張軍，崔會寧

鄰近邊坡偏壓深基坑開挖效應(yīng)分析

張軍，崔會寧

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

依托長沙地鐵6號線望岳路站深基坑工程，探究了鄰近邊坡偏壓地鐵車站基坑開挖的變形特性與受力特點，采用Midas/GTS對基坑分層開挖與支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了地連墻位移、內(nèi)支撐軸力、地表沉降等，并將數(shù)值模擬值與工程實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性的影響因素。研究結(jié)果表明：偏壓作用下，基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形明顯不同，非偏壓側(cè)的樁身水平位移大于偏壓側(cè)的；偏壓與非偏壓的兩側(cè)地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)，偏壓側(cè)的坑周地表最大沉降量大于非偏壓側(cè)的；工程邊坡側(cè)增設(shè)大直徑鉆孔灌注圍護(hù)樁、多道鋼角撐數(shù)量，能有效控制邊坡側(cè)基坑變形；數(shù)值模擬值與實際監(jiān)測結(jié)果一致，可為地鐵車站深基坑工程的設(shè)計與施工提供借鑒。

偏壓基坑；監(jiān)測數(shù)據(jù)；數(shù)值模擬；變形

城市地下空間的建設(shè)工程中，基坑周邊存在建筑物、公路、鐵路、邊坡等造成深基坑支護(hù)工程的復(fù)雜性和不確定性。針對偏壓基坑問題，劉波[1]等人采用數(shù)值模擬，分析了基坑周圍的公路路基及坑內(nèi)開挖深度懸殊的基坑工程，指出基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形明顯不對稱，中、下部支撐對基坑穩(wěn)定性的影響較上部支撐的大。石鈺鋒[2?3]等人根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了受偏壓影響的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移及受力模式，指出基坑受偏壓影響須重視。劉有志[4?5]等人探究了在基坑周圍不對稱荷載作用下，基坑一側(cè)圍護(hù)樁具有較高安全系數(shù)，另一側(cè)已經(jīng)出現(xiàn)變形，指出在設(shè)計計算時應(yīng)考慮不同的超載作用。劉志方[6]等人采用數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，研究了土壓力不平衡的大高差基坑開挖，應(yīng)加大支護(hù)樁和支撐截面，加強(qiáng)擋土結(jié)構(gòu)和支撐體系的剛度，有效控制基坑變形。秦坤元[7]等人采用數(shù)值模擬，分析了削坡、基坑開挖對鄰近邊坡的影響。通過實測結(jié)果分析邊坡的加固效果，指出削坡后應(yīng)及時采取合理的邊坡加固措施。現(xiàn)場采用邊坡加固措施，確保了邊坡穩(wěn)定性。作者以長沙地鐵6號線望岳路站基坑工程為背景，擬選取典型監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)，建立基坑三維有限元模型，模擬開挖過程，并且對比偏壓作用下變形與受力效應(yīng)數(shù)據(jù)，以期為類似工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程簡介

1.1 基坑概況

長沙地鐵6號線全長約51.5 km，設(shè)車站34座，全為地下站。望岳路站為第11站，車站全長226 m，位于桐梓坡路與望岳路的十字路口。東北角有一個高邊坡，約13 m。因高邊坡的存在，使得該車站基坑兩側(cè)處于偏壓狀態(tài)(高邊坡一側(cè)稱為偏壓側(cè)，另一側(cè)稱為非偏壓側(cè))。車站采用半蓋挖法進(jìn)行施工，設(shè)計為地下兩層島式車站，支護(hù)選用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁樁+φ800@1 200旋噴樁止水帷幕。近邊坡側(cè)采用φ1 200@1 400鉆孔灌注樁+φ800@1 400旋噴樁止水帷幕。豎向設(shè)立三道內(nèi)支撐，分別為：鋼筋混凝土支撐、鋼筋混凝土+鋼混合支撐、鋼支撐。再配合邊坡?lián)跬翂靥钔痢?/p>

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)剖面圖(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)概況

車站原始地貌為剝蝕丘陵地貌疊加河流沖積地貌，現(xiàn)狀地勢西低東高，地形相對平坦。基坑范圍內(nèi)，土層地質(zhì)情況依次分為：①第四系全新統(tǒng)人工填土層。該層為素填土，呈褐黃色，以黏性土和全風(fēng)化板巖為主。土質(zhì)已壓密夯實，局部含礫石，在水平方向上廣泛分布于整個車站。②第四系全新統(tǒng)沖積層。該層分為上、下兩層，分別為一類粉質(zhì)黏土、二類粉質(zhì)黏土。其中，一類粉質(zhì)黏土呈灰黑色，軟塑，局部為可塑狀，黏性較好，干強(qiáng)度中等，本層分布于車站東北部和中部南側(cè)。二類粉質(zhì)黏土呈褐黃色，硬塑狀，含約12%圓礫，主要成分為石英顆粒和強(qiáng)風(fēng)化板巖，韌性中等，本層主要分布于車站西部區(qū)域。③元古界冷家溪群地層。該層分為三層，依次為全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖。全風(fēng)化板巖為褐黃色、暗紅色，成巖礦物基本風(fēng)化完全，巖石組織結(jié)構(gòu)大部分破壞，局部夾強(qiáng)風(fēng)化巖塊，本層在水平方向上全場分布。強(qiáng)風(fēng)化板巖為灰黃色，板狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙極發(fā)育，一般屬軟巖，本層存在風(fēng)化不均。中風(fēng)化板巖為青灰色，變余泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，一般屬軟巖，局部為較軟巖，本層主要分布于基坑底部以下。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測項目

長沙地鐵6號線望岳路站現(xiàn)場監(jiān)測項目的主要內(nèi)容為：①樁頂豎向位移，布置9個測點，采用水準(zhǔn)儀DINI03進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)警控制值為±30 mm；②圍護(hù)樁身水平位移，布置6個測點，采用測斜儀CX-06A進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)警控制值為±30 mm；③內(nèi)支撐軸力，布置4個測點，采用頻率讀數(shù)儀進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)警控制值為±7 200 kN；④坑周土體沉降，布置52個測點，采用水準(zhǔn)儀DINI03進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)警控制值為±30 mm。

2.2 監(jiān)測點布置

樁頂豎向位移采用偏壓側(cè)ZQC21-23測點與非偏壓側(cè)ZQC18-20測點的2組監(jiān)測數(shù)據(jù)，圍護(hù)樁身水平位移采用ZQT11、ZQT14斜測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，內(nèi)支撐軸力采用端部斜向支撐ZL2和標(biāo)準(zhǔn)段豎向支撐ZL14測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，坑周土體沉降選用基坑高邊坡處兩側(cè)地表監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，監(jiān)測點位置分布如圖2所示。圖2中，ZQC●為樁頂豎向位移監(jiān)測點，ZQT■為圍護(hù)樁身水平位移監(jiān)測點，ZCL◆為內(nèi)支撐軸力監(jiān)測點，DBC▲為坑周土體沉降監(jiān)測點。

圖2 監(jiān)測點平面布置

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 樁頂豎向位移

非偏壓ZQC18、ZQC19、ZQC20和偏壓側(cè)ZQC21、ZQC22、ZQC23 2組樁頂豎向位移的監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，非偏壓側(cè)的樁頂豎向位移沉降量大于偏壓側(cè)的，這是因為非偏壓側(cè)對應(yīng)測點的深層樁身水平位移大于偏壓側(cè)的?；娱_挖過程中，樁頂豎向位移在2019年11月份出現(xiàn)增大現(xiàn)象，然后隨著基坑的開挖，樁頂豎向位移沉降量逐漸增大，開挖到坑底后趨于穩(wěn)定。這是因為該基坑屬于分段開挖，由該工程10月份的施工進(jìn)度可知，此時基坑剛開挖到14軸，深10～15 m，位于24軸處測點的土體還沒有開挖。樁頂隨著11月份對1～10軸中板和10～14軸底板的澆筑完成，基坑應(yīng)力重分布，開挖引起24軸處樁頂豎向位移的影響隨之減小，樁頂豎向位移上升。

圖3 樁頂豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

3.2 圍護(hù)樁身水平位移

圍護(hù)樁作為主要支護(hù)結(jié)構(gòu)，變形大小仍是基坑安全與否的重要指標(biāo)[8]。偏壓側(cè)ZQT14測點與非偏壓側(cè)ZQT11測點的樁身水平位移如圖4,5所示。從圖4,5可以看出，隨著基坑開挖，樁身最大位移逐漸加大且最大水平位移發(fā)生位置不斷下移[8]。非偏壓側(cè)的樁身水平位移明顯大于偏壓側(cè)的，偏壓側(cè)與非偏壓側(cè)的最大樁身水平位移分別為5.86 mm和7.57 mm。這是因為偏壓側(cè)高邊坡的存在，使得基坑偏壓側(cè)的土壓力小于非偏壓側(cè)的土壓力，土壓力通過內(nèi)支撐傳遞，使得非偏壓側(cè)樁身整體水平位移的增大。

圖4 偏壓側(cè)樁身水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

圖5 非偏壓側(cè)樁身水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

3.3 內(nèi)支撐軸力

選取ZL2測點三道內(nèi)支撐軸力的實測數(shù)據(jù)，如圖6所示。從圖6中可以看出，開挖初期，由于土方開挖，導(dǎo)致軸力增加，第一道鋼筋混凝土支撐軸力增長迅速，對基坑圍護(hù)樁的位移變形起到了較好的抑制作用。第二道內(nèi)支撐軸力理論上伴隨基坑開挖應(yīng)呈逐漸增大趨勢，但實際開挖過程中第二道內(nèi)支撐軸力一直較為穩(wěn)定。因此，第二道鋼支撐在基坑開挖中，可能出現(xiàn)了一定的應(yīng)力損失。每道支撐的架設(shè)都對相鄰支撐軸力的大小產(chǎn)生了影響。第二道內(nèi)支撐開始架設(shè)后，第一道內(nèi)支撐軸力明顯減小。第三道內(nèi)支撐開始架設(shè)，第二道內(nèi)支撐軸力也有下降趨勢。

圖6 內(nèi)支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

3.4 坑周土體沉降

選取基坑邊坡偏壓側(cè)測點DBC24～26與其對應(yīng)非偏壓側(cè)測點DBC17～19的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖7,8所示(圖中線段缺失部分為未監(jiān)測到數(shù)據(jù))。從圖7,8中可以看出，偏壓與非偏壓的沉降曲線的兩側(cè)沉降變化規(guī)律相似，均為先下降后趨于穩(wěn)定，與文獻(xiàn)[9]一致。偏壓側(cè)的基坑周圍地表沉降最大沉降點發(fā)生在邊坡回填土測點DBC26?3處，最大沉降量達(dá)到11.49 mm，大于非偏壓的最大沉降量8.88 mm，總體沉降量不大，滿足基坑地表沉降控制的設(shè)計要求。

圖7 偏壓側(cè)坑周地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

圖8 非偏壓側(cè)坑周地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線

4 數(shù)值模擬

4.1 計算模型建立

運用Midas GTS軟件，根據(jù)基坑結(jié)構(gòu)和施工方案，建立有限元計算模型，如圖9所示。模型長386 m，寬201 m，深度70 m，網(wǎng)格采用計算精度較高的“六面體+四面體”混合網(wǎng)格。土體采用實體單元模擬，基坑內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖10所示。其中，鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐和冠梁、腰梁均采用梁單元模擬；鉆孔灌注樁根據(jù)等效剛度原則，等效為地連墻采用板單元模擬；地連墻與土體之間采用界面單元模擬。模型底部設(shè)置為固定約束，四周設(shè)置為水平單向約束，上表面為自由邊界。在車站東北側(cè)處按實際情況建立邊坡?lián)跬翂?，擋土墻表面為自由邊界?/p>

圖9 基坑有限元計算模型

圖10 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖10所示，基坑內(nèi)支撐、圍檁、圍護(hù)樁均采用各向同性的線彈性材料定義。圍護(hù)樁厚度根據(jù)《基坑工程手冊(第二版)》中等剛度轉(zhuǎn)換的原則，得到公式為：

式中：為樁體直徑；為樁間距。

其中，基坑邊坡側(cè)為增強(qiáng)穩(wěn)定性，加大圍護(hù)樁徑，采用φ1 200@1 400鉆孔灌注樁，等效板厚為0.955 2 m；標(biāo)準(zhǔn)段采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁，等效板厚為0.788 6 m。

4.2 土層參數(shù)設(shè)置

該基坑數(shù)值模擬土體采用修正–摩爾庫倫模型，由彈塑性模型和非線性彈性模型組合而成，這樣可同時模擬土的剪切和壓縮硬化的行為。在基坑開挖模擬過程中，能得出較合理的樁身變形和坑周土體沉降結(jié)果。土體參數(shù)的取值來自《長沙市軌道交通6號線工程KC-1標(biāo)段望岳路站詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察》的地勘報告，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗公式[10]取得。各項土體參數(shù)見表1。

表1 修正摩爾庫倫模型參數(shù)取值

5 模擬結(jié)果分析

5.1 樁頂豎向位移分析

根據(jù)等效剛度原則，將鉆孔灌注樁等效為地連墻，并采用板單元模擬。實際工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為長短不一的鉆孔灌注樁，繞基坑緊密排布，導(dǎo)致計算模型的地連墻整體剛度和嵌固深度與實際工程存在一定差異。由于樁頂豎向位移模擬曲線與實測數(shù)據(jù)曲線擬合不佳，對工程指導(dǎo)意義不大，因此不予對比。

5.2 圍護(hù)樁身水平位移分析

為驗證本研究模擬結(jié)果的可靠性，選取12月22日圍護(hù)樁ZQT14斜測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，此時基坑已開挖至坑底與數(shù)值模擬施工過程相同。數(shù)值模擬曲線與實測值曲線變形趨勢相同，樁身最大位移發(fā)生位置也一致，如圖11所示。由于圍護(hù)樁建模中將鉆孔灌注樁等效為地連墻，增大了圍護(hù)樁的剛度，而且實際工程中的鉆孔灌注樁長度不一，施工工藝無法完全模擬，導(dǎo)致數(shù)值模擬曲線的水平位移小于實測值曲線的。對偏壓和非偏壓的兩側(cè)樁身水平位移曲線進(jìn)行對比，如圖12所示。從圖12中可以看出，非偏壓側(cè)的樁身水平位移變形均大于偏壓側(cè)的，與測點ZQT14與ZQT11樁身水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)所得結(jié)果相同。因此，模擬結(jié)果能夠體現(xiàn)出樁身變形特性的一般規(guī)律，對實際施工有一定的指導(dǎo)意義。

圖11 偏壓側(cè)樁身水平位移與實測值對比曲線

5.3 內(nèi)支撐軸力模擬分析

選取ZL2角撐數(shù)值模擬軸力計算結(jié)果對比實測軸力數(shù)據(jù)，如圖13所示。從圖13中可以看出，部分結(jié)果較為接近。基坑進(jìn)行第三次開挖時，第二道內(nèi)支撐上出現(xiàn)最大軸力為1 942.6 kN。第一道內(nèi)支撐軸力計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)有一定差異，變化規(guī)律相似，均為軸力先增大后逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。這是因為實際工程中，第一道內(nèi)支撐受到鄰近建筑物荷載作用，基坑在往下開挖過程中，荷載無法順利傳遞給第二道內(nèi)支撐，導(dǎo)致軸力實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果有一定偏差。

圖12 偏壓側(cè)與非偏壓側(cè)樁身水平位移模擬數(shù)據(jù)曲線

圖13 內(nèi)支撐軸力模擬數(shù)據(jù)變化曲線

5.4 坑周土體沉降分析

影響基坑周圍土體沉降的因素：基坑地下水位的降低，引起土的固結(jié)沉降；圍護(hù)樁身位移變形，引起坑周地表的下沉；數(shù)值模擬中，土體參數(shù)設(shè)置中勾選“帽”選項，計算過程中會考慮土體固結(jié)引起的土體沉降。該基坑在監(jiān)測過程中，地下水位變化不大，所以地表沉降主要是與圍護(hù)樁身的位移與數(shù)值模擬土體參數(shù)的設(shè)置有關(guān)。

基坑中斷面兩側(cè)坑周土體沉降曲線如圖14,15所示。從圖14,15中可以看出，偏壓與非偏壓兩側(cè)地表沉降曲線均為“凹槽狀”，隨著基坑開挖深度的增加，兩側(cè)土體沉降也增加；距離基坑中心越遠(yuǎn)，土體沉降越小。偏壓側(cè)地表最大沉降為17.4 mm，發(fā)生在擋土墻邊坡回填土處；非偏壓側(cè)的地表沉降為11 mm，發(fā)生在緊鄰基坑地表處。偏壓側(cè)的地表沉降數(shù)值模擬值和監(jiān)測結(jié)果均大于非偏壓側(cè)的。這是由于偏壓側(cè)高邊坡的存在，在高邊坡處設(shè)立擋土墻，并且在擋土墻與基坑之間選用粉質(zhì)黏土回填加固。實際工程中，采用對回填土進(jìn)行分層夯實等加固工藝，這是數(shù)值模擬中無法完全實現(xiàn)的。因此，數(shù)值模擬中，回填土的強(qiáng)度較實際的低，基坑開挖后，地表出現(xiàn)較大沉降。

從圖14,15和圖7,8又可以看出，存在高邊坡的偏壓基坑，對非偏壓側(cè)的地表沉降影響范圍較大，為確保模型正確的計算結(jié)果，適當(dāng)加大非偏壓側(cè)的模型尺寸，以消除邊界側(cè)限效應(yīng)的影響。

圖14 偏壓側(cè)地表沉降模擬數(shù)據(jù)曲線

圖15 非偏壓側(cè)地表沉降模擬數(shù)據(jù)曲線

6 結(jié)論

以長沙城市軌道交通6號線望岳路站鄰近邊坡偏壓深基坑為研究背景，通過實際監(jiān)測和模擬分析等方法對偏壓基坑開挖變形效應(yīng)進(jìn)行分析研究，得出結(jié)論為：

1) 因車站東北側(cè)高邊坡存在，使得基坑?xùn)|側(cè)處于偏壓狀態(tài)，基坑?xùn)|側(cè)采用增設(shè)一道大直徑鉆孔灌注圍護(hù)樁，增加?xùn)|側(cè)鋼角撐的數(shù)量，有效防止了偏壓作用下土壓力不平衡導(dǎo)致的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，變形值的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果均滿足設(shè)計階段對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求，該方案合理可行。

2) 偏壓作用下，基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形明顯不同。偏壓側(cè)的圍護(hù)樁身在一定深度范圍內(nèi)，出現(xiàn)整體向基坑外側(cè)邊坡的偏移，將樁身變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比，基坑非偏壓側(cè)的樁身水平位移均大于偏壓側(cè)的，加大非偏壓側(cè)樁體的嵌固深度，減少深層土體的無支撐暴露開挖時間，可有效減小變形。

3) 對比基坑內(nèi)支撐軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)第一道鋼筋混凝土支撐的軸力變化范圍較大，數(shù)值分析的計算軸力值與實際相差較大。因此，需加強(qiáng)對軸力的監(jiān)測，防止出現(xiàn)軸力異常，導(dǎo)致基坑整體失穩(wěn)。

4) 基坑偏壓與非偏壓兩側(cè)地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)，最大地表沉降點位于回填土上。實際施工中，對偏壓側(cè)回填土邊坡表層浮土進(jìn)行分段削坡。削坡后，立即采用網(wǎng)噴+短筋型式進(jìn)行臨時支護(hù)，修建臨時排水溝，坡頂采取防護(hù)安全措施，回填土分層壓實，對降低基坑開挖偏壓側(cè)地表沉降量，增強(qiáng)基坑整體穩(wěn)定性具有一定作用。

5) 實際工程中，會受周邊環(huán)境、可變荷載、基坑降水等因素影響。同時，數(shù)值分析模型會受空間局限性、參數(shù)選取等影響。因此，無法完全真實的反映基坑開挖過程中的變形情況，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)值分析結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定差異。但是數(shù)值計算結(jié)果反映出的變形規(guī)律與實測結(jié)果一致，能夠為基坑設(shè)計提供一定重要的可靠性數(shù)據(jù)。

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Analysis of excavation effect of deep foundation pit under eccentric pressure adjacent

ZHANG Jun, CUI Hui-ning

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

Based on the deep foundation pit engineering of Wangyue Road Station of Changsha Metro Line 6, Midas GTS was used to simulate the layered excavation and support of foundation pit. Ground wall displacement, internal support axial force and ground settlement were analyzed. The influence factors of the deformation characteristics of the retaining structure were analyzed by comparing the numerical simulation with the actual monitoring data. The results show that the deformation of the retaining structure on both sides of the foundation pit is obviously different under the action of eccentric pressure. The horizontal displacement of the pile body on the non-eccentric pressure side is larger than that on the eccentric pressure side. The ground settlement on both sides of the non-eccentric pressure side and the eccentric pressure side has an obvious space effect. The maximum ground settlement around the side-pit is larger than that of the non-side-pit. The deformation of the side-pit can be effectively controlled by adding large diameter bored piles and steel angle braces. The results of numerical simulation are basically consistent with the measured results, which provide a scientific basis for the rational design and safe construction of deep foundation pit of metro station.

bias excavation; monitoring data; numerical simulation; deformation

TV551.4+2

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 00034? 08

2020?06?17

張軍(1967?)，女，長沙理工大學(xué)教授。