鄰水深基坑圍護結構變形和樁體內力特性研究

章好龍，鄭永勝，李勇海，焦灝

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

1 引言

鄰水基坑開挖穩定性及潛在危害是工程師和設計人員關注的焦點[1-2]。深基坑圍護結構的合理設計依賴于設計人員對圍護結構變形和內力特性的重視與理解，研究者們在過去的幾十年中開展了大量的研究。當基坑坑底標高低于地下水位時，需考慮滲流效應。滲流效應可能會導致管涌和流沙，從而對基坑穩定性產生危害。防滲墻的結構形式可隨工程特性發生改變，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、地下連續墻等。

降水和防滲墻聯合法可能會帶來一些危害，例如地表不均勻沉降、地層位移過大、地下管道開裂等。戴軒等[3]開展了以地下連續墻為圍護結構的深基坑三維有限差分分析；楊建民[4]基于經驗公式及模擬分析指出，當圓形基坑帷幕降水與井距的關系，可以推廣到接近圓形基坑的計算分析，降水后地面沉降以及地下連續墻的水平撓度等問題。李忠超等[5]針對深厚軟黏土中某倒塌內支撐式深基坑穩定性安全系數的進行研究，其結果表明采用交點法與Terzaghi法得到基坑安全系數與基坑處于極限平衡狀態事實相符。陳忠等[6]研究了考慮承壓水的影響下深基坑開挖變形以及承壓水降水過程中遠場地層和地下水的響應研究，安鵬程[7]等研究了基坑在降水期間地層沉降對周邊建構物的沉降影響及其監控量測方案。

然而，多數研究沒有考慮復雜地質和水文條件因素。因而鄰水基坑圍護結構變形和內力特性有待進一步研究。

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對基坑圍護結構產生不利影響。車站主體基坑采用蓋挖逆作法施工，圍護結構采用帶有鋼橫撐的地下連續墻結構。地下連續墻接頭采用整體性能好的十字鋼板接頭，地下連續墻厚度為1.2m和1.0m。車站主體結構為地下四層，最大開挖深度32.0m，相交車站主體結構為地下三層，最大開挖深度為25.0m。主體結構的基礎均為AM樁，樁長分別為52.0 m和38.0m，出入口AM樁長30.0m。

圖1 基坑工程平面布置

2.2 數值模擬

基于有限差分軟件FLAC 3D開展了相關豎直模擬研究。FLAC 3D可有效模擬結構與土體的三維相互作用效應，在基坑工程中應用廣泛。當求解流固耦合問題時，有限差分法可采用小變形本構方程，該措施比有限元法更高效[7-8]。

深基坑及其圍護結構有限差分模型的網格劃分時。為減小邊界效應的影響，整體模型的尺寸設計為390m（X方向）×300m（Y方向）×100m（Z方向）。數值模擬結果表明，基坑圍護結構的變形和受力特性不隨所選定的模型尺寸的進一步增大而變化。模型邊界條件為底面固定、豎直面滾軸。為簡化計算，數值模擬中將地層簡化為四類土層：雜填土、粉質黏土、砂土、風化巖。土層的本構行為采用摩爾-庫倫模型描述。地下連續墻、地板、AM樁、鋼支撐等結構構件的本構行為采用線彈性模型描述。考慮到AM樁數量巨大及其對精度的要求，采用梁單元模擬AM樁。AM樁與土層間的相對位移忽略不計。其他結構構件采用實體單元模擬。

3 模擬計算結果

3.1 地層沉降分析

隨著開挖深度增加，引起了坑內外水平位移繼續的累積效應。此時右側墻體水平位移仍然大于左側墻體，但是趨勢放緩，量值上也更為接近，說明此時偏壓環境和滲流環境耦合效應開始顯現；在基坑的沉降云圖上，更明顯表現出偏壓與滲流耦合效應。

圖2 地層水平位移響應云圖

基坑開挖到目標水平，此時水平位移云圖表明此時基坑的水平位移達到峰值，而且此時鄰河一側的水平位移最大，表明滲流效應已經超過偏壓環境效應。而且此時的沉降云圖也表明，兩側的沉降量值幾乎趨于一致，也說明滲流效應導致的基坑沉降量值與偏壓環境導致的沉降量相當。需要注意的是，地層y-位移的改變會不可避免地伴隨著作用于地下連續墻上的土壓力的改變。因此，基坑圍護結構的合理設計需要考慮基坑開挖過程中地層橫向位移的變化特征。

3.2 地連墻變形分析

此外，通過對比地下連續墻最大位移發生的墻面板位置，發現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，尤其在后期的開挖中更加明顯。因此，在位移更大的關鍵位置，應注意監測并加強支護，例如可以提高橫支撐的數量或剛度。

圖3 地連墻位移等值云圖

在基坑開挖初期，基坑水平位移朝向基坑開挖自由面。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。開挖達到第一層，基坑的水平位移繼續增大，此時右側地連墻的水平位移依舊大于左側水平位移，但是趨勢變緩，說明滲流耦合效應增強；此時基坑沉降量值變化明顯，說明此時最大沉降多集中于基坑兩側墻體，沿墻體分布；但是偏壓環境一側沉降面擴大，表明隨著基坑的開挖，基坑右側大偏壓環境效應顯現。

開挖進行到第二階段，開挖深度增加，引起了坑內外水平位移繼續的累積效應。此時右側墻體水平位移仍然大于左側墻體，但是趨勢放緩，量值上也更為接近，說明此時偏壓環境和滲流環境耦合效應開始顯現；在基坑的沉降云圖上，更明顯表現出偏壓與滲流耦合效應。同時也說明滲流環境如偏壓環境一樣，都是造成基坑失穩的重要因素。

基坑開挖到目標水平，此時水平位移云圖表明此時基坑的水平位移達到峰值，而且此時鄰河一側的水平位移最大，表明滲流效應顯著。

3.3 樁體受力分析

根據有限差分法計算結果，選取承受較大彎矩的AM樁作為分析對象。AM樁最大彎矩及彎矩隨埋深變化是設計的重要依據。

AM樁中的軸力是由上部結構自重和樁側摩阻力作用的結果。隨著開挖的推進，AM樁軸力由于土體應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，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挖步的推進而不斷增大，這是由于基坑開挖過程中樁側摩阻力發生了改變。

4 結論

①地層橫向位移傾向于向基坑方向發展。地層最大橫向位移發生于受偏壓效應影響最大的地下連續墻的下部，且沿著負x方向發展。

②不同開挖深度下，偏壓效應和滲流效應存在差異，在基坑開挖至目標位置時，基坑的滲流效應最大，對基坑施工產生的水平位移和沉降量均產生主導作用，因此隨著基坑開挖的逐步進行，應該盡量減少滲流效應，規避滲流場發生改變時基坑的穩定性降低。

圖4 AM樁中的相對于x軸的彎矩隨埋深變化曲線

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

④AM樁中的最大彎矩產生于樁身頂部以下三分之一樁長位移。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挖推進而增大。