顶部堆载对基坑壁变形影响分析

虞晓刚

浙江继光建筑特种工程有限公司

1 前言

基坑壁失稳垮塌是基坑工程中常见的灾害之一，基坑壁的稳定性受开挖深度、岩土性质、地下水以及附加荷载等多种因素的共同作用。附加荷载常为基坑顶部边缘进行堆载引起，基坑周围荷载的存在常会影响基坑周围土体应力的分布[1]。本文以工程实例为基础，采用FLAC 3D 有限差分软件对基坑顶部边缘存在荷载情况下基坑壁的位移特征进行分析。

2 工程概况

某七层建筑基坑具有一层地下停车场，该基坑设计尺寸为30m×15m，基坑开挖深度5m。场地范围内从上到下土层依次是杂填土（1m）、粉土（3m）、粉质黏土（18m），场地岩土参数如表1所示。基坑开挖穿过了3层土层，距基坑预定设计的一长边上中心顶部约3m 处为堆载的钢材材料，下方存在排水管。采用FLAC 3D模拟载荷对该基坑开挖过程中应变的影响情况进行分析，以便进行相关基坑支护设计。

表1 岩土参数

3 模型建立

采用FLAC 有限差分软件进行建模计算，根据前人研究，基坑模型建立时，基坑外土层计算范围不应小于基坑深度的3倍[2]。该工程开挖深度为5m，因此，取计算范围为90m×30m×20m。将基坑边缘堆载荷载等效为均布压力，施加在基坑顶部一定面积内。由于计算模型为对称形状，为提高计算效率，取整体的一半进行分析。需要对基坑位移进行监测，以便分析变化规律[3]。在模型中沿长边对称面与基坑面的两条交线上从上往下各布置了6 个数据记录点（如图1中A、B两侧的点），如图1所示。基坑土体的参数如表1所示。基坑分为3层开挖，其中第一层开挖2m，第二层开挖2m，第三层开挖1m。

图1 基坑模型图

4 结果分析

4.1 水平位移分析

图2为计算后的基坑壁的水平位移云图，图3为基坑两侧最终水平位移，基坑A、B 两侧从上到下都差异性地产生了水平位移，两侧产生水平位移的规律都为从上到下，先随深度的增加而增大，达到一定深度后，随深度的增加而减小，最终位移图近似抛物线。两侧发生最大水平位移处分别为图2中两侧红色区域和蓝色区域。从图3可以看出，产生最大水平位移处均为两侧的4m 左右。两侧的水平位移呈抛物线的原因是因为土体从上到下受到不同土压力的作用，从基坑顶部往下时，由于土压力逐渐增大，发生的水平位移四也逐渐增大，到达一定深度后，水平位移不再增大，反而减小，这是因为土体的水平向变形受到基坑底部土体的约束，从而逐渐减小。

同时可以得出，在顶部有堆载的一侧发生的水平位移量均大于没有堆载的一侧，如图2所示。在没有堆载的一侧（B侧）发生的最大水平位移为47mm，而在堆载侧（A侧）发生的最大水平位移量为69mm。A 侧水平位移量比B 侧大46%左右。在荷载区域下部产生的位移相对没有荷载的B侧也较大，在A侧产生的水平位移为34.5mm，而在B 侧，与A侧对应的位置产生的位移为26.4mm，约为A侧的76%。

由此可以得出，基坑顶部有堆载时，会增大基坑的水平位移量。所得到的规律与经典土力学一致[4]。同时可以得出，在该工程中，如不采取支护措施，将会对地下排水管产生影响。

图2 水平位移云图

4.2 沉降分析

通过计算得到了基坑的沉降量云图，由云图可以看出，在基坑的底部发生了明显的隆起，基坑底部由于应力释放的隆起量约为3cm左右。同时，在基坑壁上，A、B两侧的沉降量也有很大的差距。在B侧，沉降量相对较为均匀，而在A侧，可以看出荷载下部土体中沉降值形状为近似倒锥形，上部土体沉降严重受荷载影响，而逐渐往下时，A侧和B侧产生的沉降量差异不小。由此可以得出，上部荷载的影响范围有限。在A侧，最大的沉降量发生在荷载区域下部，最大值为11cm左右；而在B侧，最大沉降值发生在基坑边缘顶部，为7.5cm 左右。相对于B 侧，A 侧基坑边缘顶部的沉降量约为10cm左右，土体中的沉降量随深度的增加而减少。这是因为在基坑上部，由于土体自重、荷载以及侧部临空的影响下，沉降值最大。而在基坑下部，由于历史应力的作用，处于固结状态，可发生的压缩变形量已经很小，加上其位于基坑壁下部，受到基坑底部土体的约束，在上述三个因素的影响下，产生的沉降值较小。

由上分析可得，较深土质基坑在无支护开挖下，易产生较大沉降量。而当基坑顶部存在荷载时，会增大基坑的沉降量。上部荷载影响基坑一定范围内土体沉降量。该工程中，排水管处于影响范围区。

图3 基坑沉降云图

5 结束语

本文采用FLAC 3D 有限差分软件对无支护、上部存在荷载的基坑进行了数值模拟，并分析了基坑长边上土体水平位移及沉降量变化规律，得到如下结论：

（1）基坑壁的水平位移先随基坑深度的增加而增加，到达一定深度后，随基坑的增加而减少，深度-水平位移曲线呈抛物线形。水平位移量及大受顶部荷载的影响。

（2）基坑的沉降量随基坑深度的增加而较小，在基坑壁底部趋于0。上部荷载的存在将会增大一定范围内土体的沉降量，其影响范围形状近似倒锥形。

（3）该工程施工中，应采取支护措施，限制基坑的变形，一方面，保证基坑的安全施工，另一方面，保护基坑周围的排水管道。