偏压深基坑支护变形及地表沉降特征分析

肖定乾， 邓园园

(1.湖南联智科技股份有限公司， 湖南 长沙 410000； 2.湖南省公路设计有限公司， 湖南 长沙 410076)

0 引言

随着我国基础建设的不断发展，在地下空间开发的过程中，出现了较多基坑开挖紧邻建筑物的特殊工程。临近建筑物必然会对基坑内支护体系的受力及变形造成较大影响；同时，基坑开挖也会对地表沉降造成不利影响，危及临近建筑物的安全[1]。目前，国内外部分学者以实际工程案例为背景，对深基坑的支护结构内力、变形及周边地表沉降进行了研究[2-5]。李淑等[6-7]对北京地区30多个深基坑的墙体及地表变形进行了统计分析，得到了很多有用的成果。吴意谦[8]、李磊等[9]对深基坑的数值模拟结果和监测数据进行了对比分析，发现数值模拟结果与实际深基坑开挖结果是一致的。

然而，较少有学者针对偏压深基坑的变形规律进行分析。相对于非偏压基坑来说，偏压深基坑处于非对称受力状态，支护结构的受力型式较差。尤其超深基坑，在局部偏压的作用下，偏压侧的沉降及位移更难控制，难以满足规范要求；同时极有可能发生失稳，对相邻建筑物造成永久性破坏。因此，有必要对偏压深基坑的支护变形和地表沉降特征进行分析。为此，本文基于实际工程对偏压深基坑的变形特征、支护措施及建筑物加固措施进行了分析，为相关工程提供借鉴。

1 工程概况

该基坑为城市地铁车站，是地下4层的岛式换乘站，基坑总长150m，最大埋深约25m，采用明挖顺筑法施工。支护体系采用1000mm地下连续墙+内支撑。连续墙嵌入下部土体约8m，其中连续墙为C35混凝土。内支撑共有5道，第1至第4道支撑为混凝土撑，最后1道支撑为钢支撑，支撑间距从上至下分别为5.5、5.8、6.5、5.3m，指定冠梁顶标高为0.0m。基坑分6步开挖： ① 开挖至标高-1.5m，施作冠梁和第1道混凝土撑；② 开挖至标高-7.0m，施作第2道混凝土撑；③ 开挖至标高-11.8m，施作第3道混凝土撑；④ 开挖至标高-18.3m，施作第4道混凝土撑；⑤ 开挖至标高-23.6m，施作第5道钢支撑；⑥ 开挖至基坑底。由于该站位于城市中心，基坑东侧紧邻2栋框架结构高楼，其中一栋主楼22层(与基坑最近距离10m)；一栋主楼高28层(与基坑最近距离3m)，基坑开挖存在较大风险。

该基坑自地面往下分别为圆砾填土、粉质粘土、粉土、圆砾和泥岩，具体物理参数如表1所示。

表1 土体主要物理力学参数表材料类别密度ρ/(g·cm-3)内聚力c内摩擦角φ弹性模量E/GPa泊松比μ圆砾填土1.95 0250.0100.25粉质粘土1.97 42140.0100.2粉土2.03 7200.0150.2圆砾2.06 0350.0300.2泥岩2.09 9019.30.0600.3

2 数值模型建立

2.1 模型建立

本文采用Midas GTS进行模型建立，岩土体采用摩尔-库伦本构模型，连续墙和支撑采用线弹性本构模型。深基坑有限元模型如图1所示。模型尺寸为250m×220m×60m，连续墙及砼支撑均采用C35混凝土。为高楼荷载简化计算，通过压力荷载施加在建筑物底板上，每层按15kPa均布荷载考虑，即主楼22层施加22×15=330kPa均布荷载，主楼28层施加28×15=420kPa均布荷载。具体参数见表2。

图1 深基坑有限元模型

表2 衬砌主要物理力学参数表材料类别密度ρ/(g·cm-3)厚度(直径)h/cm泊松比μ弹性模量E/GPa抗压强度fcu/MPa连续墙2.58000.231.5035砼支撑2.58000.231.5035钢支撑7.856090.3210.0235加固区2.0—0.25.00—

3 计算结果分析

3.1 偏压深基坑支护结构变形分析

图2为基坑开挖后连续墙的水平变形云图。从图中可以看出，临近高楼一侧(偏压侧)的连续墙最大水平变形约13.5mm，最大变形位置在承受偏压荷载位置附近，这证明偏压荷载的存在，对基坑支护结构的变形产生了较大影响；偏压侧与未偏压侧墙体最大位移出现的位置同样集中在基坑开挖中心附近，呈上部位移小，底部位移小，中间位移大的“三角形”分布特征；未偏压一侧墙体的最大水平变形约7mm，偏压一侧墙体变形明显比未偏压一侧大(增加了约48%)，这说明偏压的存在对临近一侧的基坑支护侧壁造成了不利影响，应采取有效的加固措施。

图3为基坑连续墙侧移与基坑开挖深度之间的关系图，图中测点布置在靠近28层高楼一侧连续墙处，具体测点位置见图1。从图3可以看出，当未采取加固措施时，基坑最大侧移为35.3mm，基坑顶部位移为20.4 mm，基坑变形较大，容易发生坍塌。采取袖阀管加固措施后，基坑最大侧移约13.5mm，降低了约60%；基坑顶部位移约5mm，降低了约75%，基坑处于稳定状态。结合监测数据可知，在实际施工过程中，基坑最大侧移约14.5mm，基坑实际位移情况与数值模拟基本一致，验证了本文数值模拟的正确性。基坑侧墙最大侧移随基坑开挖深度呈“三角形”变化，最大侧移位置大约在开挖深度12.5m处，即基坑开挖中心位置附近。

图2 基坑开挖后连续墙水平变形云图

图3 基坑连续墙侧移与基坑开挖深度关系图

3.2 偏压深基坑开挖后周边沉降分析

图4为深基坑开挖后周边地表沉降图，图中以基坑侧壁位置为坐标原点，以远离基坑方向为横轴正向。由图4可得，地表最终沉降表现为凹槽形，沉降最大位置距离基坑约10m。出现该凹槽形沉降，主要是由于基坑支护条件较好，围护结构设置时间足够长，靠近侧壁土体在侧墙摩擦力的作用下下沉稍慢，从而形成凹槽形沉降[6]。从监测数据可知，在靠近基坑侧壁位置地表处存在1.2mm的隆起，隆起范围主要临近基坑侧壁，这可能是由于高楼的存在，使得临近侧壁的土体在挤压作用下产生一定隆起。在未采取加固措施的条件下，基坑周边地表最大沉降约17.6mm，将对周边建筑造成较大的不利影响；而在采取加固措施后，地表最大沉降约5.1mm，降低了约71%，说明袖阀管加固措施是有效的。

图4 深基坑开挖后周边沉降图

3.3 偏压深基坑开挖对临近高楼的变形影响分析

图5为基坑偏压侧28层高楼(最近距离3m)最大沉降与基坑开挖深度关系图。从图可以看出，随着基坑开挖深度的增加，建筑物最大累积沉降不断增加，且基坑在第2～5步开挖时沉降变化最大。基坑开挖造成的地层损失使得地表建筑物产生了较大沉降，数值模拟中建筑物最大沉降约16.3mm；在采取加固措施后，建筑物最大沉降约4.8mm，减低了约68%。结合监测数据可以看出，本文数值模拟结果与实际结果变形规律基本一致，进一步证明了本文提出的偏压深基坑支护变形、地表沉降特征的有效性。对于偏压深基坑，若不采取有效加固措施，其偏压一侧无论是侧墙的水平位移、地表沉降还是建筑物沉降都是非常大的，且一旦超过临界值，极有可能发生失稳破坏。

图5 周边高楼最大沉降随基坑开挖深度变化图

4 结论

1) 靠近偏压高楼一侧基坑侧墙变形较大，地表沉降较大，需要采取较强的加固措施；基坑侧墙最大侧移随基坑开挖深度呈“三角形”变化，最大侧移位置在基坑开挖中心位置附近。

2) 在采取袖阀管加固措施后，基坑侧墙最大侧移约13.5mm，降低了约60%；基坑顶部位移约5mm，降低了约75%，基坑处于稳定状态。

3) 地表沉降表现为凹槽形，在采取加固措施后，沉降最大位置距离基坑约10m，地表最大沉降约5.1mm，降低了约71%，表明袖阀管加固措施是有效的。

4) 对于偏压深基坑，若不采取有效加固措施，其偏压一侧侧墙的水平位移、地表沉降及建筑物沉降都是非常大的，如不采取有效措施，一旦超过临界值，极有可能发生失稳破坏。