不同临河距离条件下深基坑变形与稳定性分析

王小耿+李飞++张飞

摘 要：建立了临河软土深基坑抗隆起判断的有限元数值分析模型，分析临河基坑的变形性状与抗隆起稳定性，并对基坑临河水位及临河距离等因素进行参数分析，探讨围护桩的水平位移和坑底隆起回弹变化规律。分析结果表明，随着河流水位的增加，围护桩的水平变形与坑底回弹量也随之增加，基坑土体的抗隆起稳定性随之降低；临河距离大于2倍开挖深度时，临河距离对基坑变形的影响几乎可以忽略，但当距离小到基坑挖深的1/2时，抗隆起稳定性会急剧降低，基坑发生破坏。工程中应注意到这两种因素的综合影响，采取适当措施，控制基坑变形并提高基坑的抗隆起稳定性。

关键词：临河 水位 深基坑 变形 稳定分析

中图分类号：TU44；TU473 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0009-06

随着城市建设与地下轨道交通建设的不断发展，大量的深基坑工程开始涌现。由于发展的需要，不少基坑工程依水而建。此类基坑一方面由于非对称荷载[1-3]的作用，会严重影响基坑围护结构、地表以及河堤的受力与变形，使变形呈现非对称状态，容易造成深基坑的失稳[4]。另一方面又会由于河流渗流的影响[5]削弱土体强度，增加围护结构的压力，同时对围护结构的强度及止水防渗提出了更高的要求，增加了设计难度。而目前的一些研究着重于变形规律的认识，而对于在临河非对称荷载状况下基坑的隆起稳定分析却鲜有涉及，文献[6]对某河岸工程采用FLAC软件模拟了河流水位上升对河岸基坑稳定的影响，分析了河流水位上升对基坑土体与围护结构内力的影响。在临河非对称荷载状态下的基坑围护结构变形与坑底土体的回弹量，土体的稳定破坏机制与一般状况下的基坑有很大的差异。因此研究不同临河距离及河流水位下的深基坑开挖对围护结构的变形及基坑隆起稳定的影响，对基坑位置选择及工程中控制围护结构变形具有指导意义。

该文根据盐城滨海软土地区某深基坑实例为背景，采用岩土工程有限元软件Plaxis建立临河非对称荷载作用下的基坑变形与稳定数值模型，分析不同临河距离与河流水位等因素对深基坑变形性状的影响，探讨基坑圍护结构水平位移、坑底隆起回弹及抗隆起安全系数[7]的变化规律。

1 工程背景

盐城先锋国际广场基坑工程，三面环水，北面紧邻越河，距离约为10 m；西侧与先锋岛三期住宅楼基坑相连接；南侧临近已建地下一层非机动车库，距离1.5 m。东侧与现状小海路立交桥相邻。整个基坑面积14 000 m2，周长520 m，基坑实际开挖深度为8.55～10.05 m。周围环境下有管线分布，条件复杂。

基坑开挖深度内，场地岩土层自上而下分布依次为：①0.5～3.0 m厚的杂填土层；②10.4～1.7 m厚的粉质黏土层；②2A0.8～1.7 m厚粉土层；②25.9～9.6 m厚的淤泥质土层；③3.3～6.3 m厚粘土层；④3.4～8.9 m厚粉土夹粉砂；⑤2.9～7.0 m厚粉土；⑥1.9～4.9 m厚粉质黏土层。

2 临河基坑数值模型建立

2.1 数值模型与材料参数

该数值模型采用临河侧具有代表性的一个断面进行建模，基坑开挖宽度约为36 m，开挖深度为10 m，支护方式为Φ1000@1200钻孔灌注桩加两道钢筋混凝土支撑，并采用三轴深搅拌桩做止水帷幕。

该文采用的Plaxis模拟计算中，土体本构模型选取HS硬化模型，该模型为改进的莫尔—库伦模型，可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为[8]。该文模型中、、三者关系取值参照前人在HS模型方面已有的相关研究[9]。采用平面单元模拟土体，杆单元模拟钢筋混凝土支撑，钻孔灌注桩根据抗弯刚度等效的原则，采用等效厚度的板单元进行模拟。支撑的抗压刚度为EA=1.228×107kN，等效后的桩轴向刚度EA= 2.485×107 kN/m，抗弯刚度EI=1.288×106 kN/m2。桩与周围土体的接触用界面单元来模拟，界面强度折减系数取0.7，参考文献[4]中河流水压力的处理方法是把河岸与河底受到的水压力用同样大小的外力荷载来模拟。基坑左右边界施加水平约束，底部边界施加水平与竖向约束，岩土体采用15节点三角形单元来模拟，基坑模型网格图如图1所示。根据土层分布的性质特点，对性质相近的土层进行合并简化，相关土层参数见表1。

2.2 模拟基坑开挖方案

工程中基坑所处位置距离越河12 m，河流水位距离地表1 m。该文将从0 m、-1 m、-2 m、-3 m四个不同河流水位变化来分析河流水位升降对基坑变形及其隆起稳定的影响。然后再改变临河距离，建立临河3 m、5 m、7 m、12 m、17 m，22 m……的模型继续探讨。基坑开挖第一层土体到支撑底下1 m处，加设一道支撑，并对下一层土体进行疏干降水，然后继续开挖加设支撑直到基坑底部。

3 临河基坑隆起稳定状态

3.1 基坑变形状态

以临河12 m、河流水位为-1 m的基坑为例，基坑开挖到坑底以后，其临河与背河两侧围护桩的水平位移如图2所示，图中可以发现两者的水平位移十分接近，背河一侧围护桩的水平位移略大于临河一侧，最大位移出现在沿桩长约2/3处。而文献[10]中临河侧的位移要大于背河侧的位移，造成这一差别的原因可能是此模型中的临河距离小，同时河流水位不高，导致临河侧桩身所受压力小于背河侧桩身压力。

基坑底部土体下0.5 m处的隆起回弹量如图3所示。从图中可以发现，基坑底部的最大回弹量出现在距离坑壁约5 m处，达27.5 mm，在距离坑壁约8 m到基坑中心的一段区域中，基坑底部回弹量几乎保持不变。

3.2 基坑破坏状态

基坑在开挖卸载与河流压力的共同作用下最终位移增量云图如图4所示，基坑土体位移增量矢量图如图5所示。从图4中可以看出基坑临河一侧土体的位移增量远大于背河一侧的土体，且位移增量区域更加集中。从图5中类似地发现位移从河堤处向下发展绕过支护桩后在坑底部向上隆起，背河一侧的变化趋势与临河侧相似，位移增量区域面积比临河侧更大，但最终的位移增量要小于临河一侧。可能是临河侧由于河流水压力的约束限制了河流底部土体位移的发展，但背河一侧没有水压力，所以受基坑开挖影响而发生位移的区域更大。

4 河流水位与临河距离对基坑变形的影响

前面分析了临河基坑的变形及其破坏状态，与一般基坑的变形相比差异显著，尤其在破坏状态的时候。接下来将探讨临河水位与临河距离对基坑变形及其稳定性的影响。

4.1 河流水位的影响

该文模拟了河流水位从河底-3 m上升到地表0 m的4种不同工况，不同河流水位下基坑两侧围护桩的水平位移变化规律如图6（a）、6（b）所示。从图6（a）中可以看出，当河流水位为-3 m时，桩体的位移最小，随着河流水位的上升，围护桩的位移逐渐增大，当水位从-3 m上升到-2 m时，围护墙最大水平位移增大了10.1%，从-2 m上升到-1 m时，围护桩最大水平位移增加了14.0%，从-1 m上升到0 m，时围护桩的最大水平位移增加了22.0%，变化幅度逐渐递增。图6（b）中，背河侧围护结构的水平位移变化与临河侧呈现出相同的趋势，水位从-3 m上升到0 m时，每上升1 m，相应围护桩的最大水平位移增量为2.1%、3.4%和6.8%，远小于临河一侧的增量。可能是临河侧的水位上升会带来水压力的增加，加大了临河侧土体对围护结构的压力。

不同河流水位下基坑底部隆起回弹量变化规律如图7所示。从图7中可以发现，随着河流水位的上升，基坑底部下0.5 m处的回弹量也逐渐增加，最大回弹量发生的位置也发生改变，在水位-2 m、-3 m的情况下，基坑底部的最大回弹位移发生在基坑中心处。在水位升高到-1 m、0 m时，水压力增大，坑内土体受到的围护桩的压力也随之增大，坑底的最大位移出现在距离基坑边缘约5 m处，越往基坑中心位移越少，呈现马鞍形，河流水位的上升加大了坑底靠近临河一侧的土体隆起量。

通过强度折减法计算的抗隆起安全系数与坑底隆起量的关系曲线如图8所示。当河流水位逐渐上升，基坑抗隆起安全系数逐渐降低。当水位上升到0 m时，安全系数降低明显，此时对应的围护桩位移也增加很多，坑底处已经产生大量的隆起位移。强度折减计算中，图示仅说明基坑的破坏状态，图中曲线对应坑底位移无实际意义。

4.2 临河距离的影响

该文模拟了河流水位-1 m时基坑在临河5 m、7 m、12 m、17 m、22 m、27 m、32 m几种不同工況下的基坑开挖对围护桩变形及土体稳定性的影响，不同临河距离下基坑两侧围护结构的变形如图9（a）、9（b）所示。由图9（a）中看出，不同临河距离下，临河侧围护结构的水平位移变化规律较为一致，桩的最大水平位移出现在沿桩身约2/3处，随着临河距离的增加，水平位移逐步增大，当临河距离达到22 m（约两倍的基坑开挖深度）时，变化的幅度变得很小，距离大于22 m后，桩的水平位移几乎相同。图9（b）中，背河侧的围护桩的变形曲线基本相同，从临河5～32 m，围护桩的最大水平位移仅变化了1.1%，影响几乎可以不计。

临河距离与基坑底部回弹量的变化关系如图10所示，临河距离对于基坑底部回弹量的影响集中体现在临河一侧附近的回弹量，在临河侧距离坑壁5 m处的隆起量随着临河距离的变大而增加，距离到达约两倍基坑深度时，回弹量趋于一致。

不同临河距离坑底隆起量与抗隆起安全系数变化规律如图11所示，当临河距离大于5 m时随着临河距离的增大，抗隆起安全系数基本保持不变；当把临河距离缩小为3 m进一步计算时发现，当基坑开挖到第二层土时，整个计算过程变得十分缓慢，达到设定计算步数时仍未算完，增加计算步数，仍有不收敛的趋势。可以判定土体已经达到破坏状态，该步骤后坑底的最大隆起位移达到248.0 mm，远远超过其他距离下的坑底隆起位移。

5 结论

（1）临河基坑破坏时的滑裂面从河提往下延伸，绕过围护结构底部向上发展的一条曲线，河流的水压力限制了河流底部土体位移的产生，使得位移发生区域集中在河堤与基坑围护桩之间，同时也使得临河侧土体沉降位移远大于背河一侧。

（2）基坑围护桩的变形随着河流水位的升高而增大，增加幅度也变大，临河侧的变形增量明显大于背河一侧增量。基坑底部最大隆起量的位置发生改变，坑底隆起曲线由上凸曲线变成马鞍型曲线。同时基坑的抗隆起安全系数也随着河流的上升发生下降。工程中基坑围护结构的设计应考虑河流的水位变化对基坑变形与稳定性的影响，考虑到最大水位的情况。

（3）不同的临河距离下，基坑围护桩的变形规律大致相同，临河侧的变形略小于背侧的变形，当临河距离约为两倍基坑深度时，变形量基本不再增加，两侧的变形量也趋于相同，基坑底部回弹变化规律也相似，在约两倍基坑深度的临河距离后，隆起回弹量不再增加。工程中应避免基坑过于靠近河流，两倍基坑挖深开外能极大地避免影响。

参考文献

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