荷載作用對深基坑變形的影響研究

王俊霞

（中國建筑第二工局有限公司華中公司，武漢 430000）

1 引言

近年來，深基坑工程因其在大型建筑項目中的普遍應用而變得日益重要。這些工程不僅涉及深度和復雜性的增加，也表現出對于更先進和有效支護技術的需求。在深基坑工程中，常見的支護措施包括錨固墻、灌漿樁、地下隔墻以及鋼結構-混凝土支撐系統等[1]。在選擇支護措施時，不僅要考慮經濟和施工效率，還需關注它們在面對復雜荷載情況下的表現，特別是在城市環境中，深基坑周邊常會承受不同類型的荷載，如鄰近建筑施工、交通載荷和設備操作壓力等。本文重點關注荷載如何影響深基坑工程的結構穩定性和變形特性[2-3]。通過實際工程案例探討在不對稱荷載作用下深基坑支護系統的力學響應，以及這些負荷如何影響深基坑的整體變形和穩定性。此外，采用先進的有限元分析工具Plaxis-2D 2022 軟件，對不同的支護方案進行綜合評估，探討如何優化這些方案以應對復雜的荷載情況，從而為確保深基坑工程的安全施工提供科學的指導和支持。

2 建設工程項目概述

某建設工程項目中，所涉及的基坑在施工期間采用了梯形的布局設計，具體尺寸為長437 m，最窄處寬8.5 m，局部區域寬達27.8 m。地層結構上，自上而下包括3.5 m 厚的雜填土層、5.5 m 厚的粉質黏土層和6.5 m 厚的風化砂巖層，開挖基坑深度在2.5～16.2 m 變化。鑒于該項目位于城市主干道區域，周邊環境包括繁忙的交通和復雜的城市管網，因此，在施工期間需要特別關注交通管制和管線的規避。在綜合考慮各方面因素后，項目決定采用鉆孔灌注樁作為基坑的主要支護結構。由于項目施工現場的特殊性，如長寬比大、管線眾多和地質條件復雜等，基坑在開挖過程中極易發生突發狀況。為確保施工安全，對基坑的開挖實施全程監控是必要的。監控的重點包括支護結構和邊坡等關鍵部位，專注于其承受的力量、發生的變形等關鍵指標。

3 深基坑工程荷載影響研究

3.1 深基坑偏心荷載作用影響

在實際工程應用中，深基坑的側壁經常因施工期間的不均勻堆積（如臨建設施、臨時堆土、臨時存儲材料等）受到偏心載荷的作用，這可能威脅到支護結構的穩定性。本項目的深基坑位于城市主要交通干道旁邊，由于道路交通和附近建筑施加的荷載，基坑的支撐系統遭受偏心荷載的影響。場地空間限制導致土方和建筑物料累積在邊坡附近，進一步加劇了對支撐結構的非均勻外力作用。在理論計算方面，盡管采用了標準的2D 模型，但缺乏針對該項目特有的偏心壓力情況的3D 有限元模型。在基坑挖掘的不同階段，支撐結構面臨的受力、變形和穩定性影響顯著，這要求對整個挖掘過程進行細致的數值模擬和監測。

3.2 深基坑開挖中樁體位移變形影響

在深基坑挖掘的不同深度階段，觀察到保護樁的水平位移有顯著變化。最初，樁體變形表現為一個倒置的直角三角形，隨著挖掘的進展，樁的形變增大，最大水平位移點逐漸下移，直到挖掘結束后達到穩定狀態。對比計算和實測數據，發現樁的最大水平位移計算值通常低于實際監測值，可能原因包括復雜的挖掘環境以及施工過程中的延遲支護或過度挖掘。此外，監測中發現樁底部的微小水平移動，這可能源于監測過程的誤差或施工中的不規范操作。

3.3 深基坑地表沉降監測與分析

表1 展示了地面沉降的最大值情況。結果表明，地面沉降的變化趨勢大致相似。隨著基坑開挖深度的增加，地面沉降也隨之加劇，形成了類似拋物線的沉降區域，其范圍大約是挖掘深度的2 倍。地面沉降的極值通常不出現在基坑的最外側，而是位于距離基坑邊緣大約1/3～1/2 深度的位置。監測到的地面沉降最大值超出了數值預測，這可能是由施工現場的復雜性、地面的附加挖掘和荷載，以及支護結構未能及時實施等因素造成的。因此，在數值模擬中建立一個能反映真實工況的模型對于準確預測地面沉降非常重要。

4 深基坑荷載作用監測方案項目

4.1 深基坑工程監測計劃與實施

深基坑監測工作的核心是對基坑的邊坡、坑底和支撐結構的狀態進行嚴密監控，以此減少安全事故發生的可能性。監測重點包括：深基坑邊坡的垂直和水平位移，對支撐體系的應力和變形的檢測，以及周邊建筑和地下管線的沉降情況。此外，還應關注基坑周圍的道路和地基的沉降情況。這一監測方案包括6 個主要方面，目的是通過實地檢測和模擬分析結果的比對，針對薄弱環節采取加固措施，從而提高整體的安全水平。

4.2 深基坑監測方法及設備

針對建設工程項目深基坑的特殊性質，研究定制了一套全面的技術監測方案。該方案詳細規劃了每個監測斷面上的3個監測點，共計9 個關鍵監測位置。這個方案詳盡地設計了監測技術、監測點布置的頻率、所使用的監測設備及其精確性，以及監測的時間間隔等核心要素。為了實現這一目標，研究部署了多種監測工具，包括TZ08 型全站電子測距儀、DL201 型數字水準儀、全球定位系統接收器、振弦測數儀以及XG45 型傾角儀。這些設備分別負責監測基坑周邊建筑物和地下結構的位移，以及基坑支撐體系的應力和傾斜情況。

4.3 深基坑施工過程中的變形監測

在整個深基坑施工期間，對基坑的邊坡支撐體系進行了持續嚴密的水平變形監測。研究特別關注了灌注樁在南北兩端的變形差異，并隨著開挖基坑深度的增加密切觀察基坑底部的支護樁變形情況。最新的監測數據顯示，支護樁系統在水平方向上的最大變形量為51.1 mm，而與之相連的冠梁的水平變形量高達-40 mm。支撐體系中南側的支護樁頂部呈現出向外偏移的趨勢，而底部樁則向內偏移。此外，研究對路面沉降進行了持續監測，并發現在基坑開挖期間路面的變形幅度有所增加，但在地下室中層結構澆筑完成后，路面變形趨于穩定，最大變形量記錄為105.0 mm。

5 荷載作用對深基坑變形的影響

5.1 荷載作用對深基坑變形與控制的影響和優化方案

該深基坑建設工程項目中，采用了Plaxis-2D 2022 軟件進行復雜的巖土工程變形和穩定性分析。軟件的高級功能和用戶友好性使其成為研究的關鍵工具。本文分析深基坑支撐結構在荷載作用下的變形行為。對比了實際測量的圍護結構變形和地表沉降數據與數值模擬的預測結果，以評估不同基坑設計在對稱與非對稱荷載條件下的性能。結果表明，偏壓荷載對深基坑支撐結構產生了顯著的扭曲變形。鑒于此，本文探索有效的設計優化策略，以提升基坑結構的整體穩定性和安全性。

為有效控制深基坑的變形，研究運用了Plaxis-2D 2022軟件對5 種支撐結構優化方案進行了詳細的模擬分析。其中，方案A 模擬了設計方案，特點是高邊坡設計的樁長和直徑都大于其他類型的樁。接著，方案B 在方案A 的基礎上增加了臨近北向高邊坡樁外側的士體加固，以增加反壓力。緊接著，方案C 在方案B 的基礎上，通過延長遠離高邊坡一側的樁基，使其嵌入花崗巖土層。將樁底嵌入巖體被認為是控制地下連續樁變形的有效方法。因此，在初步設計中，路面一側的地下連續樁被設計為嵌入巖體。在監測段中，北側的連續樁延伸至南側。方案D 則是將方案B 和方案E 的措施進行科學融合，并對此融合后的方案進行優化，探討其復合優化效果。最后，方案E 專注于加固基坑內部土體。由于施工過程中鄰近結構的影響，加固范圍較小，面積受限。因此，通常采取的做法是加固整個開挖區域的基坑內土體。結合實際項目情況，對這種加固措施的效果進行了探索。接下來通過數值模擬計算對5 種支護設計方案進行了驗證。結果顯示，盡管方案A 在減少側向位移方面取得了一定成效，但方案E 在減小側向變形和控制周圍道路變形方面更加高效，其效果比方案A 降低了36.2%。實際監測數據與方案E 的模擬結果高度吻合，從而證實了通過土體加固控制偏心荷載引起的基坑變形的有效性。

5.2 基坑開挖中非對稱荷載的地表影響分析

為分析非對稱基坑開挖對周圍地表垂直變形的影響，提取數值模擬計算結果，繪制了地表沉降曲線。圖1 展示了偏壓荷載q變化導致的基坑開挖完成時右側地表的垂直變形情況。可以看出，地表的垂直變形通常呈現出中間大、兩端小的沉降模式。此外，研究注意到地表沉降程度與偏壓荷載的關系極為緊密，隨著偏壓荷載的增加，地表沉降趨勢明顯增強。然而，對于基坑右側地面的垂直變形，偏壓荷載的變化對其影響較小，且地表最大沉降點的位置幾乎不受偏壓荷載的影響。在偏壓荷載為q=32 kPa 的條件下，觀測到的地表最大沉降值約為14.5 mm。而當降至q=17 kPa 時，觀測到的最大沉降值約減少至9 mm，減少了約5.8 mm。這一發現突顯了偏壓荷載對周邊地表垂直變形的顯著影響。此外，當超出大小偏壓荷載q的取值為20 kPa，23 kPa，26 kPa，29 kPa 時，地表最大沉降值為9.9 mm、12.5 mm、13.2 mm 和13.8 mm。因此，在進行類似的基坑工程設計和施工時，必須充分考慮非對稱荷載對周圍地表沉降的潛在不利影響。

圖1 非對稱荷載下基坑挖掘對周邊地面垂直移動的影響

6 結語

本文針對深基坑工程中荷載作用對變形的影響進行了深入探究。面臨的主要挑戰是在保障施工安全的同時，有效控制因非對稱荷載引起的基坑變形。通過Plaxis-2D 2022 軟件的數值模擬和實地監測數據的對比分析，研究優選出了最佳的支護方案。結果顯示，采用加固措施的方案在減少側向位移和控制周圍道路變形方面表現出色，相比于方案A，其效果提高了36.2%。此外，還發現在偏壓荷載為q=32 kPa 時，地表最大沉降值約為14.6 mm，而降至q=17 kPa 時沉降值減少至8.9 mm，減少了約5.7 mm。這一發現凸顯了偏壓荷載大小對地表豎向變形的顯著影響。