施工擾動荷載對基坑支護結構的影響研究*

李 芬 于建立

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

城市建設開挖場地受限，基坑工程呈現出開挖面積大、挖深不斷加大、形狀多式多樣、周圍建筑環境越來越復雜以及支護體系的形式多樣性等特點，由此產生的環境效應問題日益突出[1].由于基坑設計規范中并未明文規定基坑支護設計時必需考慮基坑邊上車輛荷載等擾動荷載的影響[2]，所以在一般情況下，在支護設計時很少考慮擾動荷載對基坑及其支護結構的穩定性和周邊地表的影響.隨著基坑工程項目的研究越來越多，學者們開始研究坑外擾動荷載對基坑的影響.劉素錦等[3]分別采用等效均厚土層法和集中荷載法計算車輛動荷載，討論分析了這兩種計算方法下不同支護方式的安全系數；唐麗云等[4]采用FLAC3D軟件分析了考慮破裂角時常規、改進等效代換土層厚度法計算車輛荷載對連續墻的穩定性及水平位移的影響；林剛等[5]運用PLAXIS軟件模擬分析了在不平衡堆載情況下，基坑開挖對地下連續墻的內力及位移的變化影響；張向東等[6]以有限元軟件ADINA分析了交通荷載參數、基坑參數對樁錨式支護體系下的等效混凝土墻最大位移及變形量的影響；徐長節等[7]通過研究某工程實例，分析了車輛沖擊荷載對基坑圍護結構失穩的影響；陳梅等[8-9]通過有限元模型及ABAQUS軟件，分析討論了不同車輛荷載計算模型下坑周土體及地下連續墻的變形規律和坑頂車輛動載的影響深度等；邱洪志[10]運用ABAQUS軟件分析了不同車輛荷載簡化形式下對樁錨支護結構的內力及位移的影響；李玉岐等[11]使用考慮流固耦合作用的有限元軟件，分析研究了坑外荷載大小、作用范圍和作用時間對地下連續墻水平位移、地表沉降及坑底隆起變形的影響.

綜上研究，大多是針對不同荷載對地下連續墻、樁錨式支護體系的影響，少有涉及研究施工車輛對基坑樁撐式支護結構的影響,因此，本文結合武漢市某電力隧道基坑工程，使用有限元軟件Midas GTS分析基坑周邊臨時停放的機械設備擾動荷載的大小及所處不同位置時，對基坑樁撐式支護體系的影響.

1 工程概況

武漢市某電力隧道基坑工程位于長江沖積一級階地地區.基坑開挖深度為6.9 m，長為39 m，寬為5.2 m.支護結構采用直徑為1.2 m的挖孔樁，樁間距為1.3 m，樁長為12.9 m；樁頂設置截面尺寸為1.3 m×0.8 m的冠梁；樁間設置一道直徑為0.63 m，厚度為10 mm的鋼管支撐，水平間距為5.2 m.基坑周邊考慮20 kPa的均布荷載，基坑支護結構體系設計未考慮施工擾動荷載影響.由于基坑較長，故分兩步開挖.在第一步開挖完成后施加水平鋼支撐，并進行第二步開挖，開挖不久后因下雨施工車輛臨時停放在基坑附近，支護結構的冠梁出現裂縫.

根據勘察報告可知，基坑開挖及計算模型涉及到的場地地層自上而下由以下土層組成：松散-稍密的雜填土、可塑狀的粉質黏土、塑-可塑狀的粉質黏土、硬塑狀的黏土.各土層物理力學參數見表1.

表1 地層物理力學性質參數

2 數值模型驗證

2.1 建立計算模型

由于基坑開挖所產生的影響深度及寬度分別為基坑深度的2～4倍和3～4倍，故而取模型尺寸為80 m×50 m×21.5 m，基本計算模型見圖1.土體采用摩爾-庫倫本構模型，土體單元采用實體單元，計算參數見表1.支護樁、冠梁及鋼橫撐采用彈性本構模型，取梁單元模擬，材料參數見表2，樁土之間的相對滑動以界面接觸進行模擬，參考Midas/GTS取值要求界面參數見表3.臨時停放的施工機械按其重量等效施加在機械與土體的接觸面積上，大小取為56 kPa，長邊方向距離基坑中線5.5 m，短邊方向距離基坑邊緣1.4 m，見圖1b).

圖1 基坑計算模型

基本工況則根據實際施工情況進行模擬，基坑開挖分兩步進行.首先開挖計算模型的深色區域，并施工3根鋼橫撐；第二步開挖白色區域，并施工相應的4根鋼橫撐.

表2 支護結構材料參數

表3 界面單元參數

計算模型的位移邊界條件為：模型長邊進行y方向約束，短邊進行x方向約束，模型底面進行x,y,z方向約束.基坑開挖分兩段進行，故開挖第一段時對第二段土體進行x方向位移約束.

2.2 計算結果與實測結果對比分析

基坑分步開挖過程中，監測點大致分布及實際監測位移見圖2.由圖2b)可知，在第二段開挖時，④號觀測點處的位移出現了劇增現象，結合工程實際情況，此觀測點附近臨時停放了施工車輛，使冠梁出現了裂縫.通過數值模擬結果可知，在開挖第一段時，冠梁出現了兩處相對較大的彎矩值，在停放臨時荷載后，所有彎矩都有所增大，但在擾動荷載附近處的冠梁彎矩極大值出現明顯增大現象，而且附近位移也明顯增大.數值模擬結果顯示：此處彎矩值由原來的662.2 kN·m增大到了741.8 kN·m，增大幅度為12.02%；位移值則從3.04 mm增大到3.48 mm，增大幅度為14.47%.因此，由于擾動荷載的臨時停放，使得附近冠梁的彎矩和位移明顯增大，從而導致了冠梁的開裂.實際施工中，在發現冠梁開裂后，及時將擾動荷載移走，并在冠梁裂縫附近添加了一道橫撐，使支護結構得到及時維護，使得未對后續工程的施工產生較大影響.

圖2 監測點布置及位移變化圖

冠梁頂部各監測點的最終位移與數值模擬結果對比分析見表4.由表4可知，實際監測水平位移值與數值模擬水平位移值的比值均處于0.94～1.09，而且數值模擬得到的相應的位移云圖變化趨勢也和實際值一致，表明此數值模型模擬效果良好.

表4 冠梁頂水平位移值對比

3 擾動荷載對基坑支護結構的影響分析

3.1 擾動荷載位置的影響

1) 沿基坑長邊方向 由于本基坑是對稱的，故取其中一半作為研究對象，在圖3中基坑所示坐標下，沿基坑y方向距離-1.4 m，x方向距離為0(坑角)，-5，-10，-15及-19.5 m(基坑中線)施加56 kPa荷載進行研究分析.不同距離的冠梁彎矩及位移在加載前后的變化見圖4，計算結果顯示彎矩較大值大多出現在兩橫撐中間，故分別取圖3中1～3編號代表橫撐間的彎矩值進行討論.

圖3 荷載施加位置圖

圖4 沿基坑長邊方向冠梁彎矩及位移變化圖

由圖4可知，基坑邊緣臨時車輛荷載的停放位置不同，使得彎矩及位移明顯增大的位置也不盡相同.施加荷載附近處，冠梁的彎矩及位移均出現明顯的增大現象，彎矩的增大幅度在9.8%～24.4%，而位移增大幅度在10.8%～14.4%.對比得知，車輛荷載處于-15 m時，所對應的1號位置處彎矩及位移增大幅度均最大，分別為24.4%和14.4%.說明臨時車輛荷載停放在基坑中部附近時為最不利情況,因此，施工車輛應避免停放在此區域.

2) 沿基坑短邊方向 根據上面計算結果，討論短邊方向變化時荷載位置取沿基坑x方向-15 m處，沿基坑y方向距離分別為-1，-5，-10及-15 m施加56 kPa荷載進行研究分析.沿短邊方向1號點冠梁的彎矩及水平位移在加載前后的變化見圖5(其中:彎矩/(kN·m)，位移/10-2mm)，同時取1號位置所在截面的支護樁的水平位移和彎矩作圖，其中支護樁水平位移見圖6，由于支護樁的彎矩變化很小，故不再作圖分析.

圖5 沿基坑短邊方向冠梁的彎矩及位移變化圖

圖6 沿基坑短邊方向布載時支護樁水平位移圖

由圖5可知，臨時擾動荷載距離基坑越近，冠梁的彎矩越大，位移也越大.在10 m以內時，彎矩及位移均急劇增大，尤其是小于5 m時，增大幅度均在10%以上，對冠梁影響較大.當超過10 m時，曲線趨于平緩，影響效果已大大減小，尤其到15 m時，影響效果已在5%左右，對冠梁已構不成威脅.由圖6可知，擾動荷載的不同停放位置下，支護樁水平位移的趨勢大致一致，最大水平位移分別為8.35，8.30，8.29，8.12，8.04 mm，最大相差值僅0.31 mm.所以，擾動荷載的不同停放位置對支護樁的影響并不大，而且最大位移值基本都處于開挖深度5.5 m處.因此，臨時車輛擾動荷載的不同停放位置對冠梁影響較大，其影響范圍為3倍基坑寬度.

3.2 擾動荷載大小的影響

研究擾動荷載大小對支護結構的影響時，將荷載放置在沿基坑x方向-15 m，沿基坑y方向-3 m處.根據不同型號的挖掘機質量(10，20，30，40 t)將擾動荷載取為28，56，84和112 kPa.對應不同荷載1號位置處冠梁的彎矩及水平位移的變化見圖7(其中:彎矩/(kN·m)，位移/10-2mm)， 由圖7可知，隨著臨時擾動荷載的不斷增大，冠梁的彎矩及位移也在增大，且增大的速度也越來越快.

圖7 不同荷載大小下冠梁的彎矩及位移變化圖

圖8 不同荷載大小下支護樁水平位移圖

同時取1號位置所在截面處的支護樁水平位移見圖8.由圖8可知，在不同大小擾動荷載的作用下，支護樁水平位移的趨勢大致一致.最大水平位移分別為7.93，8.10，8.32，8.62，9.13 mm，最大相差值雖然僅為1.2 mm，但最大位移點隨著荷載增大，不斷上移，未加荷載時距坑頂5.5 m左右，當車輛荷載為40 t時，最大位移點移到距坑頂5 m處.因此，臨時車輛擾動荷載的大小不僅對冠梁影響較大，同時對支護樁也有所影響.實際施工中，應充分考慮荷載大小對冠梁的穩定性及支護樁的影響.

3.3 土層性質的影響

為考慮不同土層性質的影響，分別采用粉質砂土、粉質黏土和黏土建立基坑數值模型，土層的相關參數取值見表5，比較不同土層性質對基坑支護結構的影響.在圖3所示坐標系下，在基坑x方向-15 m處，沿基坑y方向取距離為-1，-5，-10及-15 m施加56 kPa荷載進行研究分析，得出不同土層基坑加載后冠梁的彎矩和位移的變化見圖9.

表5 土層性質相關參數

圖9 沿基坑短邊方向冠梁彎矩及位移變化圖

由圖9可知，對于均一的土層而言，加載后冠梁的彎矩和位移沿基坑長邊方向變化的趨勢與實際基坑工程的變化趨勢基本一致，在距離基坑10 m以內范圍，黏土層中的冠梁的彎矩和位移變化均較快.而當土層為粉質砂土時，冠梁的彎矩及位移在距離基坑-5 m以外就開始趨于平緩；當土層為粉質黏土時，冠梁的彎矩及位移在距離基坑大約-7.5 m處開始趨于平緩.因此，當沿基坑短邊方向加載時，土層性質對冠梁的彎矩以及位移的變化規律影響不大，但影響范圍不同，且在距離基坑10 m范圍內時，土層性質越弱，使得冠梁彎矩和位移變化幅度越大.

4 結 論

1) 坑外臨時擾動荷載沿基坑長邊方向停放時，在基坑中部的橫撐之間出現冠梁彎矩及位移急劇增大現象，屬于危險區域.一旦在此危險區域停放車輛荷載，極有可能使支護結構失穩，影響基坑工程的施工.

2) 臨時擾動車輛荷載與基坑長邊的距離越近，對樁撐式支護體系中冠梁的威脅越大，對支護樁的影響并不是太大.當距離超過3倍基坑寬度后，對支護體系冠梁的影響不再明顯.因此，臨時車輛荷載的停放安全距離應在3倍基坑寬度以外.

3) 不同荷載大小對支護結構的影響較大，荷載越大，冠梁的彎矩及位移也越大，支護樁的最大位移點也隨之不斷上移.實際工程中，應充分考慮車輛荷載對支護結構的影響.

4) 土層性質的變化對冠梁的彎矩及位移值的變化影響不大，但在基坑寬度兩倍范圍內時，較軟弱土層中的冠梁彎矩和位移變化幅度較大.