劉繼強(qiáng)，田志強(qiáng)，林志斌，李元海

(1.中鐵南方投資發(fā)展有限公司，廣東深圳 518000;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044; 3.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008)

0 引言

地鐵車站基坑通常會遇到各種不同的施工條件，包括極其復(fù)雜的工程水文地質(zhì)與地形情況，當(dāng)基坑一側(cè)存在山地邊坡、高層建筑物或臨時堆載時，基坑受到的偏壓作用不僅使基坑的設(shè)計(jì)、支護(hù)、施工變得更加復(fù)雜［1－3］，而且會使基坑兩側(cè)樁體產(chǎn)生不一致的變形、彎矩，基坑穩(wěn)定性大大降低［4－6］，此時基坑穩(wěn)定性的研究就成為一個不可忽視的問題。通?；娱_挖的穩(wěn)定性分析從應(yīng)力與應(yīng)變2方面進(jìn)行考慮，主要為土體的應(yīng)力、水平位移、豎向地表沉降以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等［7－10］。而目前，關(guān)于偏壓基坑穩(wěn)定性的文獻(xiàn)資料很少，同時這些文獻(xiàn)都未對偏壓作用下基坑穩(wěn)定性的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究［1－6］。因此，本文以深圳地鐵5號線上水徑車站工程為背景，采用FLAC3D軟件，對不同基坑距邊坡距離下(即不同偏壓作用)基坑的樁位移、樁彎矩、支撐軸力、邊坡沉降等進(jìn)行模擬分析，以獲得不同基坑距邊坡距離下基坑和邊坡的變形規(guī)律，同時可為基坑設(shè)計(jì)時基坑位置的選取提供參考。

1 工程概況

2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型

2.1 計(jì)算參數(shù)

由于深基坑開挖一般首先進(jìn)行降水，故假定水位已降到坑底以下，計(jì)算模型中沒有考慮地下水的作用;基坑外側(cè)有旋噴樁做止水帷幕，阻隔了地下水的滲流，故假定基坑內(nèi)側(cè)土體無滲流力作用，不考慮地下水滲流。土體采用摩爾庫倫模型，土層參數(shù)(見表1)主要依據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果確定。冠梁采用彈性單元，彈性模量和泊松比分別取30GPa和0.25。鉆孔樁、錨索及支撐采用結(jié)構(gòu)單元(見表2)，同時考慮基坑周圍的堆載情況，在基坑兩邊15m范圍內(nèi)各加一個10kPa的荷載。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)Table 2 Parameters of structural element

2.2 計(jì)算模型

基坑一般為不規(guī)則的矩形、弧形組合，有較強(qiáng)的空間效應(yīng)。就基坑變形而言，研究證明二維計(jì)算結(jié)果一般在基坑轉(zhuǎn)角處比三維大15%左右，而在基坑其他部位相差不大［11］。同時經(jīng)驗(yàn)表明，基坑失穩(wěn)事故多從基坑拐角處支護(hù)結(jié)構(gòu)失效開始的，因此，將基坑分析按二維問題處理，是偏于安全的;同時，考慮到本文需要計(jì)算的方案較多，如采用三維模型，計(jì)算時間太長;以及希望用“二維模型”來排除縱向地形與基坑形狀條件的影響，獲得更為一般的規(guī)律。故本文擬取工程中的一個斷面進(jìn)行二維模擬分析。一般來說，基坑開挖影響長度約為開挖深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍［12］，當(dāng)基坑距邊坡的距離d為4 m時，模型范圍為184.4 m×69.9 m，如圖1所示。基坑第一級和第二級臺階邊坡分別設(shè)置3根和4根長度均為24m的錨索，第三級則設(shè)置5根12 m的全粘結(jié)錨桿;同時在地面以下0.5，7.5，14，18 m處設(shè)置1道直徑600 mm、t=16 mm的鋼管橫撐?；娱_挖共分5步進(jìn)行，基坑土體各步開挖至地面以下1.5，8.5，15，19，23.3m。

圖1 高邊坡下基坑二維FEM計(jì)算模型Fig.1 2D FEM model of foundation pit at the foot of high slope

2.3 計(jì)算方案

為研究在基坑設(shè)計(jì)位置允許的變化范圍(通常較小)內(nèi)，不同基坑距邊坡距離對深基坑的穩(wěn)定性影響，共設(shè)置8種方案，如表3所示。

表3 基坑距邊坡距離的擬定方案Table 3 Options of distance between foundation pit and slope

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 與實(shí)際監(jiān)測對比分析

由于實(shí)際工程中監(jiān)測樁位移的斷面距邊坡距離為3 m，相同距離下模擬計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測中的近坡樁位移如圖2所示，從圖2中可以看出:數(shù)值模擬得出的左樁變形模式，位移最大值與最小值的出現(xiàn)位置、大小均與實(shí)際相符合;數(shù)值模擬得出邊坡的最大沉降值為11.08 mm，實(shí)際監(jiān)測值為11.98 mm。因此，從兩者的對比分析結(jié)果來看，可以認(rèn)為本次模擬在一定程度上能夠反映出實(shí)際基坑的變形及穩(wěn)定性情況，研究結(jié)果將具有一定的可靠性與可信性。

圖2 模擬計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測中的近坡樁位移Fig.2 Displacement of piles on the side close to the slope:calculated values VS measured values

3.2 基坑距邊坡距不同距離下的基坑變形機(jī)制分析

樁后土壓力的大小和分布，對支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算有著決定性的作用，樁后土壓力越大，基坑圍護(hù)樁的變形、內(nèi)力以及邊坡的沉降值就越大，基坑的整體穩(wěn)定性影響就越小。從圖3中可以看出:隨著基坑距邊坡距離的增大，基坑樁后的豎向土壓力呈非線性的逐漸減小，當(dāng)基坑距邊坡距離大于16 m，樁后的土壓力基坑保持不變，這就意味著隨著基坑距邊坡距離的增大，基坑樁的位移、邊坡沉降等將會呈現(xiàn)非線性增長或衰減的規(guī)律，至一定距離時，其大小將不會發(fā)生變化。為研究這種非線性增長或衰減的規(guī)律變化以及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，對不同基坑距邊坡距離下的基坑樁位移、彎矩、穩(wěn)定安全系數(shù)等進(jìn)行分析。

圖3 基坑距邊坡不同距離下的近坡樁后土壓力Fig.3 Soil pressure behind piles close to the slope in the case of different distances between the slope and the foundation pit

3.3 基坑距邊坡距離對樁體位移的影響

圖4為基坑距邊坡不同距離條件下在基坑開挖施工完成后近坡樁和遠(yuǎn)坡樁的位移曲線(往基坑內(nèi)為正)。由圖4可以看出:由于邊坡對基坑產(chǎn)生的偏壓影響隨距邊坡距離的增大而逐漸減小，因此，當(dāng)基坑距邊坡距離小于16 m時，基坑兩側(cè)的樁將會發(fā)生向遠(yuǎn)離邊坡方向的整體偏移，樁頂水平位移最大，且近坡樁的位移要比遠(yuǎn)坡側(cè)樁約大30%;當(dāng)距離達(dá)到16 m以上時，基坑近坡樁幾乎不發(fā)生變形，遠(yuǎn)坡樁開始呈“弓形變形”，并在約－15 m處出現(xiàn)最大的正位移。

圖4 距邊坡不同距離下樁體位移曲線Fig.4 Curves of displacement of piles in the case of different distances between the slope and the foundation pit

圖5給出了樁的最大水平位移與距基坑距離的變化曲線。擬合結(jié)果顯示:高邊坡下近坡樁的最大位移y與基坑距邊坡距離d呈指數(shù)衰減關(guān)系:y= 23.79e(－d/3.40)+1.62，隨著距離的增大，近坡樁位移的減小速率逐漸變小，可以認(rèn)為，當(dāng)距離為24 m以上時，近坡樁的最大位移值基本保持不變;遠(yuǎn)坡樁最大位移y與距離d呈指數(shù)遞增關(guān)系:y=－23.64e(－d/5.93)+ 4.26，隨著距離的增大，遠(yuǎn)坡樁位移的增大速率逐漸變小，當(dāng)距離為24 m以上時，遠(yuǎn)坡樁的最大位移也將趨于穩(wěn)定。

根據(jù)簡化規(guī)則1、規(guī)則2，以PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，標(biāo)準(zhǔn)PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖1(a)所示，簡化PG&E69節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖1(b)所示。

圖5 樁體最大位移與距邊坡距離的關(guān)系曲線Fig.5 Curves of relationship between maximum pile displacement and the distance between the slope and the foundation pit

根據(jù)樁的允許最大變形設(shè)計(jì)值30mm和兩側(cè)樁的擬合公式反算可知，該工程基坑距邊坡最小距離可選0m。

3.4 基坑距邊坡距離對樁體彎矩的影響

圖6為距邊坡不同距離下樁彎矩的變化曲線，當(dāng)距離為2 m時，基坑兩側(cè)樁體的彎矩受支撐設(shè)置位置的影響均呈波浪形分布。此時，近坡樁和遠(yuǎn)坡樁的最大彎矩分別出現(xiàn)在第4道和第2道支撐處，分別為949 kN·m和510kN·m，近坡樁彎矩值明顯大于遠(yuǎn)坡樁。隨著距離的增大，近坡樁彎矩在第2道支撐位置以上改變很小，在第2，3道支撐位置處樁的負(fù)彎矩則隨著距離的增大而逐漸減小;遠(yuǎn)坡樁彎矩在－21 m處樁的正彎矩隨著距離的增大先逐漸減小，后迅速增大，在第3道支撐位置以上改變則很小?？偟膩碚f，基坑距邊坡距離的改變對近坡樁彎矩的影響比遠(yuǎn)坡樁大。

圖6 距邊坡不同距離下的樁體彎矩曲線Fig.6 Curves of bending moment of piles in the case of different distances between the slope and the foundation pit

3.5 基坑距邊坡距離對支撐軸力的影響

圖7給出了距邊坡不同距離下支撐軸力曲線。隨著距離的變化，4道支撐軸力的相對大小關(guān)系沒有發(fā)生較大變化，都是第2道最大，第1道最小，第3道和第4道相差不大。隨著基坑距邊坡距離的不斷增大，第1道、第2道支撐的軸力逐漸減小，第3道支撐軸力先減小而后增大，第4道支撐軸力則變化不大?？梢钥闯?當(dāng)基坑距邊坡距離大于8 m時，距離的改變對各道支撐軸力的影響不大。

圖7 距邊坡不同距離下的支撐軸力曲線Fig.7 Curves of axial force of the support in the case of different distances between the slope and the foundation pit

3.6 基坑距邊坡距離對遠(yuǎn)坡側(cè)地表沉降的影響

圖8給出了基坑距邊坡不同距離下的基坑遠(yuǎn)坡側(cè)的地表沉降曲線，當(dāng)距離為0 m時，雖然遠(yuǎn)坡樁發(fā)生了向坑外的變形，但由于超載的影響，基坑遠(yuǎn)坡側(cè)地表仍存在約17m的沉降范圍，沉降最大值出現(xiàn)在距坑邊12 m左右處，凹槽以外地表各點(diǎn)幾乎不發(fā)生沉降;隨著距邊坡距離的增大，遠(yuǎn)坡側(cè)地表沉降影響范圍基本不變，但由于基坑遠(yuǎn)坡樁偏向基坑外的位移越來越小，使得遠(yuǎn)坡側(cè)地表沉降值越來越大，出現(xiàn)最大值的位置也逐漸向基坑內(nèi)靠近。

圖8 距邊坡不同距離下遠(yuǎn)坡側(cè)地表沉降曲線Fig.8 Curves of ground surface settlement on the side away from the slope in the case of different distances between the slope and the foundation pit

從圖9中可知:基坑距邊坡距離從0 m增加到2 m時，遠(yuǎn)坡側(cè)的最大地表沉降變化很小;當(dāng)距邊坡距離大于2 m時，遠(yuǎn)坡側(cè)地表最大沉降值y與基坑距邊坡距離d大致成指數(shù)遞增關(guān)系:y=－7.42e(－d/6.17)+ 15.6;隨著基坑距邊坡距離的增大，遠(yuǎn)坡樁地表沉降的增大速率逐漸變小，當(dāng)距離為24 m以上時，遠(yuǎn)坡樁地表沉降最大值基本不發(fā)生變化。

圖9 遠(yuǎn)坡側(cè)地表最大沉降與基坑距邊坡距離關(guān)系曲線Fig.9 Curves of relationship between the maximum ground surface settlement on the side away from the slope and the distance between the slope and the foundation pit

3.7 基坑距邊坡距離對近坡側(cè)邊坡影響

3.7.1 邊坡沉降

圖10為距邊坡不同距離d下的邊坡沉降曲線，當(dāng)距離d=0m時，邊坡最大沉降值出現(xiàn)在距坡底水平距離為8 m處的位置，為18.10 mm;從該位置外兩邊，其沉降值都逐漸減小，基坑開挖對邊坡的影響范圍約為

1.8 H(H為基坑開挖深度)。由于近坡樁的側(cè)向變形隨著d的逐漸增大而逐漸后移，邊坡的沉降值逐漸減小，但影響范圍變化不大。

圖10 距基坑不同距離下的邊坡沉降曲線Fig.10 Curves of slope settlement in the case of different distances between the slope and the foundation pit

從圖11的擬合分析結(jié)果看出:邊坡最大沉降值y與d呈指數(shù)衰減關(guān)系，關(guān)系式為y=18.08e(－d/7.61)－0.11，當(dāng)距離達(dá)到16 m以上時，基坑開挖對邊坡的影響可忽略不計(jì)。

圖11 邊坡最大沉降與基坑距邊坡距離的關(guān)系曲線Fig.11 Curves of relationship between the maximum settlement of the slope and the distance between the slope and the foundation pit

3.7.2 錨桿軸力變化

在基坑距邊坡不同距離下，基坑開挖前后前2級臺階邊坡上設(shè)置位置由坡底至坡頂?shù)?根錨桿的軸力變化值如表4所示。由表4數(shù)據(jù)可知:受基坑開挖影響，第1臺階錨桿(1#～3#)，位置距坡底越近的錨桿，軸力變化越大;第2臺階錨桿(4#～7#)，7#軸力變化最大，5#變化最小?；泳噙吰戮嚯x越大，基坑開挖引起的錨桿軸力變化越小，當(dāng)基坑距邊坡距離大于16 m時，基坑開挖對邊坡錨桿的影響可以忽略不計(jì)。

表4 距邊坡不同距離下基坑開挖前后錨桿軸力變化值Table 4 Variations of axial force of anchors before and after foundation pit excavation in the case of different distances between the slope and the foundation pit kN

3.8 基坑距邊坡距離對基坑穩(wěn)定性的影響分析

3.8.1 整體穩(wěn)定性影響

圖12為基坑距邊坡不同距離下基坑的整體安全穩(wěn)定系數(shù)曲線。當(dāng)基坑距邊坡距離發(fā)生變化時，基坑整體易發(fā)生失穩(wěn)的位置都位于第3級臺階邊坡上(見圖13)。因此，基坑距邊坡距離的增大對基坑整體的穩(wěn)定性影響很小，整個過程中，基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)y與距邊坡距離d大致成指數(shù)增長關(guān)系:y=－0.43e(－d/53.17)+2.22，當(dāng)基坑距邊坡距離為0 m，基坑的整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為1.80。

3.8.2 不對稱穩(wěn)定性影響

有邊坡兩側(cè)土層非對稱基坑、無邊坡兩側(cè)土層非對稱基坑以及無邊坡兩側(cè)土層對稱基坑的基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)見表5。有邊坡兩側(cè)土層非對稱基坑由于邊坡的穩(wěn)定性直接決定著該類基坑的整體穩(wěn)定性，因此，距邊坡不同距離下該類基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)普遍偏小，且隨距邊坡距離變化很小;無邊坡兩側(cè)土層非對稱基坑由于隨基坑距邊坡距離的變化，基坑兩側(cè)樁所處的地層條件完全不一樣，導(dǎo)致該類基坑的穩(wěn)定性系數(shù)隨距邊坡距離變化帶有一定的隨機(jī)性;當(dāng)基坑兩側(cè)樁所處地層條件一致時，該類基坑隨距基坑距離的增大而逐漸增大;無邊坡兩側(cè)土層對稱基坑由于是絕對對稱的(當(dāng)基坑距邊坡距離發(fā)生變化時，基坑兩側(cè)樁所處的地層條件和周邊環(huán)境都保持一致)，因此，隨基坑距邊坡距離變化，該類基坑穩(wěn)定系數(shù)不發(fā)生改變。同一基坑距邊坡距離條件下，無坡兩側(cè)土層對稱基坑安全穩(wěn)定系數(shù)最高，有坡兩側(cè)土層非對稱基坑安全穩(wěn)定系數(shù)最低。

表5 不同基坑類型下的基坑穩(wěn)定安全系數(shù)Table 5 Safety factors of different types of foundation pits

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

根據(jù)深圳地鐵5號線上水徑站的數(shù)值計(jì)算結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析，可以得出以下結(jié)論:

1)高邊坡下基坑施工過程中，近坡樁的最大位移與基坑距邊坡距離呈指數(shù)衰減關(guān)系:y=23.79e(－d/3.40)+ 1.62;遠(yuǎn)坡樁最大位移與距離呈指數(shù)遞增關(guān)系:y=－23.64e(－d/5.93)+4.26。當(dāng)距離為24 m以上時，兩側(cè)樁的最大位移將趨于穩(wěn)定。

2)當(dāng)距邊坡距離大于2 m時，遠(yuǎn)坡側(cè)地表最大沉降值y與基坑距邊坡距離d大致成指數(shù)遞增關(guān)系:y=－7.42e(－d/6.17)+15.6。當(dāng)距離為24 m以上時，地表沉降最大值將保持不變。

3)邊坡最大沉降值y與d呈指數(shù)衰減關(guān)系，關(guān)系式為y=18.08e(－d/7.61)－0.11，當(dāng)距離達(dá)到16 m以上時，基坑開挖對邊坡的影響可忽略不計(jì)。

4)基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)y與距邊坡距離d大致成指數(shù)增長關(guān)系:y=－0.43e(－d/53.17)+2.22，當(dāng)基坑距邊坡距離為0 m，基坑的整體穩(wěn)定安全系數(shù)最小，為1.80。

4.2 討論

1)通過對基坑距邊坡不同距離下的樁位移、地表沉降、邊坡沉降等進(jìn)行相關(guān)規(guī)律分析，能夠?yàn)楸竟こ袒釉O(shè)計(jì)和今后類似工程穩(wěn)定分析提供一定的參考。

2)雖然旋噴樁起到了止水帷幕的效果，但基坑內(nèi)外水的滲流作用仍無法避免，因此，為更好的模擬實(shí)際工程影響，今后的研究中應(yīng)考慮水土耦合作用。

3)基坑工程實(shí)際上是一個具有三維時空效應(yīng)的形體，本次模擬采用二維模擬分析，簡化了計(jì)算。因此，如進(jìn)一步研究本工程的相關(guān)課題，可以考慮采用三維模型進(jìn)行模擬分析。

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