施工扰动荷载对基坑支护结构的影响研究*

李 芬 于建立

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

0 引 言

城市建设开挖场地受限，基坑工程呈现出开挖面积大、挖深不断加大、形状多式多样、周围建筑环境越来越复杂以及支护体系的形式多样性等特点，由此产生的环境效应问题日益突出[1].由于基坑设计规范中并未明文规定基坑支护设计时必需考虑基坑边上车辆荷载等扰动荷载的影响[2]，所以在一般情况下，在支护设计时很少考虑扰动荷载对基坑及其支护结构的稳定性和周边地表的影响.随着基坑工程项目的研究越来越多，学者们开始研究坑外扰动荷载对基坑的影响.刘素锦等[3]分别采用等效均厚土层法和集中荷载法计算车辆动荷载，讨论分析了这两种计算方法下不同支护方式的安全系数；唐丽云等[4]采用FLAC3D软件分析了考虑破裂角时常规、改进等效代换土层厚度法计算车辆荷载对连续墙的稳定性及水平位移的影响；林刚等[5]运用PLAXIS软件模拟分析了在不平衡堆载情况下，基坑开挖对地下连续墙的内力及位移的变化影响；张向东等[6]以有限元软件ADINA分析了交通荷载参数、基坑参数对桩锚式支护体系下的等效混凝土墙最大位移及变形量的影响；徐长节等[7]通过研究某工程实例，分析了车辆冲击荷载对基坑围护结构失稳的影响；陈梅等[8-9]通过有限元模型及ABAQUS软件，分析讨论了不同车辆荷载计算模型下坑周土体及地下连续墙的变形规律和坑顶车辆动载的影响深度等；邱洪志[10]运用ABAQUS软件分析了不同车辆荷载简化形式下对桩锚支护结构的内力及位移的影响；李玉岐等[11]使用考虑流固耦合作用的有限元软件，分析研究了坑外荷载大小、作用范围和作用时间对地下连续墙水平位移、地表沉降及坑底隆起变形的影响.

综上研究，大多是针对不同荷载对地下连续墙、桩锚式支护体系的影响，少有涉及研究施工车辆对基坑桩撑式支护结构的影响,因此，本文结合武汉市某电力隧道基坑工程，使用有限元软件Midas GTS分析基坑周边临时停放的机械设备扰动荷载的大小及所处不同位置时，对基坑桩撑式支护体系的影响.

1 工程概况

武汉市某电力隧道基坑工程位于长江冲积一级阶地地区.基坑开挖深度为6.9 m，长为39 m，宽为5.2 m.支护结构采用直径为1.2 m的挖孔桩，桩间距为1.3 m，桩长为12.9 m；桩顶设置截面尺寸为1.3 m×0.8 m的冠梁；桩间设置一道直径为0.63 m，厚度为10 mm的钢管支撑，水平间距为5.2 m.基坑周边考虑20 kPa的均布荷载，基坑支护结构体系设计未考虑施工扰动荷载影响.由于基坑较长，故分两步开挖.在第一步开挖完成后施加水平钢支撑，并进行第二步开挖，开挖不久后因下雨施工车辆临时停放在基坑附近，支护结构的冠梁出现裂缝.

根据勘察报告可知，基坑开挖及计算模型涉及到的场地地层自上而下由以下土层组成：松散-稍密的杂填土、可塑状的粉质黏土、塑-可塑状的粉质黏土、硬塑状的黏土.各土层物理力学参数见表1.

表1 地层物理力学性质参数

2 数值模型验证

2.1 建立计算模型

由于基坑开挖所产生的影响深度及宽度分别为基坑深度的2～4倍和3～4倍，故而取模型尺寸为80 m×50 m×21.5 m，基本计算模型见图1.土体采用摩尔-库伦本构模型，土体单元采用实体单元，计算参数见表1.支护桩、冠梁及钢横撑采用弹性本构模型，取梁单元模拟，材料参数见表2，桩土之间的相对滑动以界面接触进行模拟，参考Midas/GTS取值要求界面参数见表3.临时停放的施工机械按其重量等效施加在机械与土体的接触面积上，大小取为56 kPa，长边方向距离基坑中线5.5 m，短边方向距离基坑边缘1.4 m，见图1b).

图1 基坑计算模型

基本工况则根据实际施工情况进行模拟，基坑开挖分两步进行.首先开挖计算模型的深色区域，并施工3根钢横撑；第二步开挖白色区域，并施工相应的4根钢横撑.

表2 支护结构材料参数

表3 界面单元参数

计算模型的位移边界条件为：模型长边进行y方向约束，短边进行x方向约束，模型底面进行x,y,z方向约束.基坑开挖分两段进行，故开挖第一段时对第二段土体进行x方向位移约束.

2.2 计算结果与实测结果对比分析

基坑分步开挖过程中，监测点大致分布及实际监测位移见图2.由图2b)可知，在第二段开挖时，④号观测点处的位移出现了剧增现象，结合工程实际情况，此观测点附近临时停放了施工车辆，使冠梁出现了裂缝.通过数值模拟结果可知，在开挖第一段时，冠梁出现了两处相对较大的弯矩值，在停放临时荷载后，所有弯矩都有所增大，但在扰动荷载附近处的冠梁弯矩极大值出现明显增大现象，而且附近位移也明显增大.数值模拟结果显示：此处弯矩值由原来的662.2 kN·m增大到了741.8 kN·m，增大幅度为12.02%；位移值则从3.04 mm增大到3.48 mm，增大幅度为14.47%.因此，由于扰动荷载的临时停放，使得附近冠梁的弯矩和位移明显增大，从而导致了冠梁的开裂.实际施工中，在发现冠梁开裂后，及时将扰动荷载移走，并在冠梁裂缝附近添加了一道横撑，使支护结构得到及时维护，使得未对后续工程的施工产生较大影响.

图2 监测点布置及位移变化图

冠梁顶部各监测点的最终位移与数值模拟结果对比分析见表4.由表4可知，实际监测水平位移值与数值模拟水平位移值的比值均处于0.94～1.09，而且数值模拟得到的相应的位移云图变化趋势也和实际值一致，表明此数值模型模拟效果良好.

表4 冠梁顶水平位移值对比

3 扰动荷载对基坑支护结构的影响分析

3.1 扰动荷载位置的影响

1) 沿基坑长边方向 由于本基坑是对称的，故取其中一半作为研究对象，在图3中基坑所示坐标下，沿基坑y方向距离-1.4 m，x方向距离为0(坑角)，-5，-10，-15及-19.5 m(基坑中线)施加56 kPa荷载进行研究分析.不同距离的冠梁弯矩及位移在加载前后的变化见图4，计算结果显示弯矩较大值大多出现在两横撑中间，故分别取图3中1～3编号代表横撑间的弯矩值进行讨论.

图3 荷载施加位置图

图4 沿基坑长边方向冠梁弯矩及位移变化图

由图4可知，基坑边缘临时车辆荷载的停放位置不同，使得弯矩及位移明显增大的位置也不尽相同.施加荷载附近处，冠梁的弯矩及位移均出现明显的增大现象，弯矩的增大幅度在9.8%～24.4%，而位移增大幅度在10.8%～14.4%.对比得知，车辆荷载处于-15 m时，所对应的1号位置处弯矩及位移增大幅度均最大，分别为24.4%和14.4%.说明临时车辆荷载停放在基坑中部附近时为最不利情况,因此，施工车辆应避免停放在此区域.

2) 沿基坑短边方向 根据上面计算结果，讨论短边方向变化时荷载位置取沿基坑x方向-15 m处，沿基坑y方向距离分别为-1，-5，-10及-15 m施加56 kPa荷载进行研究分析.沿短边方向1号点冠梁的弯矩及水平位移在加载前后的变化见图5(其中:弯矩/(kN·m)，位移/10-2mm)，同时取1号位置所在截面的支护桩的水平位移和弯矩作图，其中支护桩水平位移见图6，由于支护桩的弯矩变化很小，故不再作图分析.

图5 沿基坑短边方向冠梁的弯矩及位移变化图

图6 沿基坑短边方向布载时支护桩水平位移图

由图5可知，临时扰动荷载距离基坑越近，冠梁的弯矩越大，位移也越大.在10 m以内时，弯矩及位移均急剧增大，尤其是小于5 m时，增大幅度均在10%以上，对冠梁影响较大.当超过10 m时，曲线趋于平缓，影响效果已大大减小，尤其到15 m时，影响效果已在5%左右，对冠梁已构不成威胁.由图6可知，扰动荷载的不同停放位置下，支护桩水平位移的趋势大致一致，最大水平位移分别为8.35，8.30，8.29，8.12，8.04 mm，最大相差值仅0.31 mm.所以，扰动荷载的不同停放位置对支护桩的影响并不大，而且最大位移值基本都处于开挖深度5.5 m处.因此，临时车辆扰动荷载的不同停放位置对冠梁影响较大，其影响范围为3倍基坑宽度.

3.2 扰动荷载大小的影响

研究扰动荷载大小对支护结构的影响时，将荷载放置在沿基坑x方向-15 m，沿基坑y方向-3 m处.根据不同型号的挖掘机质量(10，20，30，40 t)将扰动荷载取为28，56，84和112 kPa.对应不同荷载1号位置处冠梁的弯矩及水平位移的变化见图7(其中:弯矩/(kN·m)，位移/10-2mm)， 由图7可知，随着临时扰动荷载的不断增大，冠梁的弯矩及位移也在增大，且增大的速度也越来越快.

图7 不同荷载大小下冠梁的弯矩及位移变化图

图8 不同荷载大小下支护桩水平位移图

同时取1号位置所在截面处的支护桩水平位移见图8.由图8可知，在不同大小扰动荷载的作用下，支护桩水平位移的趋势大致一致.最大水平位移分别为7.93，8.10，8.32，8.62，9.13 mm，最大相差值虽然仅为1.2 mm，但最大位移点随着荷载增大，不断上移，未加荷载时距坑顶5.5 m左右，当车辆荷载为40 t时，最大位移点移到距坑顶5 m处.因此，临时车辆扰动荷载的大小不仅对冠梁影响较大，同时对支护桩也有所影响.实际施工中，应充分考虑荷载大小对冠梁的稳定性及支护桩的影响.

3.3 土层性质的影响

为考虑不同土层性质的影响，分别采用粉质砂土、粉质黏土和黏土建立基坑数值模型，土层的相关参数取值见表5，比较不同土层性质对基坑支护结构的影响.在图3所示坐标系下，在基坑x方向-15 m处，沿基坑y方向取距离为-1，-5，-10及-15 m施加56 kPa荷载进行研究分析，得出不同土层基坑加载后冠梁的弯矩和位移的变化见图9.

表5 土层性质相关参数

图9 沿基坑短边方向冠梁弯矩及位移变化图

由图9可知，对于均一的土层而言，加载后冠梁的弯矩和位移沿基坑长边方向变化的趋势与实际基坑工程的变化趋势基本一致，在距离基坑10 m以内范围，黏土层中的冠梁的弯矩和位移变化均较快.而当土层为粉质砂土时，冠梁的弯矩及位移在距离基坑-5 m以外就开始趋于平缓；当土层为粉质黏土时，冠梁的弯矩及位移在距离基坑大约-7.5 m处开始趋于平缓.因此，当沿基坑短边方向加载时，土层性质对冠梁的弯矩以及位移的变化规律影响不大，但影响范围不同，且在距离基坑10 m范围内时，土层性质越弱，使得冠梁弯矩和位移变化幅度越大.

4 结 论

1) 坑外临时扰动荷载沿基坑长边方向停放时，在基坑中部的横撑之间出现冠梁弯矩及位移急剧增大现象，属于危险区域.一旦在此危险区域停放车辆荷载，极有可能使支护结构失稳，影响基坑工程的施工.

2) 临时扰动车辆荷载与基坑长边的距离越近，对桩撑式支护体系中冠梁的威胁越大，对支护桩的影响并不是太大.当距离超过3倍基坑宽度后，对支护体系冠梁的影响不再明显.因此，临时车辆荷载的停放安全距离应在3倍基坑宽度以外.

3) 不同荷载大小对支护结构的影响较大，荷载越大，冠梁的弯矩及位移也越大，支护桩的最大位移点也随之不断上移.实际工程中，应充分考虑车辆荷载对支护结构的影响.

4) 土层性质的变化对冠梁的弯矩及位移值的变化影响不大，但在基坑宽度两倍范围内时，较软弱土层中的冠梁弯矩和位移变化幅度较大.