非對稱超載條件下深基坑支護結構的變形分析

呂小軍， 楊 琪， 錢德玲， 劉 杰

（1.中鐵上海工程局第一工程有限公司，安徽蕪湖 241000；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009）

隨著人類工程與經濟活動的開展，特別是近年來大量高層、超高層建筑的興起，一些基坑朝著超深和超大方向發展，對地上和地下空間的要求越來越高，由此而產生的大量基坑問題也越來越顯著［1］。由于深基坑支護工程的復雜性和不確定性，引發的問題越來越多，甚至造成重大工程事故（如杭州地鐵等）。特別是在地質條件較差的土層中，基坑的開挖、支撐和圍護帶來的問題常常造成附近建筑物和市政設施產生較大的變形和沉降，直接影響正常使用。因此，研究深基坑的支護問題、完善基坑設計理論，特別是研究非對稱超載條件下的基坑變形，即基坑兩側地面荷載不對稱的情況下產生的變形，將具有重要的現實意義。

本文根據蘇州地鐵1號線深基坑的圍護和支撐結構的特征，采用三維有限元分析［2－3］，計算非對稱超載條件下支護結構的內力和變形，并與無超載條件下的計算結果進行對比，得到了非對稱超載條件下支護結構內力和變形的分布規律，研究結果將有助于提高深基坑的設計水平和安全性，并為類似工程的設計、施工和研究提供必要的數據。

1 工程概況

蘇州軌道交通1號線位于蘇州市市中心人民路與干將東路交會處，長約290 m，寬約22 m，為地下二層島式，擬采用明挖法施工，地下連續墻＋內支撐圍護結構體系。主體圍護結構采用1 000 mm厚地下連續墻，局部采用800 mm和600 mm厚地下連續墻。A區段工程北側鄰近交通主干道和建筑物，基坑相應的超載設計值為q＝20 k N／m2，南側比較空曠。基坑平均深度18 m，局部7.5 m，長度約為195 m，支護結構形式較為復雜，基坑中間采用對撐，角部采用角撐或斜撐，設為3道支撐，支護結構平面圖如圖1所示。

圖1 支護結構平面布置圖

1.1 場地工程地質條件

擬建場地地處廣闊的沖積、湖積平原，為典型的水網化平原。

第1層為人工填積土，土性較雜，含碎磚、瓦片和淤泥等，工程性質較差，大部分地段厚度較大，分布于整個場區。

第2層分為上下2層。上層系晚更新世（Q3）沖湖積相沉積成因土層，為可塑和軟塑黏性土，夾薄層粉土，工程性質差異較大，由于受切割，厚度變化大，局部缺失。該層內夾有淺海相、海陸交互相沉積成因的飽和砂性土和軟弱黏性土，工程性質較差，總體厚度大，但各層土分布不均勻，其中，軟弱黏性土厚度較大。下層為沖湖積相沉積成因的飽和砂性土，工程性質較好，較穩定地分布于整個場區，厚度較大。

第3層為中更新世（Q2）沖湖積相沉積成因土層，為硬塑－可塑－軟塑黏性土，夾薄層粉土，工程性質較好，土質不均勻，總體厚度較大。

第4層為古沙洲相沉積成因的飽和砂性土層，工程性質較好，土質不均勻。

場地內埋置了各種管線，地處交通主干線和建筑物旁邊，因此，基坑支護設計必須考慮基坑周邊交通、建筑物及管線的安全，并嚴格控制基坑施工期間的地面沉降與變形。場地土層自上而下見表1所列。

表1 蘇州1號線基坑場地地質條件

1.2 監控量測

為保證基坑自身穩定和安全，以及周邊道路交通、建筑物和地下管線的安全，施工過程中對基坑進行了全過程監控量測。量測的主要內容有：地表沉降及位移、建筑物及地下管線變形、水位觀測、樁頂水平位移及沉降、土體水平測斜、支護樁內力、支撐軸力及立柱變形等量測。現場監控量測是監視基坑穩定、判斷基坑支護設計是否合理、施工方法和工藝是否可行的重要手段，也是保證施工安全、提高經濟效益的重要條件。

2 模型建立與計算

為了了解非對稱超載條件下基坑支護結構的內力和變形情況，采用GTS分析軟件進行計算。利用AutoCAD強大的繪圖功能，將AutoCAD設計圖導入GTS中進行建模，并根據實際開挖流程進行分析和計算。

針對蘇州地鐵A區段基坑工程的特點，考慮了初始應力，應用了“位移清零”功能，在位移清零之后再進行分步開挖和支撐的數值計算，有效地提高了模擬計算的精度。

2.1 模型的建立

根據基坑設計和施工方案，建立了三維有限元模型。由于該基坑的長度是寬度的3倍左右，考慮基坑自身的長跨效應，并結合基坑開挖過程中的步驟和時空效應，分別進行了整體分析［4－6］，計算模型如圖2所示。

圖2中為支護結構有限元實體模型（包括內支撐、地下連續墻和周圍土體），中間線形表示鋼筋混凝土內支撐、冠（腰）梁及內支撐作為梁單元來考慮［7－8］。計算域的邊界為：實體模型中Z方向土體深度取基坑開挖深度的2倍，寬度自開挖邊界向外取開挖深度的1倍以上。邊界條件為：模型四周在X、Y方向約束，Z方向自由；模型底部在3個方向上均為約束，基坑表面自由。

圖2 基坑支護結構模型圖

地下連續墻平均厚度0.9 m，墻體設計高度不等，最深18 m，局部7.5 m。冠梁、腰梁、對撐和角撐的有限元模型如圖2所示，混凝土強度等級為C30，相關的計算參數見表2所列。

表2 支撐結構的計算參數

2.2 GTS計算結果與實測結果的對比

為保護鄰近交通、建筑物和地下管線的安全，以及基坑工程本身的安全和質量，基坑開挖按規范要求，布控了大量的監測點（如圖3所示）。監測數據不僅為及時調整施工和加固方案提供了依據，還為今后信息化設計和施工提供了有效的依據和參數。

圖3 監測點平面布置圖

該基坑北側緊鄰交通主干線和建筑物，南側為空地，可視為非對稱超載作用下的深基坑。2008年3月完成第1層土的開挖，計算時相當于完成第1步開挖的模擬，按照施工順序模擬至完成全部開挖和支撐。2009年11月完成底板澆注，至此，監測結果顯示監測點DB3－3地表沉降值為11 mm，相同點的數值計算結果為10 mm，如圖4所示，從圖中看出，計算點與實測點的沉降總體趨勢基本相同。

圖4 實測值與計算值的對比

3 計算與分析

大多數基坑均為對稱情況下的超載，為了研究非對稱超載情況下的基坑變形，計算中選擇2種超載狀態進行分析，即相同工況條件下對稱和非對稱超載下地表沉降和支撐內力的差異，以此來解決實際工程中的問題和應注意的事項。

3.1 對稱超載下支護結構內力和地表沉降

通過有限元分析，相同工況條件下，在開挖深度為17.3 m時（即第5道開挖），對稱超載作用下的支撐軸力FX方向上的最大值為1 970 k N，主要集中在南側第5道支撐的西南局部位置。地表沉降最大值為26.1 mm，主要集中在基坑南側位置，北側地表沉降17.2 mm。地下連續墻的最大負彎矩為1 390 k N·m，位于地表下11～14 m處，連續墻的位移為25.2 mm，位于墻的下部，北側位移比南側小，如圖5和圖6所示。

圖5 對稱超載下支撐軸力F X

圖6 對稱超載下基坑地表沉降

3.2 非對稱超載下支護結構內力和地表沉降

在相同計算參數和相同工況下，開挖深度為17.3 m時，非對稱超載下基坑支撐軸力和地表沉降的計算結果如圖7和圖8所示。在超載側（北側）加上10 k Pa的荷載，支撐軸力在深度13.8 m處FX方向上最大內力值為1 980 k N，地下連續墻的最大負彎矩為1 511 k N·m，出現在基坑變寬處，連續墻的位移為31.4 mm，北側比南側位移大。加載側（北側）的地表沉降為26.5 mm，比非超載側（南側）位移17.6 mm的地面沉降大，基坑處于應力不均衡狀態。

圖7 非對稱超載下支撐軸力F X

圖8 非對稱超載下基坑地表沉降

由以上結果可以得出相同開挖條件下，非對稱超載條件下支撐結構內力和地表沉降的分布規律。在對稱超載條件下，基坑連續墻最大水平位移為26.1 mm，兩側變形區域主要集中在地表下10.8～14.1 m處。在非對稱超載作用下，超載側連續墻的最大水平位移為31.4 mm，非超載側連續墻最大水平位移為17.6 mm，兩側變形區域主要集中在地表下10.9～14.8 m處。這說明在非對稱超載作用下，土體產生變形，超載側土壓力由靜止土壓力逐漸轉向主動土壓力，連續墻的水平位移也隨著增大，同時內支撐軸力增大而產生壓縮變形，并隨著超載側的變形一起向非超載側發生偏移。文獻［9］允許樁身位移為0.25%H（H為基坑深度），該基坑最大允許位移值為43.25 mm，數值計算結果為31.4 mm，滿足規范要求。數值模擬結果與理論計算結果和實際情況基本吻合，對類似工程具有一定參考價值。

以上計算和分析結果表明：非對稱超載狀態下，基坑圍護體系超載側連續墻的內力和彎矩略大于對稱超載條件下的圍護結構，但超載側的位移卻較大。也就是說，在非對稱超載條件的情況下，基坑的位移較大，其穩定性處于最不穩定的狀態。而在常規設計時，通常是考慮對稱超載條件，往往忽略非對稱超載的情況。因此，在設計和施工中，應重視非對稱超載條件下，超載側基坑的變形［10］。

4 結束語

通過有限元計算和分析，得到了非超載條件下基坑支護結構內力與水平位移的分布規律。實際工程中常常將基坑兩側看作對稱超載，而忽略了非對稱超載作用下基坑存在的不安全因素。根據我國設計規范GB 50009－2001［11］，設計過程分為承載力極限狀態和正常使用極限狀態，非對稱超載作用下的基坑相對于兩側均有超載作用的基坑，在墻身水平力及墻身彎矩上相差不大，設計時能夠滿足承載力極限狀態下的強度要求。但是，此時墻身水平位移的顯著增大卻經常不能滿足正常使用極限狀態下的相關要求，為后續施工過程留下了安全隱患。在設計時應對非對稱超載作用的基坑進行定量分析，驗算圍護結構的水平位移，使之控制在合理的范圍之內。同時，在施工過程中應監測圍護結構的水平位移，通過監測數據及時掌握圍護結構體系的動態，必要時應采取有效的施工措施減少圍護結構的水平位移。類似于本基坑非對稱超載情況的現象十分普遍，為了保證工程質量以及人民生命財產的安全，對非對稱超載作用下的基坑，在設計和施工中應注重超載側圍護結構的變形。

［1］ 唐孟雄，陳如桂，陳 偉.深基坑工程變形控制［M］.北京：中國建材工業出版社，2006：5－67.

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［11］ GB 50009－2001，建筑結構荷載規范［S］.