非对称荷载作用下基坑变形分析

2021-04-02中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司北京101100

安徽建筑 2021年3期

冯勇（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

1 引言

伴随着城市化进程加快，土地资源紧张，城市地下空间被广泛利用。地下空间开挖的基坑紧邻地下商业群、停车场、高楼大厦或既有车站的环境非对称情况愈加增多，非对称荷载作用下基坑的变形机理以及变形规律更加复杂，基坑开挖过程支护结构自身及环境安全风险更大，因此有必要对其受力及变形特征进行研究，以指导类似工程建设。

自上世纪40年代开始，以Terzaghi和Peck等为代表的等学者以总应力计算基坑支护结构，并研究了基坑施工过程的稳定性；Bjerrum 和Eide等总结了基坑开挖基底隆起变形规律，探讨了基坑抗隆起理论计算；O'Rourke研究了土体变形的影响因素即基坑开挖卸载，提出基坑开挖和围护对围岩变形的影响。冯广玉、朱元勋等国内学者运用数值分析方法，研究基坑开挖支护结构的内力、变形变化以及对环境影响。王艳峰、刘海燕等结合工程施工过程的监测数据，研究基坑开挖对支护结构自身和环境影响。

2 工程概况

本基坑工程位于某高速公路北侧，高速公路填土高度约为6.0m，基坑北侧为某在建广场，在建广场挖深约为4.0m。基坑南侧边缘线定位在高速公路的边坡周围，基坑北侧围护桩与在建广场承台净距1.9m，与承台桩净距2.4m，基坑与路肩相距为6.2m～10.4m；基坑北侧施工便道宽约8.0m，基坑平面图如图1。

图1 基坑平面图

基坑设计开挖尺寸：长73.50m，宽14.30m，深26.22m，基坑结构主体分为两层，局部为三层。采用长度为45m，直径1.2m，间距1.5m的钻孔灌注桩作为基坑的外围支护，采用钢筋混凝土支撑与钢结构相结合的方式为其竖向围护结构，其中最上层为混凝土支撑，支撑水平间隔为6m；往下为7道钢支撑，钢支撑的水平间隔为3m。其混凝土支撑的设置标高为±0，7道钢支撑设置标高分别为-3.8m、-7m、-10m、-13m、-16.5m、-19.5m、-22.4m。基坑负二层的开挖深度为16.92m，采用长度为30m，直径1m，间距1.2m的钻孔灌注桩作为基坑的外围支护，其中最上层为混凝土支撑，支撑水平间隔为6m；往下为4道钢支撑，钢支撑的水平间隔为3m，其混凝土支撑的设置标高为±0，4道钢支撑的设置标高选取分别为 -3.8m、-7m、-10m、13.5m。

3 工程地质条件

场址范围内土层结构自上而下分别为上覆人工填土层，其厚度为0.8m；粘土层，其厚度为3.3m；膨胀土层，其厚度为32.3m；中更新统冲积层粘土层，其厚度为2.4m；下伏基岩为第三系粉砂岩。参数如表1。

基坑设计参数表1

4 模型的建立

4.1 计算模型

基坑的长、宽分别为73.5m与14.3m，最大开挖深度为26.22m，将其分为8个步骤进行分步开挖施工。根据FLAC3D模拟结果和实测数据表明：受深基坑开挖影响，一般会在开挖基坑周围3倍的开挖深度范围内引起比较大的地层沉降，而在3～5倍的开挖深度范围内其所引起的地层沉降影响较小，地层沉降也受基坑开挖的平面尺寸大小和开挖平面的长宽比影响。开挖基坑平面尺寸越大，地层范围影响就越广；开挖平面的长宽比越大，沿长边的方向受影响范围就越广。

数值模型的条件选取：取距离基坑边界100m横向范围，纵向高度为3.8倍的基坑开挖深度，故整个模型尺寸长宽高分别为273m、214m、90m，计算模型如图2所示。

图2 三维模型网格划分

分别用x方向、y方向的外边界条件对两个垂直面上的法向位移进行约束，开挖内部不设置约束；模型底面的水平边界位置采用固定约束。

本构模型选用修正剑桥模型，开挖土体的网格划分选用六面块体单元，未开挖土体的网格划分选用六面体渐变放射单元。由于所开挖的地坑周围地下水位较低，故模型忽略地下水对基坑开挖的影响，以总应力指标作为土体计算参数。

围护桩与立柱选用桩单元进行模拟，基坑内的混凝土支撑、钢支撑与围护桩体间的冠梁皆用梁单元进行模拟。

4.2 计算参数

取强度的混凝土作为基坑支护结构的混凝土强度，混凝土在外部作用下会产生裂缝，强度折减系数取0.8，弹模取24GPa、泊松比取0.2、密度取1500kg/cm，采用1.2m×1m 的钢筋混凝土支撑截面长宽分别为1.2m与1m，钢支撑截面为外径609mm内径593mm的空心圆，钢支撑弹模为210GPa，泊松比为0.3。

4.3 计算工况

基坑开挖8个土体开挖工况，如表2所示。

基坑开挖主要计算步表2

5 基坑变形及地面沉降分析

5.1 桩体侧向位移分析

围护桩在不同计算工况下水平位移随深度的变化曲线见图3至图6所示。

图3、图4显示：随着开挖的进行，基坑侧向变形速率增大，支护结构侧向位移呈现出中间大两端小的变化规律，变形最大位置在开挖面附近，最大变形位置随开挖的进行而逐步下移。基坑南北围护桩在水平方向的位移均向超载一侧偏移，位移量在25mm左右。

图3 基坑南侧围护桩侧向位移变化曲线

图4 基坑北侧围护桩侧向位移变化曲线

5.2 地表沉降分析

不同计算工况下，基坑中心位置南侧高速公路南侧（jv5-2）和北侧（jv5）高速公路地面沉降随开挖工况变化曲线见图5、图6所示。

图5～图7可以看出：地面沉降与开挖深度呈正相关，开挖深度越大，地面沉降越大。由于钢支撑的及时架设，每一次开挖完成后地表沉降速率降低，对控制地面沉降效果显著。基坑周边地表最大沉降值为50mm左右，位置在距基坑12m处。在基坑每一步开挖中，地表沉降均在不断增大，反弯点在距离基坑开挖深度的1.5倍处，反弯点范围内基坑开挖产生的沉降值较大。