非對稱荷載涉水深基坑開挖全過程分析

洪 星

(江西省農投信息科技有限公司，江西 南昌 330000)

1 引言

隨著城市的快速發展，地下空間的開發和利用價值不斷攀升，地鐵、地下商場、車庫等大規模工程建設使得深基坑工程越來越多，涉水深基坑工程施工全過程中的變形和穩定性問題越開越受到工程建設者的關注。蒙國往[1]等通過數值模擬得出，隨著基坑不斷開挖，支護結構上水平位移逐漸增大。路林海[2]等提出將支護措施與主體結構相結合可減少基坑開挖變形。李哲[3]等通過現場實測數據分析了地下連續墻支護基坑施工全過程變形特性。魯泰山[4]等通過數值模擬分析了基坑開挖深度對坑底土體擾動的影響。樓春暉[5]等通過現場實測數據分析得出，基坑邊角可限制支護結構變形。李航[6]等通過數值模擬并結合現場監測數據得出，控制基坑變形不能忽視支護結構剛度和邊界條件變化。王龍[7]等通過數值模擬分析得出，增加圍護樁插入比對上覆新填土軟土深基坑坑底隆起控制效果不理想。林之航[8]通過分析上軟下硬的深基坑得出，該類基坑最大側移位置深度上移。于至海[9]等結合數值模擬分析提出了一種軟土深基坑開挖超前加固控制支護結構位移的方法。程雪松[10]等通過大量計算得到了修正傳統圓弧滑動法滑動半徑的對數表達式及其系數。本文通過數值模擬分析非對稱荷載涉水深基坑開挖全過程中土體及支護結構變形。

2 工程簡介

某水利工程配套建筑在施工過程中，需開挖深基坑，開挖深度6 m，寬度10 m，擬采用地下連續墻支護，其中墻高度9 m，厚為0.35 m，混凝土設計強度等級采用C40，施工荷載作用在距基坑2 m 以外，其中基坑左側荷載為2 kN/m2，右側荷載為4 kN/m2。土層分布為:素填土，厚度3 m;3 m 以下為砂土。穩定水位埋深為1.4 m～2.7 m，場地地下水不具有腐蝕性。

3 數值模型

考慮到該問題不具有典型的對稱性，取全斷面予以分析，同時視為平面應變問題。為了使數值模擬與基坑實際開挖一致，深基坑模型開挖寬度取10 m，深度取6 m。為消除邊界影響，模型邊界取寬度20 m，深度12 m。采用地下連續墻支護(采用板單元模擬地下連續墻)，其中墻高度9 m，厚為0.35 m，混凝土設計強度等級采用C40。不考慮配筋對地下連續墻墻體彈性模量的影響，取彈性模量32.5GPa 計算。土層及支護結構計算參數見表1 和表2。施工荷載作用在距基坑2 m 以外，其中基坑左側荷載為2 kN/m2，右側荷載為4 kN/m2。地下水位取為2.0 m。數值模型邊界變形條件為:模型左、右兩側水平方向位移為零，允許發生豎向變形，底部為固定邊界(不允許發生變形)。有限元模型見圖1。

表1 土層參數

表2 支護結構計算參數

圖1 有限元模型示意圖

按基坑實際開挖過程進行模擬:

工況一:平整場地，添加荷載并施工地下連續墻。

工況二:基坑開挖至-3 m。

工況三:基坑開挖至基底-6 m。

4 數值模擬分析

4.1 基坑內外側土體豎向變形分析

由圖2 可知，隨著基坑的開挖，地下連續墻的作用不斷發揮，基坑外側土體變形受基坑開挖影響較小;基坑內側土體由于受到開挖卸荷的影響，土體豎向變形量不斷減小且有向上隆起的趨勢。

圖2 基坑內外側土體豎向變形

4.2 非對稱荷載作用下地下連續墻水平方向位移分析

由圖3 可知， 左側地下連續墻上的最大位移分別為0.28 mm、4.28 mm、10.2 mm，即隨著基坑的逐步開挖，地下連續墻上的最大位移逐漸增大且指向基坑內側，墻的支護作用逐漸發揮，且隨著基坑的開挖，地下連續墻逐漸處于懸臂狀態，最大位移均處于墻頂。

圖3 左側地下連續墻水平方向位移

由圖4 可知， 右側地下連續墻上的最大位移分別為0.3 mm、4.53 mm、10.6 mm，即隨著基坑的逐步開挖，地下連續墻上的最大位移逐漸增大且指向基坑內側，墻的支護作用逐漸發揮，且隨著基坑的開挖，地下連續墻逐漸處于懸臂狀態，最大位移均處于墻頂。

圖4 右側地下連續墻水平方向位移

由圖3 和圖4 分析可知，受基坑兩側非對稱荷載的影響，同一工況下右側荷載(大荷載)作用下地下連續墻上最大位移均大于左側(小荷載)且同一工況及同一深度下右側荷載(大荷載)作用下地下連續墻上位移均大于左側(小荷載)。因此，實際工程設計和施工過程中不應忽視基坑兩側非對稱荷載帶來的支護結構上差異變形影響。

5 結論

(1)坑外水位變化不大時，隨著基坑的開挖，地下連續墻的作用不斷發揮，基坑外側土體變形受基坑開挖影響較小;而基坑內側土體由于受到開挖卸荷的影響，土體豎向變形量不斷減小且有向上隆起的趨勢。

(2)坑外水位變化不大時，隨著基坑的開挖，基坑左、右兩側地下連續墻上的最大位移逐漸增大且均指向基坑內側，墻的支護作用逐漸發揮，且隨著基坑的開挖，地下連續墻逐漸處于懸臂狀態，最大位移均處于墻頂。

(3)受基坑兩側非對稱荷載的影響，同一工況下右側荷載(大荷載)作用下地下連續墻上最大位移均大于左側(小荷載)且同一工況及同一深度下右側荷載(大荷載)作用下地下連續墻上位移均大于左側(小荷載)。因此，實際工程設計和施工過程中不應忽視基坑兩側非對稱荷載帶來的支護結構上差異變形的影響。