土层非对称基坑由于边坡的稳定性直接决定着该类基坑的整体稳定性，因此，距边坡不同距离下该类基坑整体稳定性系数普遍偏小，且随距边坡距离变化很小;无边坡两侧土层非对称基坑由于随基坑距边坡距离的变化，基坑两侧桩所处的地层条件完全不一样，导致该类基坑的稳定性系数随距边坡距离变化带有一定的随机性;当基坑两侧桩所处地层条件一致时，该类基坑随距基坑距离的增大而逐渐增大;无边坡两侧土层对称基坑由于是绝对对称的(当基坑距边坡距离发生变化时，基坑两侧桩所处的地层条件和周边环境都保持一致)，因此，随基坑距边坡距离变化，该类基坑稳定系数不发生改变。同一基坑距边坡距离条件下，无坡两侧土层对称基坑安全稳定系数最高，有坡两侧土层非对称基坑安全稳定系数最低。

表5 不同基坑类型下的基坑稳定安全系数Table 5 Safety factors of different types of foundation pits

4 结论与讨论

4.1 结论

根据深圳地铁5号线上水径站的数值计算结果及统计分析，可以得出以下结论:

1)高边坡下基坑施工过程中，近坡桩的最大位移与基坑距边坡距离呈指数衰减关系:y=23.79e(－d/3.40)+ 1.62;远坡桩最大位移与距离呈指数递增关系:y=－23.64e(－d/5.93)+4.26。当距离为24 m以上时，两侧桩的最大位移将趋于稳定。

2)当距边坡距离大于2 m时，远坡侧地表最大沉降值y与基坑距边坡距离d大致成指数递增关系:y=－7.42e(－d/6.17)+15.6。当距离为24 m以上时，地表沉降最大值将保持不变。

3)边坡最大沉降值y与d呈指数衰减关系，关系式为y=18.08e(－d/7.61)－0.11，当距离达到16 m以上时，基坑开挖对边坡的影响可忽略不计。

4)基坑整体稳定性系数y与距边坡距离d大致成指数增长关系:y=－0.43e(－d/53.17)+2.22，当基坑距边坡距离为0 m，基坑的整体稳定安全系数最小，为1.80。

4.2 讨论

1)通过对基坑距边坡不同距离下的桩位移、地表沉降、边坡沉降等进行相关规律分析，能够为本工程基坑设计和今后类似工程稳定分析提供一定的参考。

2)虽然旋喷桩起到了止水帷幕的效果，但基坑内外水的渗流作用仍无法避免，因此，为更好的模拟实际工程影响，今后的研究中应考虑水土耦合作用。

3)基坑工程实际上是一个具有三维时空效应的形体，本次模拟采用二维模拟分析，简化了计算。因此，如进一步研究本工程的相关课题，可以考虑采用三维模型进行模拟分析。

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