邻域超大附加荷载深基坑空间效应及变形控制

周 政， 姚爱军

（北京工业大学， 北京 100124）

0 引言

地下空间的开发与高层建筑的建设造就了大量的基坑工程， 基坑工程的安全性一直颇受岩土工程界的关注。 城市中基坑的周边环境复杂， 附加荷载形式多种多样， 如既有建（构）筑物荷载、 交通荷载、 建筑材料与器械荷载等。目前， 许多学者就基坑在邻域超载作用下的空间效应做出大量研究， 总结得到邻域不同附加荷载模式作用下围护结构沿水平及深度方向上的变形规律、 支护结构内力变化、 邻域地表变形及影响范围等[1-5]， 又对邻域附加荷载的大小、作用区范围、 作用深度、 距坑边距离等因素对基坑变形做出敏感性分析[6-9]。 设计中对坑外附加荷载取值一般为20～40kPa， 对超大型附加荷载作用下基坑空间效应缺乏研究。 基于此， 本文结合北京市朝阳区京沈高铁星火站站房基坑工程， 就邻域既有杂填土边坡这种超大附加荷载模式作用下的基坑空间效应进行深入探讨，并从支护结构设计及场地施工方案两个方面对基坑进行变形控制。

1 工程背景

1.1 工程概况

星火站站房及雨棚工程规划建设场地位于北京市朝阳区东风乡、 将台乡辖区内， 临近既有铁路京包线和东北环线， 站房结构型式为钢筋混凝土框架结构， 一层地下室（局部二层）。星火站基坑南北长约320m， 宽约264m， 深度为10～15.9m， 形状大致呈矩形。 基坑东西两侧分两期施工。 基坑采取排桩加锚索方式进行支护， 一二期过渡区域采用放坡形式， 如图1 所示。 星火站基坑西侧采用排桩加锚索支护形式，根据底板标高确定基坑的开挖深度， 沿着基坑的长边方向将基坑划分为五个设计区段（图1）， 其中典型剖面A-A 与B-B 如图4 所示。围护桩直径采用直径1m 和0.8m 两种， 间距1.5m 的钻孔灌注桩， 桩长18m 至24m 不等。竖向采用锚索多道锚索进行支护， 锚索的水平间距为1.5m。 值得注意的是， 设计区段4、 5的冠梁标高为-0.4m， 与设计区段1、 2、 3（±0m） 不同， 区段3、 4 连接处的冠梁非连续贯通。 根据场地岩土勘察， 工程场地覆土层由上至下为素填土、 粉土、 粉质黏土、 细砂、 中砂以及圆砾层， 其土体物理力学参数如表1 所示，后期开展有限元分析所需参数取自该表。

图1 基坑平面示意图Fig.1 Schematic diagram of foundation pit

图4 典型支护结构剖面Fig.4 Typical supporting structure section

表1 土层物理力学参数

1.2 邻域附加荷载模式

基坑西侧邻域存在两个既有杂填土边坡（图1）， 土坡由建筑垃圾、 砂石、 砖块以及黏土堆填形成。 为控制土坡整体变形及确保基坑施工安全， 土坡经过压密及坡形优化[10-12]， 两坡分别距离基坑边8m 和10m。 两者坡面形式如图2 所示。 土坡1 土方量远大于土坡2， 边坡未开挖前， 附加荷载空间上呈椭圆圆台式分布，其堆土荷载等值线分布如图3 所示， 土坡1 和土坡2 最大附加荷载值约为270kPa 和200kPa。

图2 土坡坡形（单位/mm）Fig.2 The shape of slope

图3 邻域土坡荷载等值线图（单位/kPa）Fig.3 Load contour map of neighboring soil slope

2 有限元分析模型介绍

数值模拟是分析深大基坑空间效应常用及有效的方法， 以星火站站房基坑为例， 本文运用Midas/GTS NX 有限元分析软件研究基坑开挖引起的支护结构变形与内力变化， 模拟相应的基坑变形控制措施以深化支护体系设计及优化施工方案。

2.1 模型建立

有限元模型的建立如图5 所示， 考虑模型的对称性取二分之一的基坑进行建模， 基坑的开挖深度为10.7m 至15.9m 不等， 模型的尺寸取480m×220m×50m， 其取值基本消除边界效应对土坡及基坑变形的影响。 模型中土体采用修正摩尔库伦模型， 其物理力学参数见表1 所示；桩、 冠梁、 腰梁采用梁单元， 锚索采用植入式桁架单元， 两者均为弹性构件。 模型四周侧面为法向约束， 顶面为自由面， 底面则为固定约束。

图5 有限元模型的建立Fig.5 3D model of foundation pit

2.2 计算方案选取

星火站站房基坑具有深大基坑特征且邻域存在超大附加荷载， 考虑到基坑安全施工、 经济合理、 施工方便等因素， 结合现场支护设计方案， 针对邻域超大附加荷载下深基坑存下明显的空间效应， 本文从基坑支护桩桩径选取、基坑开挖顺序以及马道布置三个方面对基坑进行变形控制， 具体思路如下：

由此建立了如下六种计算方案（表2）， 以基坑变形量为控制指标， 对各个方案进行计算及对比分析， 且上一步骤的优化结果直接作用于下一步， 以此提出针对本工程的变形控制方案。

表2 计算方案

2.3 计算步骤设置

根据计算方案类型确定不同的开挖模式，先开挖后施加冠梁、 腰梁、 锚索， 因基坑各区段开挖深度不一， 以基坑顶部标高为±0m， 根据支护结构施工工序拟定每次开挖深度至-0.9m/-5.9m/-9.9m/-13.5m/-15.9m（超挖0.5m），计算步骤与之对应。

3 邻域超大附加荷载下基坑空间效应

3.1 分析区段划分与观察点布置

以方案二为讨论对象， 邻域超大附加荷载的对支护结构的作用区域在基坑长边， 因此下文着重从围护结构变形、 内力以及邻域地表沉降三个方面分析基坑长边方向上的空间效应(短边方向不作讨论)。 如图6 所示， 根据基坑的变形情况将基坑沿长边分成三部分， 分别是BD、 EF、 GH， 其中BD 段为杂填土附加荷载核心作用区， EF 段为基坑长边中“凹” 区域，GH 为普通区段， 无显著空间形状及邻域附加荷载特征， D、 G 处为基坑的阳角。

图6 坑顶土体变形示意图Fig.6 Schematic diagram of soil deformation on top of pit

为深入研究基坑、 支护结构变形， 选取具有代表性的点进行分析探讨。 观察点分为基坑沉降、 桩顶、 桩身水平位移、 锚索轴力观察点，桩顶、 锚索观察点对应每一支护桩、 锚索， 沿着BD 方向布置， 间隔1.5m。 基坑开挖对环境影响的主要影响区为0.7H 或H·tan（45°-φ/2），其中H 为基坑开挖深度， φ 为土体内摩擦角[13-14]。因此， 沉降观察点取距离坑边10m 处， 水平间隔1.5m。 桩身水平位移观察点如图7 所示， 以20m 桩长为例， 沿深度方向每米布置一个。BD、 EF、 GH 段编号均从1 号开始。

图7 桩身观察点布置Fig.7 The arrangement of pile observation point

3.2 邻域超大附加荷载下深基坑空间效应分析

如图8 所示， 桩顶水平位移、 冠梁处锚索轴力与坑外地表沉降（沿长边方向） 三者变化之间呈正相关， 三者的变化相互联系， 这是由于随着基坑开挖， 围护桩的临空面增大， 在土压力差作用下， 围护桩朝着基坑内侧移动， 带动桩后地层移动， 使得桩后地层发生沉降， 同时桩顶水平位移、 锚索轴力随之增大。 图中EF、 GH 区段的沉降值较小是由于未在坑顶处布置其余荷载。

图8 各区段水平位移、 锚索轴力、 坑外地表沉降变化规律Fig.8 Variation law of horizontal displacement、 anchor cable axial force and surface settlement

BD 区段， 坑角约束效应显著， 坑角处水平位移为2.5mm， 随着与坑角距离增加， 水平位移增长。 在8 号观察点后， 桩顶水平位移、 锚索轴力的增长速率减小， 与2～3 倍基坑开挖深度影响范围相比[15-16]， 邻域附加荷载削弱了角部效应， 影响范围减小至1 倍坑深。 该区段内水平位移曲线出现两处波峰， 峰值分别为15.9mm与11.4mm。 坑外地表沉降两个峰值分别为13.9mm 与10.4mm， 此处沉降由两部分组成，一部分由地层朝坑内移动产生； 另一部分在土坡的附加荷载作用下产生。

EF 区段， 同时处于基坑“凹” 区域的阴角， 但左侧的桩顶水平位移大于右侧， 由于在D 点处地面存在高差， 此处的冠梁断开， 支护结构连续性减弱， 刚度降低， 而E 点两侧存在冠梁约束， 水平位移较E 处小。

GH 区段， 0-5 号观察点水平位移量最大，该区段的支护桩处基坑阳角位置， 受桩后土体“双向” 土压力作用， 支护桩不仅产生朝向坑内的水平位移， 同时产生DG 方向的位移。 37-50号观察点为基坑阴角影响区域， 影响区域的水平长度约2 倍开挖深度， 当超过2 倍开挖深度时， 阴角对变形的约束可以忽略不计， 因此在阴角作用区域内可适当减弱支护结构的刚度以优化支护结构设计， 降低工程造价。

通过对邻域超大附加荷载下深基坑空间变形效应的探讨， 可以得知附加荷载对基坑作用集中体现在基坑的BD 区段， 下文将针对BD区段的变形控制进行系列探讨， 且基坑的桩顶水平位移、 锚索轴力、 地表沉降三者间呈正相关， 仅分析其中一者即可得到其余二者变形发展规律。

4 空间效应影响因素及变形控制

4.1 桩径对基坑空间效应的影响

如图9、 10 所示， 以支护桩直径为控制变量， 支护桩直径的改变对支护结构的变形控制效果并不明显， 桩径1000mm 的最大桩身水平位移较桩径800mm 的仅减小约1mm， 而桩顶水平位移增加了约1mm。 由于未考虑坑顶地面应布置20kPa 的超载， 桩身的实际变形量应比模拟结果大， 在考虑杂填土边坡局部超大附加荷载以及20kPa 的坑边超载时， BD 区段内布置1000mm 桩径的支护桩更为合适， 而在EF、 GH区段则布置桩径800mm 即可。

图9 不同桩径下桩身水平位移Fig.9 Horizontal displacement of pile body

图10 不同桩径下桩顶水平位移Fig.10 Horizontal displacement of pile top under different pile diameters under different pile diameters

4.2 开挖顺序对基坑空间效应的影响

如图11、 12 所示， 基坑由北向南开挖与逐层开挖的桩身以及桩顶水平位移无明显区别，但由南至北开挖的顺序下， 支护桩的桩身、 桩顶的最大水平位移分别为19.7mm 和14.5mm，较前两者减小约10%和8%。 与逐层开挖相比，方向性的开挖方式能够减小每次基坑临空面暴露面积且分段有序的支护能够缩短基坑自由面的变形时间， 从而约束基坑变形。 南北向开挖与北南向开挖相比， 附加荷载前方的反压土具有护壁作用， 同一开挖面中， 将反压土置于最后开挖， 其余的支护结构已起到变形约束作用，使得基坑的累计变形减小。

图11 不同开挖顺序下的桩身水平位移Fig.11 Horizontal displacement of pile body under different excavation sequences

图12 不同开挖顺序下的桩顶水平位移Fig.12 Horizontal displacement of pile top under different excavation sequences

4.3 马道方位对基坑空间效应的影响

如图13、 14 所示， 马道布置位置不同对支护结构的变形模式有显著的差异。 在桩身水平变形量上， 在基坑西南角布置马道， 桩身的最大水平位移约为14mm。 而在基坑的西北角布置马道时该处的最大水平位移仅为13mm， 较逐层开挖减小41%。 两种马道布置方式下支护桩在深度方向上的变形模式相近， 桩身的最大水平位移值均出现观察点9 号附近， 约0.7 倍开挖深度。

图13 不同马道布置方式的桩身水平位移Fig.13 Horizontal displacement of the pile body in different layouts of berm

在桩顶水平位移变形方面， 两种马道布置方式均出现两个波峰， 且在第二个波峰上接近重合。 在西南角布置马道时桩顶最大水平位移值为14.5mm， 位于观察点34 号， 而在基坑西北角布置马道时， 基坑的最大水平位移值为11.3mm， 位于观察点87 号， 两者最大水平位移值较逐层开挖时减小12.5%和31.3%， 且出现桩顶最大水平量的位置往基坑中线方向偏移。马道处于基坑的西北角， 对于土坡1 作用区段而言， 在支护结构临空面处布置反压土坡， 人为的约束了支护结构朝坑内变形， 对变形控制有利， 同时马道在基坑角部的布置相当于增大了基坑坑角效应， 使得最大值出现位置靠近基坑的中部。 观察点0-10 出现位移负值， 锚索施加的预应力大于桩后土压力， 使支护桩产生坑外方向上的位移， 随着临空面沿着基坑长边的线性增加， 支护桩的变形也逐渐增大。 观察点70 往后， 马道对支护结构变形的影响可忽略不计。

针对星火站站房基坑工程， 对深大基坑的长边方向上空间效应分析解读， 结合三个空间效应的影响因素出发， 提出了相应的变形控制方案， 即选择1000mm 与800mm 两种直径的支护桩进行支护， 基坑从南至北分层分段开挖，且将马道预留在基坑西北角处。

图14 不同马道布置方式的桩顶水平位移Fig.14 Horizontal displacement of pile top in different layouts of berm

5 结论

为研究邻域超大附加荷载深基坑空间效应及变形控制， 本文采用了数值模拟的方式， 在确认坑边附加荷载模式的基础上， 分析了支护桩径、 开挖顺序、 马道方位布置对深基坑变形影响， 并得出以下主要结论：

（1） 在基坑开挖影响区域范围内， 基坑桩顶水平位移、 锚索轴力以及坑外土体沉降三者变化规律呈正相关。

（2） 在基坑的长边方向上， 基坑支护结构的变形形态与附加荷载的分布模式相互对应。在邻域超大附加荷载作用下， 基坑支护结构最大水平变形为15.9mm， 对该处的变形控制是该基坑支护设计的关键。

（3） 邻域超大附加荷载作用会削弱基坑的坑角效应， 与基坑南侧水平方向上2-3 倍开挖深度影响范围相比， 基坑北侧的影响范围减小至1 倍坑深。

（4） 变形控制方面， 支护桩桩径对支护结构变形控制效果并不明显， 但在无超大附加荷载作用区布置小桩径的支护桩， 在满足变形要求的前提下， 能够降低工程造价。 通过优化开挖顺序与马道方位布置， 桩顶水平变形量减小约31.3%， 桩身水平位移减小约41%， 马道的布置方位对于本基坑的变形控制起到关键作用，有效的控制基坑支护结构的变形， 提高了基坑施工的安全性以及场地的空间运输能力。