邻水深基坑围护结构变形和桩体内力特性研究

章好龙，郑永胜，李勇海，焦灏

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

邻水基坑开挖稳定性及潜在危害是工程师和设计人员关注的焦点[1-2]。深基坑围护结构的合理设计依赖于设计人员对围护结构变形和内力特性的重视与理解，研究者们在过去的几十年中开展了大量的研究。当基坑坑底标高低于地下水位时，需考虑渗流效应。渗流效应可能会导致管涌和流沙，从而对基坑稳定性产生危害。防渗墙的结构形式可随工程特性发生改变，工程中常用的防渗墙包括高压旋喷桩、钢板桩、深层搅拌桩墙、地下连续墙等。

降水和防渗墙联合法可能会带来一些危害，例如地表不均匀沉降、地层位移过大、地下管道开裂等。戴轩等[3]开展了以地下连续墙为围护结构的深基坑三维有限差分分析；杨建民[4]基于经验公式及模拟分析指出，当圆形基坑帷幕降水与井距的关系，可以推广到接近圆形基坑的计算分析，降水后地面沉降以及地下连续墙的水平挠度等问题。李忠超等[5]针对深厚软黏土中某倒塌内支撑式深基坑稳定性安全系数的进行研究，其结果表明采用交点法与Terzaghi法得到基坑安全系数与基坑处于极限平衡状态事实相符。陈忠等[6]研究了考虑承压水的影响下深基坑开挖变形以及承压水降水过程中远场地层和地下水的响应研究，安鹏程[7]等研究了基坑在降水期间地层沉降对周边建构物的沉降影响及其监控量测方案。

然而，多数研究没有考虑复杂地质和水文条件因素。因而邻水基坑围护结构变形和内力特性有待进一步研究。

2 工程模拟

2.1 工程背景

某换乘站基坑，两站斜交呈“T”型换乘，基坑工程平面布置图如图1所示，邻近水体与坑底的水头差会对基坑围护结构产生不利影响。车站主体基坑采用盖挖逆作法施工，围护结构采用带有钢横撑的地下连续墙结构。地下连续墙接头采用整体性能好的十字钢板接头，地下连续墙厚度为1.2m和1.0m。车站主体结构为地下四层，最大开挖深度32.0m，相交车站主体结构为地下三层，最大开挖深度为25.0m。主体结构的基础均为AM桩，桩长分别为52.0 m和38.0m，出入口AM桩长30.0m。

图1 基坑工程平面布置

2.2 数值模拟

基于有限差分软件FLAC 3D开展了相关竖直模拟研究。FLAC 3D可有效模拟结构与土体的三维相互作用效应，在基坑工程中应用广泛。当求解流固耦合问题时，有限差分法可采用小变形本构方程，该措施比有限元法更高效[7-8]。

深基坑及其围护结构有限差分模型的网格划分时。为减小边界效应的影响，整体模型的尺寸设计为390m（X方向）×300m（Y方向）×100m（Z方向）。数值模拟结果表明，基坑围护结构的变形和受力特性不随所选定的模型尺寸的进一步增大而变化。模型边界条件为底面固定、竖直面滚轴。为简化计算，数值模拟中将地层简化为四类土层：杂填土、粉质黏土、砂土、风化岩。土层的本构行为采用摩尔-库伦模型描述。地下连续墙、地板、AM桩、钢支撑等结构构件的本构行为采用线弹性模型描述。考虑到AM桩数量巨大及其对精度的要求，采用梁单元模拟AM桩。AM桩与土层间的相对位移忽略不计。其他结构构件采用实体单元模拟。

3 模拟计算结果

3.1 地层沉降分析

随着开挖深度增加，引起了坑内外水平位移继续的累积效应。此时右侧墙体水平位移仍然大于左侧墙体，但是趋势放缓，量值上也更为接近，说明此时偏压环境和渗流环境耦合效应开始显现；在基坑的沉降云图上，更明显表现出偏压与渗流耦合效应。

图2 地层水平位移响应云图

基坑开挖到目标水平，此时水平位移云图表明此时基坑的水平位移达到峰值，而且此时邻河一侧的水平位移最大，表明渗流效应已经超过偏压环境效应。而且此时的沉降云图也表明，两侧的沉降量值几乎趋于一致，也说明渗流效应导致的基坑沉降量值与偏压环境导致的沉降量相当。需要注意的是，地层y-位移的改变会不可避免地伴随着作用于地下连续墙上的土压力的改变。因此，基坑围护结构的合理设计需要考虑基坑开挖过程中地层横向位移的变化特征。

3.2 地连墙变形分析

此外，通过对比地下连续墙最大位移发生的墙面板位置，发现新建高层建筑基坑和地铁站基坑交界处的墙面板的位移更大，尤其在后期的开挖中更加明显。因此，在位移更大的关键位置，应注意监测并加强支护，例如可以提高横支撑的数量或刚度。

图3 地连墙位移等值云图

在基坑开挖初期，基坑水平位移朝向基坑开挖自由面。但是基坑沉降量值基本一致，这是由于刚性地连墙以及大量桩体加固的作用。开挖达到第一层，基坑的水平位移继续增大，此时右侧地连墙的水平位移依旧大于左侧水平位移，但是趋势变缓，说明渗流耦合效应增强；此时基坑沉降量值变化明显，说明此时最大沉降多集中于基坑两侧墙体，沿墙体分布；但是偏压环境一侧沉降面扩大，表明随着基坑的开挖，基坑右侧大偏压环境效应显现。

开挖进行到第二阶段，开挖深度增加，引起了坑内外水平位移继续的累积效应。此时右侧墙体水平位移仍然大于左侧墙体，但是趋势放缓，量值上也更为接近，说明此时偏压环境和渗流环境耦合效应开始显现；在基坑的沉降云图上，更明显表现出偏压与渗流耦合效应。同时也说明渗流环境如偏压环境一样，都是造成基坑失稳的重要因素。

基坑开挖到目标水平，此时水平位移云图表明此时基坑的水平位移达到峰值，而且此时邻河一侧的水平位移最大，表明渗流效应显著。

3.3 桩体受力分析

根据有限差分法计算结果，选取承受较大弯矩的AM桩作为分析对象。AM桩最大弯矩及弯矩随埋深变化是设计的重要依据。

AM桩中的轴力是由上部结构自重和桩侧摩阻力作用的结果。随着开挖的推进，AM桩轴力由于土体应力释放及坑底隆起的影响而不断变化。AM桩最大轴力呈非线性增大。由图4可见，AM桩轴力在桩顶和桩底均接近于零；AM桩最大轴力的埋深随开挖步的推进而不断增大，这是由于基坑开挖过程中桩侧摩阻力发生了改变。

4 结论

①地层横向位移倾向于向基坑方向发展。地层最大横向位移发生于受偏压效应影响最大的地下连续墙的下部，且沿着负x方向发展。

②不同开挖深度下，偏压效应和渗流效应存在差异，在基坑开挖至目标位置时，基坑的渗流效应最大，对基坑施工产生的水平位移和沉降量均产生主导作用，因此随着基坑开挖的逐步进行，应该尽量减少渗流效应，规避渗流场发生改变时基坑的稳定性降低。

图4 AM桩中的相对于x轴的弯矩随埋深变化曲线

③地下连续墙最大水平位移随开挖步推进呈非线性增长。在最终开挖时，由于临近偏压效应的影响，地下连续墙最大水平位移的埋深略小于最小基坑开挖深度。

④AM桩中的最大弯矩产生于桩身顶部以下三分之一桩长位移。AM桩中的轴力在桩顶和桩底近似为零，AM桩中的最大轴力的埋深随开挖推进而增大。