不同臨河距離條件下深基坑變形與穩定性分析

王小耿+李飛++張飛

摘 要：建立了臨河軟土深基坑抗隆起判斷的有限元數值分析模型，分析臨河基坑的變形性狀與抗隆起穩定性，并對基坑臨河水位及臨河距離等因素進行參數分析，探討圍護樁的水平位移和坑底隆起回彈變化規律。分析結果表明，隨著河流水位的增加，圍護樁的水平變形與坑底回彈量也隨之增加，基坑土體的抗隆起穩定性隨之降低；臨河距離大于2倍開挖深度時，臨河距離對基坑變形的影響幾乎可以忽略，但當距離小到基坑挖深的1/2時，抗隆起穩定性會急劇降低，基坑發生破壞。工程中應注意到這兩種因素的綜合影響，采取適當措施，控制基坑變形并提高基坑的抗隆起穩定性。

關鍵詞：臨河 水位 深基坑 變形 穩定分析

中圖分類號：TU44；TU473 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（b）-0009-06

隨著城市建設與地下軌道交通建設的不斷發展，大量的深基坑工程開始涌現。由于發展的需要，不少基坑工程依水而建。此類基坑一方面由于非對稱荷載[1-3]的作用，會嚴重影響基坑圍護結構、地表以及河堤的受力與變形，使變形呈現非對稱狀態，容易造成深基坑的失穩[4]。另一方面又會由于河流滲流的影響[5]削弱土體強度，增加圍護結構的壓力，同時對圍護結構的強度及止水防滲提出了更高的要求，增加了設計難度。而目前的一些研究著重于變形規律的認識，而對于在臨河非對稱荷載狀況下基坑的隆起穩定分析卻鮮有涉及，文獻[6]對某河岸工程采用FLAC軟件模擬了河流水位上升對河岸基坑穩定的影響，分析了河流水位上升對基坑土體與圍護結構內力的影響。在臨河非對稱荷載狀態下的基坑圍護結構變形與坑底土體的回彈量，土體的穩定破壞機制與一般狀況下的基坑有很大的差異。因此研究不同臨河距離及河流水位下的深基坑開挖對圍護結構的變形及基坑隆起穩定的影響，對基坑位置選擇及工程中控制圍護結構變形具有指導意義。

該文根據鹽城濱海軟土地區某深基坑實例為背景，采用巖土工程有限元軟件Plaxis建立臨河非對稱荷載作用下的基坑變形與穩定數值模型，分析不同臨河距離與河流水位等因素對深基坑變形性狀的影響，探討基坑圍護結構水平位移、坑底隆起回彈及抗隆起安全系數[7]的變化規律。

1 工程背景

鹽城先鋒國際廣場基坑工程，三面環水，北面緊鄰越河，距離約為10 m；西側與先鋒島三期住宅樓基坑相連接；南側臨近已建地下一層非機動車庫，距離1.5 m。東側與現狀小海路立交橋相鄰。整個基坑面積14 000 m2，周長520 m，基坑實際開挖深度為8.55～10.05 m。周圍環境下有管線分布，條件復雜。

基坑開挖深度內，場地巖土層自上而下分布依次為：①0.5～3.0 m厚的雜填土層；②10.4～1.7 m厚的粉質黏土層；②2A0.8～1.7 m厚粉土層；②25.9～9.6 m厚的淤泥質土層；③3.3～6.3 m厚粘土層；④3.4～8.9 m厚粉土夾粉砂；⑤2.9～7.0 m厚粉土；⑥1.9～4.9 m厚粉質黏土層。

2 臨河基坑數值模型建立

2.1 數值模型與材料參數

該數值模型采用臨河側具有代表性的一個斷面進行建模，基坑開挖寬度約為36 m，開挖深度為10 m，支護方式為Φ1000@1200鉆孔灌注樁加兩道鋼筋混凝土支撐，并采用三軸深攪拌樁做止水帷幕。

該文采用的Plaxis模擬計算中，土體本構模型選取HS硬化模型，該模型為改進的莫爾—庫倫模型，可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型的土體行為[8]。該文模型中、、三者關系取值參照前人在HS模型方面已有的相關研究[9]。采用平面單元模擬土體，桿單元模擬鋼筋混凝土支撐，鉆孔灌注樁根據抗彎剛度等效的原則，采用等效厚度的板單元進行模擬。支撐的抗壓剛度為EA=1.228×107kN，等效后的樁軸向剛度EA= 2.485×107 kN/m，抗彎剛度EI=1.288×106 kN/m2。樁與周圍土體的接觸用界面單元來模擬，界面強度折減系數取0.7，參考文獻[4]中河流水壓力的處理方法是把河岸與河底受到的水壓力用同樣大小的外力荷載來模擬。基坑左右邊界施加水平約束，底部邊界施加水平與豎向約束，巖土體采用15節點三角形單元來模擬，基坑模型網格圖如圖1所示。根據土層分布的性質特點，對性質相近的土層進行合并簡化，相關土層參數見表1。

2.2 模擬基坑開挖方案

工程中基坑所處位置距離越河12 m，河流水位距離地表1 m。該文將從0 m、-1 m、-2 m、-3 m四個不同河流水位變化來分析河流水位升降對基坑變形及其隆起穩定的影響。然后再改變臨河距離，建立臨河3 m、5 m、7 m、12 m、17 m，22 m……的模型繼續探討。基坑開挖第一層土體到支撐底下1 m處，加設一道支撐，并對下一層土體進行疏干降水，然后繼續開挖加設支撐直到基坑底部。

3 臨河基坑隆起穩定狀態

3.1 基坑變形狀態

以臨河12 m、河流水位為-1 m的基坑為例，基坑開挖到坑底以后，其臨河與背河兩側圍護樁的水平位移如圖2所示，圖中可以發現兩者的水平位移十分接近，背河一側圍護樁的水平位移略大于臨河一側，最大位移出現在沿樁長約2/3處。而文獻[10]中臨河側的位移要大于背河側的位移，造成這一差別的原因可能是此模型中的臨河距離小，同時河流水位不高，導致臨河側樁身所受壓力小于背河側樁身壓力。

基坑底部土體下0.5 m處的隆起回彈量如圖3所示。從圖中可以發現，基坑底部的最大回彈量出現在距離坑壁約5 m處，達27.5 mm，在距離坑壁約8 m到基坑中心的一段區域中，基坑底部回彈量幾乎保持不變。

3.2 基坑破壞狀態

基坑在開挖卸載與河流壓力的共同作用下最終位移增量云圖如圖4所示，基坑土體位移增量矢量圖如圖5所示。從圖4中可以看出基坑臨河一側土體的位移增量遠大于背河一側的土體，且位移增量區域更加集中。從圖5中類似地發現位移從河堤處向下發展繞過支護樁后在坑底部向上隆起，背河一側的變化趨勢與臨河側相似，位移增量區域面積比臨河側更大，但最終的位移增量要小于臨河一側。可能是臨河側由于河流水壓力的約束限制了河流底部土體位移的發展，但背河一側沒有水壓力，所以受基坑開挖影響而發生位移的區域更大。

4 河流水位與臨河距離對基坑變形的影響

前面分析了臨河基坑的變形及其破壞狀態，與一般基坑的變形相比差異顯著，尤其在破壞狀態的時候。接下來將探討臨河水位與臨河距離對基坑變形及其穩定性的影響。

4.1 河流水位的影響

該文模擬了河流水位從河底-3 m上升到地表0 m的4種不同工況，不同河流水位下基坑兩側圍護樁的水平位移變化規律如圖6（a）、6（b）所示。從圖6（a）中可以看出，當河流水位為-3 m時，樁體的位移最小，隨著河流水位的上升，圍護樁的位移逐漸增大，當水位從-3 m上升到-2 m時，圍護墻最大水平位移增大了10.1%，從-2 m上升到-1 m時，圍護樁最大水平位移增加了14.0%，從-1 m上升到0 m，時圍護樁的最大水平位移增加了22.0%，變化幅度逐漸遞增。圖6（b）中，背河側圍護結構的水平位移變化與臨河側呈現出相同的趨勢，水位從-3 m上升到0 m時，每上升1 m，相應圍護樁的最大水平位移增量為2.1%、3.4%和6.8%，遠小于臨河一側的增量。可能是臨河側的水位上升會帶來水壓力的增加，加大了臨河側土體對圍護結構的壓力。

不同河流水位下基坑底部隆起回彈量變化規律如圖7所示。從圖7中可以發現，隨著河流水位的上升，基坑底部下0.5 m處的回彈量也逐漸增加，最大回彈量發生的位置也發生改變，在水位-2 m、-3 m的情況下，基坑底部的最大回彈位移發生在基坑中心處。在水位升高到-1 m、0 m時，水壓力增大，坑內土體受到的圍護樁的壓力也隨之增大，坑底的最大位移出現在距離基坑邊緣約5 m處，越往基坑中心位移越少，呈現馬鞍形，河流水位的上升加大了坑底靠近臨河一側的土體隆起量。

通過強度折減法計算的抗隆起安全系數與坑底隆起量的關系曲線如圖8所示。當河流水位逐漸上升，基坑抗隆起安全系數逐漸降低。當水位上升到0 m時，安全系數降低明顯，此時對應的圍護樁位移也增加很多，坑底處已經產生大量的隆起位移。強度折減計算中，圖示僅說明基坑的破壞狀態，圖中曲線對應坑底位移無實際意義。

4.2 臨河距離的影響

該文模擬了河流水位-1 m時基坑在臨河5 m、7 m、12 m、17 m、22 m、27 m、32 m幾種不同工況下的基坑開挖對圍護樁變形及土體穩定性的影響，不同臨河距離下基坑兩側圍護結構的變形如圖9（a）、9（b）所示。由圖9（a）中看出，不同臨河距離下，臨河側圍護結構的水平位移變化規律較為一致，樁的最大水平位移出現在沿樁身約2/3處，隨著臨河距離的增加，水平位移逐步增大，當臨河距離達到22 m（約兩倍的基坑開挖深度）時，變化的幅度變得很小，距離大于22 m后，樁的水平位移幾乎相同。圖9（b）中，背河側的圍護樁的變形曲線基本相同，從臨河5～32 m，圍護樁的最大水平位移僅變化了1.1%，影響幾乎可以不計。

臨河距離與基坑底部回彈量的變化關系如圖10所示，臨河距離對于基坑底部回彈量的影響集中體現在臨河一側附近的回彈量，在臨河側距離坑壁5 m處的隆起量隨著臨河距離的變大而增加，距離到達約兩倍基坑深度時，回彈量趨于一致。

不同臨河距離坑底隆起量與抗隆起安全系數變化規律如圖11所示，當臨河距離大于5 m時隨著臨河距離的增大，抗隆起安全系數基本保持不變；當把臨河距離縮小為3 m進一步計算時發現，當基坑開挖到第二層土時，整個計算過程變得十分緩慢，達到設定計算步數時仍未算完，增加計算步數，仍有不收斂的趨勢。可以判定土體已經達到破壞狀態，該步驟后坑底的最大隆起位移達到248.0 mm，遠遠超過其他距離下的坑底隆起位移。

5 結論

（1）臨河基坑破壞時的滑裂面從河提往下延伸，繞過圍護結構底部向上發展的一條曲線，河流的水壓力限制了河流底部土體位移的產生，使得位移發生區域集中在河堤與基坑圍護樁之間，同時也使得臨河側土體沉降位移遠大于背河一側。

（2）基坑圍護樁的變形隨著河流水位的升高而增大，增加幅度也變大，臨河側的變形增量明顯大于背河一側增量。基坑底部最大隆起量的位置發生改變，坑底隆起曲線由上凸曲線變成馬鞍型曲線。同時基坑的抗隆起安全系數也隨著河流的上升發生下降。工程中基坑圍護結構的設計應考慮河流的水位變化對基坑變形與穩定性的影響，考慮到最大水位的情況。

（3）不同的臨河距離下，基坑圍護樁的變形規律大致相同，臨河側的變形略小于背側的變形，當臨河距離約為兩倍基坑深度時，變形量基本不再增加，兩側的變形量也趨于相同，基坑底部回彈變化規律也相似，在約兩倍基坑深度的臨河距離后，隆起回彈量不再增加。工程中應避免基坑過于靠近河流，兩倍基坑挖深開外能極大地避免影響。

參考文獻

[1] 姚愛軍，張新東.不對稱荷載對深基坑圍護變形的影響[J].巖土力學，2011，32（增刊2）：378-382.

[2] Miyazaki Y，S Kazama，Y Ishi，et al.Behavior of braced wall subjected to unequal lateral pressures[C]//Proceedings of the international symposium on underground in soft ground.1995.

[3] 喻軍，魯嘉，龔曉南.考慮圍護結構位移的非對稱基坑土壓力分析[J].巖土工程學報，2012（S1）：24-27.

[4] 黃春娥，龔曉南.條分法與有限元法相結合分析滲流作用下的基坑邊坡穩定性[J].水利學報，2001，32（3）：6-10.

[5] 舒進，丁春林，張思源.臨河地鐵車站深基坑變形規律研究[J].華東交通大學學報，2011，28（5）：57-62.

[6] 董建軍，吳軍虎.滲流作用下河岸深基坑支護結構穩定性分析[J].防災減災工程學報，2014，34（5）：543-550.

[7] 鄭穎人，趙尚毅，宋雅坤.有限元強度折減法研究進展[J].后勤工程學院學報，2005，21（3）：1-6.

[8] Schanz T.Zur Modellierung des Mechanischen Verhaltens von Reibungsmaterialen[D]. Stuttgart University?，1998.

[9] 王衛東，王浩然，徐中華.基坑開挖數值分析中土體硬化模型參數的試驗研究[J].巖土力學，2012，33（8）：2283-2290.

[10] 劉誠，應國柱，朱大勇，等.臨河深大復雜基坑變形分析[J].工程與建設，2016，30（1）：1-4.