章好龍，鄭永勝，李勇海，焦灝

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

鄰水基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性及潛在危害是工程師和設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)依賴于設(shè)計(jì)人員對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力特性的重視與理解，研究者們?cè)谶^(guò)去的幾十年中開(kāi)展了大量的研究。當(dāng)基坑坑底標(biāo)高低于地下水位時(shí)，需考慮滲流效應(yīng)。滲流效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致管涌和流沙，從而對(duì)基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生危害。防滲墻的結(jié)構(gòu)形式可隨工程特性發(fā)生改變，工程中常用的防滲墻包括高壓旋噴樁、鋼板樁、深層攪拌樁墻、地下連續(xù)墻等。

降水和防滲墻聯(lián)合法可能會(huì)帶來(lái)一些危害，例如地表不均勻沉降、地層位移過(guò)大、地下管道開(kāi)裂等。戴軒等[3]開(kāi)展了以地下連續(xù)墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑三維有限差分分析；楊建民[4]基于經(jīng)驗(yàn)公式及模擬分析指出，當(dāng)圓形基坑帷幕降水與井距的關(guān)系，可以推廣到接近圓形基坑的計(jì)算分析，降水后地面沉降以及地下連續(xù)墻的水平撓度等問(wèn)題。李忠超等[5]針對(duì)深厚軟黏土中某倒塌內(nèi)支撐式深基坑穩(wěn)定性安全系數(shù)的進(jìn)行研究，其結(jié)果表明采用交點(diǎn)法與Terzaghi法得到基坑安全系數(shù)與基坑處于極限平衡狀態(tài)事實(shí)相符。陳忠等[6]研究了考慮承壓水的影響下深基坑開(kāi)挖變形以及承壓水降水過(guò)程中遠(yuǎn)場(chǎng)地層和地下水的響應(yīng)研究，安鵬程[7]等研究了基坑在降水期間地層沉降對(duì)周邊建構(gòu)物的沉降影響及其監(jiān)控量測(cè)方案。

然而，多數(shù)研究沒(méi)有考慮復(fù)雜地質(zhì)和水文條件因素。因而鄰水基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力特性有待進(jìn)一步研究。

2 工程模擬

2.1 工程背景

某換乘站基坑，兩站斜交呈“T”型換乘，基坑工程平面布置圖如圖1所示，鄰近水體與坑底的水頭差會(huì)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。車站主體基坑采用蓋挖逆作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用帶有鋼橫撐的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻接頭采用整體性能好的十字鋼板接頭，地下連續(xù)墻厚度為1.2m和1.0m。車站主體結(jié)構(gòu)為地下四層，最大開(kāi)挖深度32.0m，相交車站主體結(jié)構(gòu)為地下三層，最大開(kāi)挖深度為25.0m。主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)均為AM樁，樁長(zhǎng)分別為52.0 m和38.0m，出入口AM樁長(zhǎng)30.0m。

圖1 基坑工程平面布置

2.2 數(shù)值模擬

基于有限差分軟件FLAC 3D開(kāi)展了相關(guān)豎直模擬研究。FLAC 3D可有效模擬結(jié)構(gòu)與土體的三維相互作用效應(yīng)，在基坑工程中應(yīng)用廣泛。當(dāng)求解流固耦合問(wèn)題時(shí)，有限差分法可采用小變形本構(gòu)方程，該措施比有限元法更高效[7-8]。

深基坑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)有限差分模型的網(wǎng)格劃分時(shí)。為減小邊界效應(yīng)的影響，整體模型的尺寸設(shè)計(jì)為390m（X方向）×300m（Y方向）×100m（Z方向）。數(shù)值模擬結(jié)果表明，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力特性不隨所選定的模型尺寸的進(jìn)一步增大而變化。模型邊界條件為底面固定、豎直面滾軸。為簡(jiǎn)化計(jì)算，數(shù)值模擬中將地層簡(jiǎn)化為四類土層：雜填土、粉質(zhì)黏土、砂土、風(fēng)化巖。土層的本構(gòu)行為采用摩爾-庫(kù)倫模型描述。地下連續(xù)墻、地板、AM樁、鋼支撐等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的本構(gòu)行為采用線彈性模型描述?？紤]到AM樁數(shù)量巨大及其對(duì)精度的要求，采用梁?jiǎn)卧MAM樁。AM樁與土層間的相對(duì)位移忽略不計(jì)。其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用實(shí)體單元模擬。

3 模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 地層沉降分析

隨著開(kāi)挖深度增加，引起了坑內(nèi)外水平位移繼續(xù)的累積效應(yīng)。此時(shí)右側(cè)墻體水平位移仍然大于左側(cè)墻體，但是趨勢(shì)放緩，量值上也更為接近，說(shuō)明此時(shí)偏壓環(huán)境和滲流環(huán)境耦合效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)；在基坑的沉降云圖上，更明顯表現(xiàn)出偏壓與滲流耦合效應(yīng)。

圖2 地層水平位移響應(yīng)云圖

基坑開(kāi)挖到目標(biāo)水平，此時(shí)水平位移云圖表明此時(shí)基坑的水平位移達(dá)到峰值，而且此時(shí)鄰河一側(cè)的水平位移最大，表明滲流效應(yīng)已經(jīng)超過(guò)偏壓環(huán)境效應(yīng)。而且此時(shí)的沉降云圖也表明，兩側(cè)的沉降量值幾乎趨于一致，也說(shuō)明滲流效應(yīng)導(dǎo)致的基坑沉降量值與偏壓環(huán)境導(dǎo)致的沉降量相當(dāng)。需要注意的是，地層y-位移的改變會(huì)不可避免地伴隨著作用于地下連續(xù)墻上的土壓力的改變。因此，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)需要考慮基坑開(kāi)挖過(guò)程中地層橫向位移的變化特征。

3.2 地連墻變形分析

此外，通過(guò)對(duì)比地下連續(xù)墻最大位移發(fā)生的墻面板位置，發(fā)現(xiàn)新建高層建筑基坑和地鐵站基坑交界處的墻面板的位移更大，尤其在后期的開(kāi)挖中更加明顯。因此，在位移更大的關(guān)鍵位置，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)并加強(qiáng)支護(hù)，例如可以提高橫支撐的數(shù)量或剛度。

圖3 地連墻位移等值云圖

在基坑開(kāi)挖初期，基坑水平位移朝向基坑開(kāi)挖自由面。但是基坑沉降量值基本一致，這是由于剛性地連墻以及大量樁體加固的作用。開(kāi)挖達(dá)到第一層，基坑的水平位移繼續(xù)增大，此時(shí)右側(cè)地連墻的水平位移依舊大于左側(cè)水平位移，但是趨勢(shì)變緩，說(shuō)明滲流耦合效應(yīng)增強(qiáng)；此時(shí)基坑沉降量值變化明顯，說(shuō)明此時(shí)最大沉降多集中于基坑兩側(cè)墻體，沿墻體分布；但是偏壓環(huán)境一側(cè)沉降面擴(kuò)大，表明隨著基坑的開(kāi)挖，基坑右側(cè)大偏壓環(huán)境效應(yīng)顯現(xiàn)。

開(kāi)挖進(jìn)行到第二階段，開(kāi)挖深度增加，引起了坑內(nèi)外水平位移繼續(xù)的累積效應(yīng)。此時(shí)右側(cè)墻體水平位移仍然大于左側(cè)墻體，但是趨勢(shì)放緩，量值上也更為接近，說(shuō)明此時(shí)偏壓環(huán)境和滲流環(huán)境耦合效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)；在基坑的沉降云圖上，更明顯表現(xiàn)出偏壓與滲流耦合效應(yīng)。同時(shí)也說(shuō)明滲流環(huán)境如偏壓環(huán)境一樣，都是造成基坑失穩(wěn)的重要因素。

基坑開(kāi)挖到目標(biāo)水平，此時(shí)水平位移云圖表明此時(shí)基坑的水平位移達(dá)到峰值，而且此時(shí)鄰河一側(cè)的水平位移最大，表明滲流效應(yīng)顯著。

3.3 樁體受力分析

根據(jù)有限差分法計(jì)算結(jié)果，選取承受較大彎矩的AM樁作為分析對(duì)象。AM樁最大彎矩及彎矩隨埋深變化是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

AM樁中的軸力是由上部結(jié)構(gòu)自重和樁側(cè)摩阻力作用的結(jié)果。隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，AM樁軸力由于土體應(yīng)力釋放及坑底隆起的影響而不斷變化。AM樁最大軸力呈非線性增大。由圖4可見(jiàn)，AM樁軸力在樁頂和樁底均接近于零；AM樁最大軸力的埋深隨開(kāi)挖步的推進(jìn)而不斷增大，這是由于基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁側(cè)摩阻力發(fā)生了改變。

4 結(jié)論

①地層橫向位移傾向于向基坑方向發(fā)展。地層最大橫向位移發(fā)生于受偏壓效應(yīng)影響最大的地下連續(xù)墻的下部，且沿著負(fù)x方向發(fā)展。

②不同開(kāi)挖深度下，偏壓效應(yīng)和滲流效應(yīng)存在差異，在基坑開(kāi)挖至目標(biāo)位置時(shí)，基坑的滲流效應(yīng)最大，對(duì)基坑施工產(chǎn)生的水平位移和沉降量均產(chǎn)生主導(dǎo)作用，因此隨著基坑開(kāi)挖的逐步進(jìn)行，應(yīng)該盡量減少滲流效應(yīng)，規(guī)避滲流場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)基坑的穩(wěn)定性降低。

圖4 AM樁中的相對(duì)于x軸的彎矩隨埋深變化曲線

③地下連續(xù)墻最大水平位移隨開(kāi)挖步推進(jìn)呈非線性增長(zhǎng)。在最終開(kāi)挖時(shí)，由于臨近偏壓效應(yīng)的影響，地下連續(xù)墻最大水平位移的埋深略小于最小基坑開(kāi)挖深度。

④AM樁中的最大彎矩產(chǎn)生于樁身頂部以下三分之一樁長(zhǎng)位移。AM樁中的軸力在樁頂和樁底近似為零，AM樁中的最大軸力的埋深隨開(kāi)挖推進(jìn)而增大。