严重偏压作用下非对称基坑的变形及受力特性

黄山景， 肖朝昀， 涂兵雄， 蔡奇鹏， 张强

(华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021)

工程建设中常面临复杂的地形地貌及周边环境，公路隧道工作井基坑的尺寸为38.4 m(长)×21.3 m(宽)×17.9 m(深)，在地形高度差达9 m的区域中进行开挖，采用复杂的围护结构和支撑体系，工程施工风险较大，为典型的严重偏压非对称基坑.基坑受地面标高差异、既有建筑、交通荷载、土层不均匀分布和不均匀开挖等因素的影响.非对称基坑主要包括“荷载非对称”与“结构非对称”.基坑支护结构承受偏压荷载，称为“荷载非对称”；基坑采用非对称的支护体系，称为“结构非对称”.无论何种形式的非对称基坑，都将产生更为复杂的变形受力特性.目前，对于非对称偏压基坑的研究较少，也并未形成一套完整的设计、计算与安全控制体系，基坑设计中未充分考虑非对称特性将可能发生工程事故[1].

近年来，越来越多的学者关注非对称基坑的变形性状及受力特性，对实际非对称基坑工程进行现场监测是一个主要方法，通过现场监测获取围护桩桩身水平位移、桩顶水平位移、地表沉降和支撑轴力等实测数据，研究非对称基坑的变形特性和支护内力响应等[2-7].由于非对称基坑的复杂性，也有不少学者通过数值模拟方法研究非对称开挖、非对称超载等不同因素对非对称基坑的变形性状及受力特性的影响[8-15].一些学者通过理论解析法推导了适用于非对称基坑的土压力计算方法和支护结构解析解等[16-18].目前，国内对非对称基坑的变形及受力特性仍有待进一步研究.本文通过现场监测，研究在极端条件下，典型非对称基坑的变形及受力特性.

图1 基坑平面及测点布置图Fig.1 Layout plan and measuring points diagram of excavation

1 工程概况

1.1 工程概况

工程为福建省厦门市海沧海底隧道陆域段、下穿兴湖路双连拱隧道工作井基坑.工程所在位置原始地形地势差异大，基坑东南侧紧邻兴湖路，海拔高度达19.9 m，最低处位于西北侧，北侧海拔高度仅7.6 m，高度差达12.3 m，基坑东侧及南侧周围地势高的场地统一平整至17.0 m(标高为0).基坑平面及测点布置图，如图1所示.图1中：整个工作井基坑占地面积为814.0 m2；长为38.4 m；宽为21.2 m.由于地势差异较大，故会对工作井基坑造成严重偏压，设计采用复杂的围护结构和支撑体系，以防止基坑产生过大变形，影响工程安全.

1.2 基坑支护设计

工作井基坑围护结构采用Φ1 000 mm@1 200钻孔灌注桩，桩间采用Φ800 mm高压旋喷桩止水帷幕，北侧桩长23 m，南侧桩长27 m.基坑断面图，如图2所示.图2中：H为深度.

围护桩桩顶通过冠梁连接成整体，由于高度差原因，冠梁呈阶梯状由南至北高度递减.基坑分为基坑1区和基坑2区.基坑1区北侧围护桩上部存在3 m的悬臂段，不宜架设内支撑，所以采取锚索结合斜撑的支撑体系，在基坑东侧上部架设3道锚索，并且架设2道钢支撑斜撑(中心标高分别为-11.20，-15.00 m).基坑2区则均采用斜撑的内支撑体系，一共布置4道斜撑，第1道为0.9 m×0.9 m钢筋混凝土支撑(中心标高为-0.50 m)；其余采用钢支撑(中心标高分别为-5.25，-10.85，-14.65 m).

(a) Ⅰ-Ⅰ断面图

(b) Ⅱ-Ⅱ断面图图2 基坑断面图Fig.2 Profile of excavation

1.3 工程地质条件

根据地勘报告，基坑范围内地层主要分为4层：第1层为杂填土，主要分布在0～-7 m中，成分以碎石、砂砾及花岗岩残积土为主；第2层为残积砾质黏土，主要分布在-7～-13 m中，其粘性较差，系母岩花岗岩风化残积物，遇水后易软化、崩解，局部段夹未风化孤石；第3层为全风化花岗岩，主要分布在-13～-23 m中，呈灰黄或灰白色，除石英以外，其他矿物风化为粉末或粘粒，岩体已呈砂土状，手捏即散；第4层为中风化花岗岩，主要分布在-23 m以下，强度较高，围护桩基本嵌岩.场地土体参数，如表1所示.表1中：γ为重度；w为含水率；c为粘聚力；φ为摩擦角；Eo为压缩模量.根据文献[19-20]的基坑工程案例，在类似土岩复合地质条件中，基坑开挖产生的变形较小，小于文献[21]软土地区的基坑工程案例.

表1 场地土体参数Tab.1 Site soil parameters

1.4 开挖工况

工作井基坑围护桩、冠梁、南侧的第1道混凝土斜撑及东侧挡墙施工完成后，开始开挖坑内土体，基坑开挖过程总共分为4个工况.2018年4月8日，工作井基坑正式开挖,2018年5月21日完成整个工程结构的底板浇筑工作，整个开挖过程历时44 d.第1～14天为工况1，基坑整体开挖至-8.0 m，基坑1区坑壁局部预先开挖一道沟槽,架设3道锚索；第15～28天为工况2，基坑2区施工第2道支撑，基坑整体开挖至-14.0 m，基坑2区施工第3道支撑架设不及时，超挖约3.2 m；第29～35天为工况3，基坑1区施工第1道支撑，基坑2区施工第3道支撑，整体开挖至-16.0 m，在此阶段，第29天遭遇强降雨；第36～44天为工况4，基坑1区施工第2道支撑，基坑2区施工第4道支撑，整体开挖至坑底-17.9 m，施工底板垫层.基坑开挖步骤示意图，如图3所示.

(a) 工况1 (b) 工况2

(c) 工况3 (d) 工况4 图3 基坑开挖步骤示意图Fig.3 Schematic diagram of excavation digging steps

2 监测结果及分析

2.1 监测方案

为确保基坑开挖施工安全，对围护结构变形及支护内力进行现场监测，基坑1区东侧和基坑2区为重点观测区域，共布置5个测斜点(I-1～I-5)，11个桩顶位移测点(D1～D11).用斜测点观测围护桩水平位移，采用测斜仪获取桩身变形数据.由于打设锚索等施工原因，I-4和I-5两个测斜点被破坏，无法获取到相应位置处桩身水平位移；用桩顶位移测点观测桩顶水平位移和竖向位移.同时，布置11个锚索测力计(M1～M11)与6个支撑轴力计，分别观测基坑开挖施工过程中锚索拉力与支撑轴力变化.

2.2 桩顶位移

开挖最后阶段围护桩桩顶水平位移,如图4所示.围护桩桩顶水平位移与时间关系，如图5所示.图5中：dht为桩顶水平位移；t为时间；正值表示向开挖侧变形(下同)；负值表示向未开挖侧变形(下同).

图4 开挖最后阶段围护桩桩顶水平位移 图5 围护桩桩顶水平位移与时间关系 Fig.4 Horizontal displacement of retaining pile tops at final stage Fig.5 Relationship between horizontal displacemen and time for retaining pile tops

由图4可知：严重偏压作用下的非对称基坑桩顶水平位移与普通对称基坑存在明显差异，非对称基坑桩顶整体产生扭转变形，而普通对称基坑随着土方的开挖，桩顶水平位移逐渐往坑内发展，基坑一侧靠近中部位置桩顶水平位移最大.非对称基坑北侧的地势低，受偏压影响，北侧靠近角部位置桩顶略微地往坑外位移，东侧桩顶水平位移较大，通过第1道混凝土支撑推着南侧部分桩顶往坑外位移.

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由图5可知：桩顶水平位移整体上随着基坑的开挖逐步增大，最大桩顶水平位移出现在基坑东侧中部位置测点D6(最大值达到16.56 mm)处；开挖至坑底时，北侧最大桩顶水平位移出现在测点D2(5.05 mm)处；南侧测点D10和D11桩顶产生明显的往坑外的水平位移，其值分别为5.20，7.72 mm.

2.3 桩身水平位移

围护桩桩身水平位移与深度的分布情况,如图6所示.为了方便讨论，将桩身发生垂直于基坑围护结构的位移定义为法向水平位移(δhn)，平行于基坑围护结构的位移定义为切向水平位移(δht).

(a) I-1法向水平位移 (b) I-2法向水平位移 (c) I-3法向水平位移

(d) I-1切向水平位移 (e) I-2切向水平位移 (f) I-3切向水平位移图6 围护桩桩身水平位移与深度的分布情况Fig.6 Distribution between horizontal displacement of retaining pile and depth

由图6(a)～(c)可知：随着基坑的开挖，桩身法向水平位移呈“凸肚”状，与常见采用多道支撑的围护结构变形特征相符；开挖至坑底时，最大的法向水平位移位于坑底以上5.4～7.9 m范围内，I-1～I-3测点处桩身的最大法向水平位移分别为20.54 mm(0.11%He，He为基坑最大开挖深度)，40.53 mm(0.23%He)，36.09 mm(0.20%He).

对于常规无偏压对称基坑，围护桩不会产生切向水平位移，因此，较少研究关注围护桩的切向水平位移.文中对严重偏压基坑的围护桩切向水平位移进行监测(图6(d)～(f)).由图6(d)～(f)可知:I-1～I-3测点处围护桩均产生较大切向水平位移，基坑开挖至坑底时，最大切向水平位移分别达13.72 mm(0.08%He)，16.32 mm(0.09%He)和28.56 mm(0.16%He)；围护桩产生了不同的切向变形模式，I-1测点处围护桩呈明显的悬臂式变形，I-3测点处围护桩产生了与法向水平位移相同的“凸肚”状变形.

图7 围护桩最大法向水平位移随时间的分布情况Fig.7 Distribution of normal horizontal displacement of retaining piles with time

为了反映围护桩变形随着基坑开挖的发展规律，图7给出了基坑围护桩最大法向水平位移(δhn,m)随时间的分布情况.由图7可知：围护桩整体法向水平位移随开挖不断增大，在工况1，2阶段前期，变形随基坑开挖缓慢增长；由于基坑2区在工况2阶段超挖约3.2 m，未及时架撑，位于基坑2区I-1～I-3测点桩身法向水平位移在工况2阶段后期急剧增加；从工况3阶段开始，整体变形增长速率明显加快，这是由于第29天遭遇强降雨，场地内分布的深厚残积砾质粘性土结构遭到破坏，承载力急剧降低，随着基坑开挖扰动，围护桩变形显著增加;而I-3测点围护桩变形受降雨影响最大，降雨前最大法向水平位移为20.63 mm，降雨后增大至32.08 mm，其增幅达55%，随着支撑的架设和底板浇筑完成后变形趋于平缓.

2.4 支撑轴力与锚索内力

为了观测偏压基坑开挖过程中支护内力响应，对每道支撑最外侧角的撑轴力变化进行监测，砼支撑和钢支撑轴力(F)的历时曲线,如图8，9所示.图8,9中：正值表示支撑受压.基坑1区采用3道锚索结合两道角撑的支撑体系，锚索拉力(T)历时曲线,如图10所示.

图8 砼支撑轴力历时曲线 图9 钢支撑轴力历时曲线Fig.8 Axial force duration curves of concrete struts Fig.9 Axial force duration curves of steel struts

图10 锚索拉力历时曲线Fig.10 Tension force duration curves of anchor cable

由图8可知：砼支撑在整个基坑开挖过程中均处于受压状态，并且轴力大小均保持较高水平；在降雨、超挖等恶劣因素影响下，非对称基坑第1道砼支撑轴力基本保持在7 000 kN以上，而对于类似开挖条件的普通对称基坑案例[22-24]，其第1道砼支撑轴力一般小于2 000 kN，说明砼支撑在基坑开挖过程中，对控制基坑变形以及维持基坑稳定起到了重要作用；工况4中砼支撑轴力急剧增加，这是由于降雨过后，随着基坑开挖，围护结构变形显著增加.

由图10可知：锚索拉力均小于180.0 kN，且随着基坑开挖的进行，锚索拉力整体上呈增大趋势，对围护结构侧向变形起到一定的抑制作用；基坑1区第1道钢支撑架设完成后，轴力处于较低水平，未能有效抑制围护结构变形，对锚索拉力影响不大，锚索拉力仍持续增大；基坑1区第2道钢支撑的架设对锚索拉力产生了一定的影响，对围护结构变形起到一定的抑制作用，部分锚索拉力呈现降低的趋势.

图11 围护桩最大水平位移与开挖深度关系Fig.11 Relationship between maximum horizontal displacement and maximum excavation depth of retaining piles

3 案例统计与对比分析

基坑围护桩最大水平位移(δhm)与最大开挖深度的关系，如图11所示.图11中：虚线为围护桩变形上限；实线为围护桩变形均值线.对于常规无偏压对称基坑，围护桩只产生法向水平位移，文中基坑由于受严重偏压影响产生较大切向水平位移，故将两个方向的合成水平位移加入进行对比.由图11可知：基坑的围护桩最大法向水平位移变化介于0%He～0.23%He，平均值为0.12%He；桩身最大合成水平位移的变化介于0%He～0.26%He，平均值为0.14%He，围护桩最大合成水平位移相较于法向水平位移增大了17%.在具有相似地质条件的普通对称基坑案例中，文献[19]中土岩复合地区基坑围护结构的δhm平均值为0.16%He，文献[20]基坑围护结构的δhm平均值为0.20%He.对于类似偏压基坑，施工过程中，单一监测桩身法向水平位移，不利于控制工程风险，需重点关注桩身两个方向上的水平位移，合理布置测点以反映桩身变形特性.

4 结论

1) 在严重偏压作用下，非对称基坑桩顶整体产生扭转变形；围护桩桩身在两个方向上均会产生较大水平位移，法向水平位移均呈“凸肚”状变形，最大法向水平位移达40.53 mm(0.23%He)，切向水平位移存在悬臂式变形与“凸肚”状变形两种不同的变形模式，最大切向水平位移达28.56 mm(0.16%He).

2) 基坑偏压区第1道砼支撑轴力基本保持7 000 kN以上，对控制基坑变形,以及维持基坑稳定起到了重要作用；因超挖及钢围檩连接不牢靠等，钢支撑未能充分发挥对围护桩变形的抑制作用，钢支撑最大轴力仅540.1 kN，锚索拉力均小于180.0 kN；残积土地层中，降雨导致围护桩变形显著增加，围护桩变形最大增幅达55%.

3) 非对称基坑围护桩最大法向水平位移为0%He～0.23%He，平均值为0.12%He，最大合成水平位移为0%He～0.26%He，平均值为0.14%He，最大合成水平位移相较于最大法向水平位移增大了17%.

4) 对于严重偏压的非对称基坑，设计中应充分考虑围护桩两个方向上的变形，在施工过程中，单一监测桩身法向水平位移，不利于控制工程风险，需重点关注桩身两个方向上的水平位移，合理布置测点，以反映桩身的变形特性.