非對稱地表荷載作用下基坑支護結構現場監測及優化控制分析

尹星

（五礦二十三冶建設集團有限公司，湖南 長沙 410000）

基坑工程施工中，若將材料堆放在邊坡周邊或路堤附近等會擠壓基坑，導致其出現不均勻偏載，此不平衡應力會對基坑支護的傳力形式有所改變，導致基坑開挖過程中危險系數較大。目前，該領域主要通過二維有限元分析研究既有建筑、地表沉降等對基坑開挖的影響，結果表明，若地表載荷不對稱，在其作用下，深基坑連續樁出現的變形和彎矩與對稱載荷相比，差異非常顯著。上述研究同時發現，非對稱地表載荷在開挖深基坑過程中危險性較大，需予以重點關注。本文依托某項目深基坑施工實踐，對基坑地面沉降、維護結構進行現場監測，根據有限元法探討優化控制開挖過程的相關技術，經本項目實踐，取得良好效果，可以在同類型工程施工中推廣應用。

1 工程概況

1.1 某工程基坑相關參數如下：全長437 米,寬27.7m 至37.7 米，坑底標高為47.3m 至54.5m，基坑深2.8m。本項目地處某市既有干線附近，且干線車流量較大，若封閉施工則會對城市交通造成嚴重影響。因此，為盡可能減少施工對交通影響，保障暢通通行，該項目基坑難以通過放坡形式實施支護。為提升施工安全性，盡可能降低危險源，經研究決定采用鉆孔灌注樁聯合鉆孔灌注樁懸臂支護形式實施支護。

1.2 基坑周邊現存公路路基、邊坡，地下存有城市管網等，因此施工時還需重點考慮開挖導致的邊坡、路面坍塌等事故，因此，開挖深基坑過程中應全方位做好監控工作，及時了解施工進程，對比檢測數據，適時調整危險源。項目地處丘陵地帶，土層自上至下分別為雜填土、粉質黏土、風化粉砂巖(全風化、中度風化、輕度風化)。

2 基坑設計方案

2.1 基坑施工，尤其是開挖過程會對周邊環境造成極大影響，為降低不利影響，本項目差異化設計基坑兩側圍護結構，高邊坡設計的樁長、直徑均大于其他樁長、直徑，盡量降低開挖面，有效弱化影響。

2.2 基坑圍護結構支撐體系共兩部分組成，其一為混凝土支撐1 個，其二為鋼支撐3 個。開挖基坑前應前置混凝土，進行支撐。鋼支撐沿縱向開挖設置，嚴格控制其支撐間距，實踐表明其間距應低于2.7m，借此獲得更好支撐效果。

2.3 通過工程概況可知，本項目深基坑長度較長，為基坑寬深的16 倍，因此該基坑中部可將轉角效應予以忽略。同時，施工中應嚴格篩選斷面，挑選出典型點，通過典型面、典型點，對基坑周邊地面沉降及連續樁的水平變形予以科學檢測，實時了解變化情況。

3 現場監測結果

3.1 地下連續樁變形

以圖1 所示為監測斷面開挖期間圍護結構水平位移，北側樁的變形表現出與南側不同的變形模式。隨著開挖至基底時，北側圍護樁向開挖一側發生了深層移動，這是深基坑施工中常見的現象。截面段的連續樁橫向變形最大值為50.9mm，冠梁上的最大值為-40mm。相比之下，南側樁頂向基坑外移動，而其下部則向坑內移動。

圖1 基坑圍護結構水平位移

3.2 路面沉降

以圖2 所示在深基坑施工期間，監測段（GS7）的地面沉降變化。深基坑開挖前6m 和后10m，地表沉降迅速增加。最后，在中間板澆筑后變得穩定，監測段的最大沉降達到106.0mm。

圖2 地面沉降變化

4 優化控制技術分析

4.1 數值模擬

4.1.1 為了研究設計優化方法，本研究采用二維平面應變有限元（PLAXIS2D2018）分析方法。所有土層均采用15 節點單元建模。考慮到開裂的可能性，混凝土的剛度降低了20%。有限元模型和網格生成如圖3 所示。

4.1.2 該模型的平均單元尺寸為3.26m，單元總數為1236 個。土是滿足莫爾- 庫侖屈服準則的理想彈塑性材料，進行了不排水分析。通過現場試驗和設計參數，得到了深基坑開挖的地層及深基坑附近既有建筑物的物理性質。

4.1.3 以圖4 將測量的圍護結構變形和地表沉降與數值模擬預測的結果進行了比較。由于采用了MC 模型，數值模擬分析給出的預測結果略小于開挖各階段的結構變形。最終開挖階段的最大橫向位移比測量值低15%左右，最終開挖階段的最大地表沉降預測值小于現場測量值的一半。

圖4 監測與模擬圍護結構水平位移對比圖

4.1.4 通過比較非對稱深基坑與對稱深基坑的變形模式，可以發現連續樁的變形模式與圖3 相似。結果表明，偏壓荷載是深基坑支撐系統扭轉變形的主要原因。針對監測段變形較大的情況，探討了相應的設計優化方案。

圖3 深基坑開挖數值模型

4.2 不同優化方案的結論

4.2.1 通過模擬5 種不同的設計方案，討論監測段中限制變形的方案，現模擬實際設計方案。

4.2.2 根據方案a 在北樁外側添土加固，由于支撐體系的旋轉變形方式，需要對路基另一側的土體進行加固，以驗證其是否能限制變形。加固范圍如圖5 所示。

4.2.3 在方案a 的基礎上，延長北樁嵌入花崗巖地層中的長度。把樁底嵌入巖體是控制地下續樁變形的有效方法。因此，在初步設計中，把路面側的地下連續樁設計嵌入巖體。在本監測段中，把北側的連續樁延伸到了南側的樁長（圖5）。

4.2.4 根據b、c 措施，科學融合b 方案和c 方案，對融合后的方案進行討論并優化。

4.2.5 加固深基坑內部土體。本項目施工過程中，因鄰近結構影響，加固范圍較小，加固面積受限。實踐中常采取深基坑內土體加固的措施予以維護。結合本項目實際情況，需加固深基坑的整個開挖區域，對此加固措施的效果進行探索（圖5）。

圖5 不同條件下監測面水平位移預測

4.2.6 圖5 展示了5 種不同支護措施下監測的結構變形情況，經橫向、縱向對比，其中支護效果更佳的為b方案、c 方案、d 方案，但該三種方案難以有效控制鉆孔灌注樁的側向位移，可以有效控制路面沉降。工況相同情況下，e 方案可以有效控制深基坑兩側的橫向形變，較其他方案效果更佳，降低路基沉降形變率35.8%。對比實際監測相關數據，發現e 方案能夠有效控制路面沉陷，且控制效果更佳，降低沉降量高達70%。綜上所述，深基坑支護體系中采取加固土體方案，可以有效降低偏心荷載作用下的非對稱變形規模，取得良好支護效果，可在同類型工程中應用推廣。

5 結論

本文依托某深基坑支護施工實踐，重點研究了深基坑支護體系在偏心荷載作用下的非對稱變形問題，得出如下結論：

5.1 深基坑支護體系在偏心荷載作用下,會發生非對稱變形。

5.2 地基沉陷規模在偏心荷載作用下增加迅速，會引發支護體系形變；若支護樁形變大于21mm，則也會加快沉陷速度。若想有效控制路面沉降，需重點對深基坑連續樁變形進行控制。

5.3 加固深基坑內土體，能夠對支護系的扭轉變形進行控制，減少規模，經測算，使用本措施降低了支護結構水平形變。