超期服役基坑變形關鍵影響因素模擬分析

門彬

(中鐵城建集團有限公司，湖南 長沙 410000)

在土建工程中，基坑工程規模不斷擴大，施工環境日趨復雜。基坑因長期停工對鄰近建筑物產生不良影響，易造成地表沉降與變形。目前，國內外關于基坑超期服役的風險研究取得了一些成果。Ding[1]等人基于城市建設的發展，通過三維有限元分析，為基坑的優化設計與施工提供了參考。Zhou[2]等人依托上海地鐵10 號線，通過數值模擬，分析了基坑的地表沉降。楊春山[3]等人根據深基坑工程的實際情況，考慮了開挖過程與外部人工變形擾動的影響。通過數值模擬，分析了基坑中的應力與位移規律。Ma[4?5]等人結合實際項目，通過神經網絡，進行基坑變形的預測，具有良好的應用前景。陳尚榮[6]等人通過數值模擬，分析了不同支護形式下深基坑開挖對鄰近矩形地下通道變形的影響。黃 戡[7]等人通過有限元方法，建立了三維數值模型，分析了基坑降水速度對鄰近地鐵區間隧道影響的敏感性，并與實際監測結果進行對比分析。應用數值模擬計算，分析與預測基坑結構的變形已日趨成熟。本研究采用有限元法，擬考慮時間效應的影響和錨索預應力損失的時變性，結合《基坑工程手冊》[8]與基坑變形分析[9?13]，依托湖南文化廣場二期的深基坑工程，對樁錨式支護結構的基坑發生變形的關鍵因素進行分析，以期為類似工程變形研究提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

擬建的湖南文化廣場二期基坑工程開挖深度為17～26 m，施工安全等級為一級，如圖1 所示。

圖1 項目停工后基坑狀況Fig. 1 Foundation pit condition after project shutdown

由于該基坑支護工程中期停工18 個月后，重新復工，已超過其設計使用年限，屬于超期服役基坑。通過數值建模分析，得到該超期服役基坑的關鍵影響因素，為安全施工提供參考與指導。

1.2 控制指標與影響因素的確定

基坑支護結構對基坑和周邊環境的安全及順利施工起重要作用，其結構的應力與變形是基坑工程研究的重要參考指標。在結構材料強度確定的情況下，結構的應力大，小以變形的形式表現。同時，基于結構力學位移法，結構的變形也能反映了結構的受力。所以以支護樁的變形為研究對象，支護樁的水平位移中樁頂位移始終為最大值，且支護樁的豎向位移在基坑的停工階段無明顯變化。因此，選取支護樁的樁頂水平位移作為超期服役基坑研究的控制指標。

考慮超期基坑的實際工程因素和模擬方案設計的可行性，對基坑外側地面荷載q、支護樁在基坑底部的嵌固深度b、在停工前的開挖深度h及停工時長t作為研究的主要影響因素。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型的建立

對湖南文化廣場二期基坑東側基坑開挖剖面建立二維模型，其剖面形狀呈長方形，尺寸為50 m×100 m，基坑設計開挖深度為18 m。采用樁徑為1.2 m，凈距為1 m 的支護樁，作為擋土結構和樁間擺噴止水帷幕。其土層分為3 層：第一層土為粉質黏土層；第二層土為強風化土層；底層土為中風化土層。基坑外土體地面荷載為20 kPa，支護樁高度為23 m。該基坑在開挖11 m 和前3 排錨索施工完成后，停工了18 個月，復工后，繼續開挖7 m，并完成后2 排錨索的施工。對該基坑采用具有流變特性的本構模型[11?13]，并基于基坑變形，考慮錨索的預應力損失，利用ABAQUS 軟件，進行有限元數值模擬。基于Drucker-Prager 模型的時間硬化冪函數蠕變法，對這3 層土體的黏彈塑性進行模擬，土層物理力學參數見表1。

錨索所采用的鋼絞線材料為單向受拉材料，其彈性模量為210 GPa，泊松比取0.3。為便于使用降溫法，施加預應力，設定錨索材料的膨脹系數為9.84×10?5，初始溫度為20 ℃。在模擬預應力的分析步中，溫度值改為0 ℃。在預應力損失的分析步中，溫度值改為8 ℃。

表1 土層物理力學性質參數表Table 1 Soil layer physical and mechanical properties

基坑的土方開挖施工，因歷時較短，不考慮土體蠕變效應。因為開挖結束后，該基坑停工18 個月，導致放置時間較長，所以須重點監測土體的蠕變效應。由于在停工期間，基坑內、外土體所承受荷載，可視為不變。因此，本次計算釆用TIME 硬化法則進行模擬分析。基坑整體模型、支護樁及錨索結構的模型如圖2 所示。

圖2 模型有限元網格Fig. 2 Model finite element mesh

表2 基坑模擬計算步Table 2 Calculation step of foundation pit simulation

根據該基坑工程的全部施工過程，建立分析步，每一分析步完成相應的施工任務，見表2。

2.2 模擬方案的設計

將q、b、h和t4 個影響因素的某一個因素作為變量，其余因素不變，進行模擬方案的設計，將基坑在不同工況下的開工、停工、復工及開挖完成的全過程中，支護樁樁頂水平位移隨時間變化的數據進行對比分析。

1) 以q作為變量進行模擬分析，分別取10,15,20,25,30 kPa 5 種工況進行計算。

2) 以b作為變量進行模擬分析，分別取5,6,7,8,9 m 5 種工況，進行計算。

3) 以h作為變量進行模擬分析，分別取為5,7.5,10,12.5,15 m 5 種工況，進行計算。

4) 以t作為變量的對比模擬，分別取18,24,30,36,42 個月5 種情況，進行計算。

3 數值模擬結果分析

3.1 地面荷載對支護樁樁頂水平位移的影響分析

圖3 不同外側地面荷載支護樁樁頂水平位移隨時間變化Fig. 3 Influence of different ground load on horizontal displacement of support pile at the top

在不同地面荷載作用下，支護樁樁頂的水平位移隨時間變化的過程如圖3 所示。從圖3 可以看出，基坑外側地面荷載的增大，基坑在停工前開挖階段、停工期間和復工開挖階段，支護樁樁頂的水平位移隨著時間的變化，速率不斷增大。其中，停工前開挖階段，樁頂水平位移的增長速率最為明顯。而基坑停工和復工后的開挖階段，樁頂水平位移呈線性增長。基坑施工完成時，樁頂水平位移呈近似線性增長。表明：基坑隨著外側地面荷載的增大，樁頂水平位移的變化速率和最終位移大小，均呈線性增長。

3.2 嵌固深度對支護樁樁頂水平位移的影響

不同支護樁的嵌固深度下，支護樁樁頂的水平位移隨時間變化的過程，如圖4 所示。

圖4 不同嵌固深度支護樁樁頂水平位移隨時間變化Fig. 4 Influence of different embedded depth on horizontal displacement of support pile at the top

從圖4 可以看出，隨著支護樁嵌固深度的增大，基坑在停工前的開挖階段、停工期間及復工開挖階段，樁頂水平位移隨著時間的變化，速率不斷減小。其中，在基坑的停工前開挖階段和停工期間，樁頂水平位移呈線性增長，但降低幅度極小，可忽略不計。而在停工后開挖階段的樁頂的水平位移，遞減速率較明顯。在基坑施工完成時的樁頂水平位移量呈近似線性遞減。表明：支護樁嵌固深度對基坑停工前的開挖階段和停工期間樁頂水平位移的影響較小。而對基坑復工后的開挖階段影響較明顯，在該階段中，樁頂水平位移隨著支護樁嵌固深度的增大，變化速率和位移大小均呈線性遞減。

3.3 開挖深度對支護樁樁頂水平位移的影響

基坑停工在不同開挖深度情況下，支護樁樁頂的水平位移隨時間變化的過程如圖5 所示。

圖5 不同開挖深度樁頂水平位移隨時間變化Fig. 5 Influence of different excavation depth on horizontal displacement of support pile at the top

從圖5 可以看出，停工前，開挖深度的增大，基坑支護樁樁頂水平位移不斷增大。而在基坑的停工期間，停工在不同開挖深度情況下，支護樁樁頂水平位移的增長速率，具有相似性，即增長速率前期快，后期逐漸減小。到復工后的開挖階段，停工在不同開挖深度情況下，樁頂水平位移的增長速率和水平位移均相同。表明：超期服役基坑停工期間和復工后，開挖完成的深度，不影響開挖深度樁頂水平位移的大小。停工時不同的基坑只會影響停工前開挖階段所導致的樁頂水平位移的大小。

3.4 停工時長對支護樁樁頂水平位移的影響分析

基坑在不同停工時長下，支護樁樁頂的水平位移隨時間的變化過程如圖6 所示。

從圖6 可以看出，基坑隨著停工時長的增加，在停工前和復工后的開挖階段，樁頂水平位移隨著時間的變化，速率相似。因為基坑停工時長的增加，基坑在停工期間，前期的樁頂水平位移增長速率不斷增長，而后期的增長較小，逐漸趨于穩定。所以對基坑在復工后開挖最終完成時的樁頂水平位移值影響不大。表明：基坑停工期間，由于樁頂位移速率前期大，后期逐漸減小。因此，當基坑停工時長達到樁頂水平位移變化趨于平穩時，若無其他外荷載的變化，其時長的增加對樁頂水平位移值影響不大。

圖6 不同停工時長支護樁樁頂水平位移隨時間變化Fig. 6 Influence of different stopping time length on horizontal displacement of support pile at the top

3.5 數值模擬與實測數據對比分析

為驗證數值模擬計算結果的正確性，對于原數值模擬，考慮其支護樁樁頂在停工期間的水平位移變化和基坑外側距支護樁10 m 處土體的沉降值，并將其與實測數據進行對比。

在停工期間，支護樁樁頂水平位移隨時間變化的數值模擬與實測數據對比，如圖7 所示。從圖7可以看出，雖然實測數據因測量精度和誤差等問題，導致其具有明顯的離散性。但是，實測數據與數值模擬計算結果，具有良好的擬合效果。

圖7 支護樁樁頂水平位移隨時間變化對比Fig. 7 Comparison of horizontal displacement of support pile at the top with time

從圖7 可以看出，不論是數值模擬結果，還是實測數據，樁頂水平位移值在停工期間，增長率達到了5%，而樁頂水平位移在該停工期間，前期的增長速率較大，而后期的逐漸減小，趨于平穩緩慢。在停工期間，基坑外側10 m 處的豎向位移隨時間變化的數值模擬和實測數據對比，如圖8 所示。從圖8 可以看出，實測數據由于測量精度和誤差等問題，因此，導致其具有明顯的離散性。雖然數值計算結果與實測數據沒有良好的吻合。但是二者的變化趨勢具有相似性。

圖8 基坑外側10 m 處的豎向位移隨時間變化對比Fig. 8 Comparison of vertical displacement with time at 10 m outside the foundation pit

從圖8 可以看出，不論是數值模擬值，還是實測數據，基坑外側土體的沉降值顯著增長。其中，實測數據的增長率達到了63%，而基坑外側土體的沉降值，在該停工期間，前期的增長速率較大，而后期的逐漸減小，趨于平穩緩慢增長狀態。

從數值模擬值與實測數據對比可知，雖然兩者在部分數據上存在一定的誤差，但總體的變化趨勢相近，驗證了本數值模擬的正確性。

4 結論

通過數值模擬計算，分析了超期基坑工程時間效應的各種表現形式及產生的原因，時間效應的表現形式是變形隨著時間變化而變化。得到的結論為：

1) 超期服役基坑的樁頂水平位移，隨著基坑外側地面荷載的增大，其變化速率和最終位移大小呈線性增大。

2) 在基坑停工前的開挖階段和停工期間，支護樁嵌固深度對樁頂水平位移的影響較小，而對于基坑復工后的開挖階段影響比較明顯。在該階段中，支護樁隨著嵌固深度的增大，樁頂水平位移變化速率和最終位移大小，均呈線性減小。

3) 超期服役基坑停工前，開挖深度對停工期間及復工后的樁頂水平位移變化規律影響較小，但會影響停工前的開挖階段所導致的樁頂水平位移的大小。

4) 基坑停工期間，樁頂水平位移的變化規律：前期增長速率大，后期的逐漸減小。則當基坑停工時長達到樁頂水平位移趨于平穩時，其停工期間時長的增大對樁頂的水平位移值影響不大。