偏压荷载非等深基坑开挖的变形规律*

2018-11-16马俊

城市轨道交通研究 2018年11期

马俊

(黄淮学院， 463000，驻马店//工程师)

在地铁建设过程中，明挖车站因施工速度快、稳定系数高而在总的施工中占较大比例，但是在繁华的城市中开挖基坑，往往会遇到复杂的地面环境[1-3]。例如，基坑周边存在高层建筑、重要铁路干线等，均会对基坑造成不对称的偏压荷载，引起基坑受力模式发生改变，造成支护难度系数增加，严重时会导致基坑失稳破坏[4-6]。与传统基坑相比，由于偏压或者开挖深度不同造成的基坑受力变形模式以及开挖引起的环境效应等将发生很大变化。

对于基坑周边存在偏压荷载的情况，许多学者做了一定量的分析：文献[7]对基坑周边存在列车振动荷载下的基坑稳定性进行了分析，根据不同车速下支撑轴力的变化规律，提出了列车安全时速；文献[8]分析了不对称荷载作用下的基坑围护桩水平位移及桩顶水平位移，发现不对称荷载下型钢支撑容易发生偏心受压而出现应力集中，危险系数较大；文献[9]对不同偏压高度下的基坑围护结构稳定性进行了分析，发现偏压高度越大，支撑轴力相应增加；文献[10]利用数值模拟方法对基坑两侧不同荷载组合的情况进行了分析，发现基坑支护参数应根据偏压荷载的不同取值而做出相应改变，才能保证基坑的安全与稳定。然而，针对偏压和坑中坑共同影响下的基坑开挖效应，研究却不多。

本文以受列车偏压荷载影响的深基坑工程为背景，利用数值模拟建立三维模型，分析在偏压荷载下的基坑稳定变化特征，并提出关键支护参数，为同类工程提供参考。

1 工程概况

基坑东侧距边界5 m处存在与基坑纵向平行的高速铁路，基坑西侧为空旷的农田。铁路地基标高比基坑地表标高高出4 m，列车平均速度为190 km/h。基坑纵向长80 m，其中中间段长度40 m范围内，基坑开挖深度为27 m，支护结构采用灌注桩加内支撑形式，灌注桩长35 m，φ800 mm@1 200 mm，混凝土等级为C30，采用1道混凝土支撑+7道型钢支撑；两端长度各为20 m范围内，基坑开挖深度为16 m，支护结构同样采用灌注桩加内支撑形式，灌注桩长24 m，φ800 mm@1 200 mm，1道混凝土支撑+3道型钢支撑。两端基坑与中间基坑宽度均为12 m，但开挖深度相差11 m，属于非等深基坑。中间段基坑与列车荷载的相对位置如图1所示。

图1 基坑支护概况

基坑开挖范围从上到下依次为粉质黏土、卵石层、黏性土和中风化花岗岩。粉质黏土颜色较深，杂质较多，主要分布于地表；第二层为卵石层，粒径平均分布在20～50 mm之间，并含少量的植物根茎；第三层为黏性土，硬塑状，中压缩性；第四层为中风化花岗岩，岩性较差，单轴饱和强度为4 MPa，分布范围较广。车站地下水位距离地表7 m，下部岩石层相对隔水。

2 仿真模拟分析

2.1 模型建立

利用有限元软件建立三维数值模型，如图2所示。为消除基坑开挖对模型边界的影响[11-12]，确定模型尺寸为长200 m、宽150 m、高80 m。模型的边界条件为：四周固定模型的竖向位移，底部同时固定水平与竖向位移，顶部为自由面。围护桩按照刚度等效原则换算为围护墙，混凝土支撑采用实体单元模拟，型钢支撑采用pile单元模拟。在模型的右侧施加竖向静荷载，荷载取值按照TB 10001—2005《铁路路基设计规范》[13]中列车荷载换算土柱高度及分布宽度进行计算，竖向数值为35 kN/m。

a) 正视图

2.2 参数选取

土体本构模型采用HS，其参数包括：有效内黏聚力c、有效内摩擦角φ、剪胀角ψ，三周固结排水试验确定的割线模量E50,ref、固结试验参考切线模量Eoed,ref及与模量应力水平有关的幂指数m，三轴固结排水卸载再加载试验的卸载再加载模量Eur,ref和泊松比vur、参考应力Pref、破坏比Rf，正常固结条件下的静止侧压力系数K0。由地勘资料析取各参数带入模型中，以地表沉降实测值为参照标准，按照95%的逼近值反演本构模型参数，确定的模型参数如表1所示。

钻孔灌注桩按照式(1)换算成厚度为h的地下连续墙。

(1)

式中：

D——围护桩直径；

表1 岩土层物理力学参数

L——相邻围护桩间距。

第一道混凝土水平支撑重度取24 kN/m3，泊松比取0.2，弹性模量取31.5 GPa；第一道及第四道型钢支撑重度取78.5 kN/m3，泊松比取0.2，弹性模量取200 GPa。

2.3 模拟步骤

基坑开挖通过定义土体为null模型来实现。其步骤为：① 进行初始地应力场平衡，将最大不平衡力设置为10 N，清除模型的竖向及水平向位移；② 按照设计文件进行围护墙施工，将模型的最大不平衡力降到10 N；③ 开挖第一层土体至第一道混凝土支撑设计标高以下0.5 m，并施工第一道混凝土支撑，将模型运行至平衡；④ 开挖第二层土体至第一道型钢支撑设计标高以下0.5 m并施工第一道型钢支撑，以此类推施工剩余型钢支撑。

3 仿真结果分析

3.1 模型可靠度验算

取基坑左侧无偏压荷载下围护桩的实测水平位移曲线与数值模拟得到的围护桩水平位移曲线进行比较，如图3所示。实测值与模拟值在整体规律上较为相似，两条曲线的最大水平位移值均出现在距桩顶15 m位置处；水平位移实测最大值为30 mm，模拟最大值为28 mm。数值模拟中将钻孔灌注桩等效为连续墙，支护强度有所增加，而且实际施工过程中，基坑周边施工荷载和人员走动荷载也会加剧基坑土体变形。因此，实际的支护强度并不能与理论的支护强度完全划等号，两者在实际效果上存在差别。不过根据图示曲线判断，数值模拟参数及模型是可以反映偏压基坑结构变形规律的。

图3 基坑左侧无偏压荷载下桩身模拟水平值与

3.2 围护结构变形分析

图4所示为基坑中间围护桩(1#桩位)变形数值模拟与实测对比，可见，两组曲线整体规律相似，随着基坑深度的增加，水平位移逐渐增加，随后再减少，呈“侧凸”型。在有偏压振动荷载的一侧，桩顶位置向基坑内部水平位移值为18 mm，且拆除第四道横支撑时，围护桩的最大水平位移值增加至42 mm；实测数据在基坑开挖至坑底时(对应开挖步序5)，最大水平监测位移为40 mm，与模拟值相差2 mm。无偏压荷载一侧桩顶水平位移仅为5.8 mm，在拆除第四道水平支撑后，桩身最大水平位移值为31 mm；基坑开挖至底部时(对应开挖步序5)，围护桩最大实测数据与模拟数据相同。有偏压荷载侧和无偏压荷载侧的围护结构变形规律的区别，主要体现在两侧围护结构的桩顶水平位移。实际施工过程中，两侧灌注桩的成桩质量及施工工艺均相同，两侧结构的变形差异主要是由不均荷载引起的。基坑开挖过程中，车辆荷载和路基荷载(路基高4.0 m)一直存在，这种荷载通过地层应力分配再由水平支撑传递至无偏压荷载一侧，进行应力重分配，导致无偏压荷载一侧基坑顶部水平位移向远离

a) 无偏压荷载侧b) 有偏压荷载侧

基坑方向移动。在偏压荷载严重时，无荷载一侧的围护结构极易发生踢脚破坏。这两种现象都是非对称荷载下基坑变形的规律。

图5所示为沿基坑纵向不同位置处围护桩在基坑开挖到底时的模拟水平变形规律。由图5可知，沿基坑纵向，围护桩变形具有明显差异性。而在开挖较深的中间基坑部分，围护桩变形明显大于两端开挖较浅处基坑围护桩水平位移。因此，对于非对称荷载及非等深基坑开挖，在有偏压荷载开挖较深的中部基坑段，围护桩水平位移最大，在施工中应严格控制开挖深度，分层开挖，以保证基坑的稳定性。

a) 无偏压荷载侧b) 有偏压荷载侧

3.3 基坑坑底隆起规律

由图6可知，坑底隆起量随着基坑开挖深度的增加逐渐增大，同一施工步时基坑中部负三层坑底隆起值大于两端负二层坑底隆起值。在基坑中间开挖深度27 m位置处，基坑隆起量最大，两端开挖较浅位置(深16 m)基坑隆起量相对较小。沿基坑纵向，基坑隆起有明显的差异，且开挖越深，隆起量越大。在基坑开挖较深位置处，底部土体卸载量较大，土体单元处于应力较高的状态，并且基坑较深位置处的围护结构向基坑内部移动较大，对底部土体造成挤压，也加剧了基坑底部土体的隆起。因此，沿基坑纵向的中间位置，基底隆起量达58 mm，在两端开挖较浅的位置，基底隆起量仅为24 mm，并且在深浅基坑交接的位置，隆起量发生了突变。基坑底部实测数据(对应基坑开挖步序8)最大隆起量为55 mm，较模拟值偏小，这是因为在Flac3D中定义的土体服从摩尔库伦准侧，该模型在土体卸荷时易发生较大的回弹变形，故得出的数据较实测数据大。此时，偏压荷载对基坑隆起值影响并不明显，该工程造成坑底隆起的主要因素是基坑开挖深度及土体卸载引起的土体回弹因素。

图6 基底模拟隆起值与实测值对比图

坑底不均匀隆起会引起支护结构的不均匀上抬，如果存在中间立柱，中间柱与围护结构的变形差异会造成内支撑由轴心受压变成偏心受压，若变形过大会造成支撑脱落。因此，对于深大基坑工程(特别是内部深度开挖差异较大的工程)的施工，控制坑底隆起和差异沉降是一个不容忽视的问题。实际工程中，可通过在坑底施打工程桩、加固坑底被动土体、及时浇筑垫层或底板、尽量减少坑底暴露时间、防止雨水浸泡和坑底抗渗等措施，来控制坑底隆起值。

3.4 基坑地表沉降规律

图7所示为基坑地表沉降随开挖深度增加的变化规律。可以得到，地表最大沉降值随着基坑开挖深度的增加逐渐增大，距离基坑最近的点位，土体沉降较小，在远离基坑侧壁的位置，沉降值逐渐增大，随后开始减少，曲线整体呈“汤匙”型。有偏压荷载的一侧，基坑开挖到底时，地表最大沉降值为28 mm，此位置距离基坑侧壁30 m；基坑开挖到底时，地表实测最大沉降值为30 mm，距离基坑的位置与模拟值一致。造成模拟值偏小的原因是仿真中无法完全模拟现场人员走动、雨水渗漏等造成的沉降增加情况。无偏压荷载一侧，基坑地表最大沉降值为13 mm，该位置距离基坑侧壁15 m；实测最大沉降值为13.5 mm，位置同样与基坑围护结构相距15 m，与模拟值较为吻合。对比发现，有偏压荷载一侧的最大地表沉降值是无偏压荷载侧的的2倍，最大沉降值出现的位置(距基坑侧壁的距离)也是无偏压荷载侧的2倍。偏压荷载处，基坑开挖到底时，地表沉降范围是基坑开挖宽度的3倍，而无偏压荷载处，地表沉降范围是基坑开挖宽度的2倍。因此，在有荷载的一侧，应加强基坑的监测频率，严格把控支护安装质量，及时架立临时支撑，控制倒撑及换撑的时间，以确保结构的安全。