長江漫灘非對稱荷載下基坑圍護結構變形特性研究*

戈 銘，賀智江，丁建文

(1.南京市江北新區樞紐經濟發展管理辦公室，江蘇 南京 211800； 2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

隨著地下空間的不斷開發利用，基坑朝著深和大的方向發展，對基坑的控制逐漸由穩定控制轉向變形控制為主[1]。當前的基坑設計理論主要面向對稱基坑，而工程實踐中基坑兩側常常會承受非對稱荷載，此時基坑的受力變形性狀會與對稱基坑產生顯著的差異[2-4]，當忽略非對稱荷載作用時，則容易造成工程的浪費或風險[5]。針對非對稱偏壓荷載作用下的基坑變形特性，眾多學者展開了研究分析。林剛等[6]建立了偏壓基坑的有限元模型，對偏壓基坑支護結構的受力與變形特性展開探討，并與現場實測結果進行了對比驗證；石鈺鋒等[7]依托某緊鄰鐵路的偏壓基坑進行了現場實測研究，詳細分析了圍護結構的水平位移與彎矩，對偏壓荷載作用下的基坑設計提出了建議。

本文依托長江漫灘地層中某線形基坑，對非對稱荷載作用下的基坑圍護結構變形規律展開研究，通過分析現場實測數據，并結合三維有限元模型模擬計算，分析非對稱荷載的大小與距離對基坑變形的影響，以期為后續類似工程的設計施工提供參考。

1 工程概況

本項目位于南京長江大橋上游約5km，揚子江隧道江北出口。隧道全長1.6km，其中暗埋段長1.1km，隧道基坑寬為15.2～47.5m，深為0～9.6m，泵房部位加深。本項目為原有道路改擴建項目，路線整體走向為西北-東南，路線東北側場地為農田及臨時分流道路，荷載較大；路線西南側場地為定向河。

工程場地主要為長江漫灘沉積地貌單元，地勢較平坦，水系發育，河流縱橫交錯，人工及天然溝塘較發育。開挖深度影響范圍內以深厚淤泥質粉質黏土為主，地下水位在地表下2.1～3.5m，地基主要土層分布及物理力學性質指標如表1所示。

表1 土層物理力學性質指標

2 基坑周圍環境及支護方案

本基坑東北側為保障交通的新建臨時道路，道路寬度約為10m，主要通行車輛為小型車與運載卡車，車輛密度中等。西南側為定向河，河流距離基坑相對較遠，本文主要考慮臨時公路路堤荷載及車輛動荷載所帶來的不對稱荷載。根據地形特點，本基坑主要采用SMW工法樁加水平支撐的圍護結構形式，并隨隧道縱向開挖深度的變化做相應調整。基坑第1道水平支撐采用鋼筋混凝土支撐，以確保支撐體系的整體穩定性，其余采用φ609mm鋼管支撐，圍護結構典型斷面如圖1所示。

圖1 基坑圍護結構典型斷面

3 監測結果分析

鑒于隧道基坑的線形特點，選取兩個典型斷面展開分析，如圖2所示。從圖2可以看出，開挖初期，基坑兩側圍護結構側移量均較小，形狀偏于懸臂形，隨著支撐架設與開挖深度增加，兩側圍護結構的墻體水平位移不斷增大，位移曲線最終均表現為“大肚形”，最大側移位置位于基坑開挖面下方。可以看出由于路堤荷載與車輛動荷載作用，偏壓側(圖中左側)的墻體位移均大于非偏壓側，另外可以看出非偏壓側的頂部發生了向坑外的位移，所得結論與文獻[7-8]相符。另外，通過分析各工況下基坑墻體側移的情況可以看出，墻體的變形具有顯著的時間效應，在綁扎鋼筋與澆筑底板階段，基坑圍護結構的水平位移明顯增加，分析認為這主要與長江漫灘地區淤泥質粉質黏土的蠕變特性有關[9]，并且由于SMW工法樁支護結構的整體剛度偏低，在底板強度較低時對主動區土體蠕變的控制能力較弱。可見在深基坑施工過程中應及時澆筑底板，盡可能減少坑底暴露時間。

圖2 基坑兩側圍護結構深層水平位移曲線

圖3反映了基坑不對稱兩側最大側移與開挖深度的關系，可以看出偏壓側最大側移約為0.43%H(H為基坑開挖深度)，而非偏壓側約為0.32%H，偏壓側的最大側移量約為另一側的1.3倍，兩側不對稱程度相對較低。姚愛軍，石鈺鋒[10-11]也對偏壓荷載作用下的圍護結構最大側移量進行了現場實測研究，發現偏壓側最大側移量為非偏壓側的2～3倍，且非偏壓側頂部向坑外的偏移量較大，不對稱程度明顯大于本項目，分析認為這與本基坑的偏壓荷載較小、基坑寬度較大、偏壓荷載距坑邊距離較遠等因素有關。

圖3 基坑兩側圍護結構最大側移與開挖深度關系

4 三維有限元分析

4.1 土體本構模型的選擇

數值模擬分析中較為關鍵的問題之一是采用合適的本構模型和土層參數對土體性質進行模擬，本構模型選擇不合理將無法得到準確的計算結果。Schanz[12]于1999年首次提出了土體硬化模型(HS)，該模型是以塑性理論為基礎的雙屈服面土體模型，如圖4所示。該模型采用莫爾-庫倫準則來描述土體的破壞行為，可同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，模型參數較多但均可由室內固結試驗和三軸試驗確定。土體硬化模型可以考慮土體非線性應力-應變關系，以及土體模量隨圍壓提高而增加的特性，而且適用于多種土類的破壞和變形行為的描述。因而本文選用HS模型進行模擬計算。

圖4 主應力空間中的土體硬化模型屈服面[13]

4.2 模型參數的確定

根據工程現場地質概況，將模型概化為4個土層，從上到下依次為：第1層為填土，厚度4m；第2層為黏土，厚度2m；第3層為粉質黏土，厚度5m；第4層為淤泥質粉質黏土，厚度10m。具體的土體參數如表2所示。根據基坑工程設計資料，本基坑支護系統中主要包括以下結構：支護樁、冠梁、鋼筋混凝土支撐、鋼支撐。支護樁主要是φ850@600 SMW工法樁，數值模擬時采用等剛度的板樁進行簡化處理，簡化后支護樁及其他支護結構主要參數如表3所示。

表2 各層土體模型參數

表3 支護結構材料參數

4.3 幾何模型建立及模擬結果

本項目為明挖線形隧道基坑，全長1.6km，不同部位開挖深度不同，支護形式也隨之調整。而中間段超過1 000m部分均為SMW工法樁結合2道支撐的支護形式，且開挖深度接近，本文選取其中150m進行三維模擬分析。采用PLAXIS 3D軟件建立基坑典型段的三維模型，模型尺寸為150m×120m×40m，基坑尺寸為150m×40m×9m。在三維模型中基坑左側15m處設置1排均布荷載，寬度為10m。根據文獻[14]的建議，車輛荷載取10～30kPa，同時取1.3的動荷載系數，本文不考慮動力效應，綜合本文的臨時道路車輛通行情況，本文模擬中車輛荷載值取20kPa，另外根據路堤高度與重度對路堤荷載進行模擬。由于河流距離基坑較遠，此處不作考慮。有限元結構模型如圖5所示。

圖5 有限元結構模型

根據基坑設計方案，遵循基坑分層開挖、邊挖邊撐的基本原則，設定如下施工步驟模擬實際施工過程：①第1步 施加公路荷載；②第2步 施工支護樁圍護結構；③第3步 降水至3m深處；④第4步 開挖至2m深處；⑤第5步 施工冠梁和第1層支撐；⑥第6步 開挖至6m深處；⑦第7步 降水至7m深處；⑧第8步 施工第2層鋼支撐，施加100kN預應力；⑨第9步 降水至10m深處；⑩第10步 開挖至-9.000m。

選取8～10號斷面，將基坑兩側圍護結構水平位移模擬計算結果與實測曲線進行對比，如圖6所示。從圖中可以看出，基坑兩側變形的模擬結果與實測結果較為接近，驗證了所建三維模型的合理性。通過對比基坑兩側的實測與計算曲線可以看出，基坑偏壓側圍護結構的深層水平位移明顯偏大，并且由于偏壓作用改變了另一側圍護結構的受力變形模式，使其上部產生了向基坑外側的位移。

圖6 圍護結構變形實測曲線與計算曲線

4.4 荷載不對稱程度對變形性狀的影響

如前文所述，在基坑偏壓荷載大小與距離不同的情況下，圍護結構兩側變形的不對稱程度也有所差異。下面，通過改變基坑偏壓荷載的大小與偏壓荷載與坑壁距離的大小，分析基坑兩側圍護結構側移的變化情況，研究荷載不對稱程度對基坑圍護結構不對稱變形性狀的影響。圖7為荷載距坑壁15m時，不同荷載作用下基坑兩側圍護結構深層水平位移曲線。從圖7a中可以看出，隨著偏壓荷載的不斷增加，圍護結構的水平位移顯著增加，側移曲線一直表現為“鼓脹形”，且偏壓荷載大小對最大側移深度影響較小。從圖7b中可以看出：基坑非偏壓側圍護結構變形曲線與偏壓側有較大差異，主要體現在圍護結構上部產生了向坑外的變形，并且隨著偏壓荷載的增加，墻體頂部向坑外的偏移量越來越大，而最大側移量則不斷減小。

圖7 不同荷載作用下圍護結構變形曲線

偏壓荷載為40kPa時不同坑邊距時基坑兩側圍護結構變形曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著荷載與坑壁距離的增加，基坑偏壓側圍護結構變形不斷減小，而位移曲線的形狀與最大側移深度沒有明顯變化，并且隨著深度增加側移量變化相對較小。非偏壓側頂部向坑外位移隨著坑邊距的增加不斷減小，而圍護結構向坑內最大位移則不斷增加。

圖8 不同坑邊距圍護結構變形曲線

5 結語

本文依托南京長江漫灘地層中某非對稱荷載作用下的線形基坑工程，開展現場實測與數值模擬研究，探討了非對稱偏壓荷載對基坑兩側圍護結構變形性狀的影響規律，主要結論如下。

1)由于路堤荷載與車輛動荷載作用，偏壓側的墻體位移明顯大于非偏壓側，另外非偏壓側的頂部發生了向坑外的位移。偏壓側圍護結構的最大側移量約為0.43%H，非偏壓側則為0.32%H，偏壓側水平位移約為另一側的1.3倍。

2)長江漫灘相軟土具有顯著的蠕變特性，底板鋼筋綁扎與混凝土澆筑期間圍護結構側移量較大，為保證基坑安全，應盡可能加快底板施工、縮短坑底暴露時間。

3)隨著不對稱荷載的增大及其與坑壁距離的減小，兩側圍護結構不對稱變形的程度增加，其中偏壓側水平位移增加，而非偏壓側頂部向坑外的位移也不斷增大。