长江漫滩非对称荷载下基坑围护结构变形特性研究*

戈 铭，贺智江，丁建文

(1.南京市江北新区枢纽经济发展管理办公室，江苏 南京 211800； 2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096)

0 引言

随着地下空间的不断开发利用，基坑朝着深和大的方向发展，对基坑的控制逐渐由稳定控制转向变形控制为主[1]。当前的基坑设计理论主要面向对称基坑，而工程实践中基坑两侧常常会承受非对称荷载，此时基坑的受力变形性状会与对称基坑产生显著的差异[2-4]，当忽略非对称荷载作用时，则容易造成工程的浪费或风险[5]。针对非对称偏压荷载作用下的基坑变形特性，众多学者展开了研究分析。林刚等[6]建立了偏压基坑的有限元模型，对偏压基坑支护结构的受力与变形特性展开探讨，并与现场实测结果进行了对比验证；石钰锋等[7]依托某紧邻铁路的偏压基坑进行了现场实测研究，详细分析了围护结构的水平位移与弯矩，对偏压荷载作用下的基坑设计提出了建议。

本文依托长江漫滩地层中某线形基坑，对非对称荷载作用下的基坑围护结构变形规律展开研究，通过分析现场实测数据，并结合三维有限元模型模拟计算，分析非对称荷载的大小与距离对基坑变形的影响，以期为后续类似工程的设计施工提供参考。

1 工程概况

本项目位于南京长江大桥上游约5km，扬子江隧道江北出口。隧道全长1.6km，其中暗埋段长1.1km，隧道基坑宽为15.2～47.5m，深为0～9.6m，泵房部位加深。本项目为原有道路改扩建项目，路线整体走向为西北-东南，路线东北侧场地为农田及临时分流道路，荷载较大；路线西南侧场地为定向河。

工程场地主要为长江漫滩沉积地貌单元，地势较平坦，水系发育，河流纵横交错，人工及天然沟塘较发育。开挖深度影响范围内以深厚淤泥质粉质黏土为主，地下水位在地表下2.1～3.5m，地基主要土层分布及物理力学性质指标如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标

2 基坑周围环境及支护方案

本基坑东北侧为保障交通的新建临时道路，道路宽度约为10m，主要通行车辆为小型车与运载卡车，车辆密度中等。西南侧为定向河，河流距离基坑相对较远，本文主要考虑临时公路路堤荷载及车辆动荷载所带来的不对称荷载。根据地形特点，本基坑主要采用SMW工法桩加水平支撑的围护结构形式，并随隧道纵向开挖深度的变化做相应调整。基坑第1道水平支撑采用钢筋混凝土支撑，以确保支撑体系的整体稳定性，其余采用φ609mm钢管支撑，围护结构典型断面如图1所示。

图1 基坑围护结构典型断面

3 监测结果分析

鉴于隧道基坑的线形特点，选取两个典型断面展开分析，如图2所示。从图2可以看出，开挖初期，基坑两侧围护结构侧移量均较小，形状偏于悬臂形，随着支撑架设与开挖深度增加，两侧围护结构的墙体水平位移不断增大，位移曲线最终均表现为“大肚形”，最大侧移位置位于基坑开挖面下方。可以看出由于路堤荷载与车辆动荷载作用，偏压侧(图中左侧)的墙体位移均大于非偏压侧，另外可以看出非偏压侧的顶部发生了向坑外的位移，所得结论与文献[7-8]相符。另外，通过分析各工况下基坑墙体侧移的情况可以看出，墙体的变形具有显著的时间效应，在绑扎钢筋与浇筑底板阶段，基坑围护结构的水平位移明显增加，分析认为这主要与长江漫滩地区淤泥质粉质黏土的蠕变特性有关[9]，并且由于SMW工法桩支护结构的整体刚度偏低，在底板强度较低时对主动区土体蠕变的控制能力较弱。可见在深基坑施工过程中应及时浇筑底板，尽可能减少坑底暴露时间。

图2 基坑两侧围护结构深层水平位移曲线

图3反映了基坑不对称两侧最大侧移与开挖深度的关系，可以看出偏压侧最大侧移约为0.43%H(H为基坑开挖深度)，而非偏压侧约为0.32%H，偏压侧的最大侧移量约为另一侧的1.3倍，两侧不对称程度相对较低。姚爱军，石钰锋[10-11]也对偏压荷载作用下的围护结构最大侧移量进行了现场实测研究，发现偏压侧最大侧移量为非偏压侧的2～3倍，且非偏压侧顶部向坑外的偏移量较大，不对称程度明显大于本项目，分析认为这与本基坑的偏压荷载较小、基坑宽度较大、偏压荷载距坑边距离较远等因素有关。

图3 基坑两侧围护结构最大侧移与开挖深度关系

4 三维有限元分析

4.1 土体本构模型的选择

数值模拟分析中较为关键的问题之一是采用合适的本构模型和土层参数对土体性质进行模拟，本构模型选择不合理将无法得到准确的计算结果。Schanz[12]于1999年首次提出了土体硬化模型(HS)，该模型是以塑性理论为基础的双屈服面土体模型，如图4所示。该模型采用莫尔-库伦准则来描述土体的破坏行为，可同时考虑剪切硬化和压缩硬化，模型参数较多但均可由室内固结试验和三轴试验确定。土体硬化模型可以考虑土体非线性应力-应变关系，以及土体模量随围压提高而增加的特性，而且适用于多种土类的破坏和变形行为的描述。因而本文选用HS模型进行模拟计算。

图4 主应力空间中的土体硬化模型屈服面[13]

4.2 模型参数的确定

根据工程现场地质概况，将模型概化为4个土层，从上到下依次为：第1层为填土，厚度4m；第2层为黏土，厚度2m；第3层为粉质黏土，厚度5m；第4层为淤泥质粉质黏土，厚度10m。具体的土体参数如表2所示。根据基坑工程设计资料，本基坑支护系统中主要包括以下结构：支护桩、冠梁、钢筋混凝土支撑、钢支撑。支护桩主要是φ850@600 SMW工法桩，数值模拟时采用等刚度的板桩进行简化处理，简化后支护桩及其他支护结构主要参数如表3所示。

表2 各层土体模型参数

表3 支护结构材料参数

4.3 几何模型建立及模拟结果

本项目为明挖线形隧道基坑，全长1.6km，不同部位开挖深度不同，支护形式也随之调整。而中间段超过1 000m部分均为SMW工法桩结合2道支撑的支护形式，且开挖深度接近，本文选取其中150m进行三维模拟分析。采用PLAXIS 3D软件建立基坑典型段的三维模型，模型尺寸为150m×120m×40m，基坑尺寸为150m×40m×9m。在三维模型中基坑左侧15m处设置1排均布荷载，宽度为10m。根据文献[14]的建议，车辆荷载取10～30kPa，同时取1.3的动荷载系数，本文不考虑动力效应，综合本文的临时道路车辆通行情况，本文模拟中车辆荷载值取20kPa，另外根据路堤高度与重度对路堤荷载进行模拟。由于河流距离基坑较远，此处不作考虑。有限元结构模型如图5所示。

图5 有限元结构模型

根据基坑设计方案，遵循基坑分层开挖、边挖边撑的基本原则，设定如下施工步骤模拟实际施工过程：①第1步 施加公路荷载；②第2步 施工支护桩围护结构；③第3步 降水至3m深处；④第4步 开挖至2m深处；⑤第5步 施工冠梁和第1层支撑；⑥第6步 开挖至6m深处；⑦第7步 降水至7m深处；⑧第8步 施工第2层钢支撑，施加100kN预应力；⑨第9步 降水至10m深处；⑩第10步 开挖至-9.000m。

选取8～10号断面，将基坑两侧围护结构水平位移模拟计算结果与实测曲线进行对比，如图6所示。从图中可以看出，基坑两侧变形的模拟结果与实测结果较为接近，验证了所建三维模型的合理性。通过对比基坑两侧的实测与计算曲线可以看出，基坑偏压侧围护结构的深层水平位移明显偏大，并且由于偏压作用改变了另一侧围护结构的受力变形模式，使其上部产生了向基坑外侧的位移。

图6 围护结构变形实测曲线与计算曲线

4.4 荷载不对称程度对变形性状的影响

如前文所述，在基坑偏压荷载大小与距离不同的情况下，围护结构两侧变形的不对称程度也有所差异。下面，通过改变基坑偏压荷载的大小与偏压荷载与坑壁距离的大小，分析基坑两侧围护结构侧移的变化情况，研究荷载不对称程度对基坑围护结构不对称变形性状的影响。图7为荷载距坑壁15m时，不同荷载作用下基坑两侧围护结构深层水平位移曲线。从图7a中可以看出，随着偏压荷载的不断增加，围护结构的水平位移显著增加，侧移曲线一直表现为“鼓胀形”，且偏压荷载大小对最大侧移深度影响较小。从图7b中可以看出：基坑非偏压侧围护结构变形曲线与偏压侧有较大差异，主要体现在围护结构上部产生了向坑外的变形，并且随着偏压荷载的增加，墙体顶部向坑外的偏移量越来越大，而最大侧移量则不断减小。

图7 不同荷载作用下围护结构变形曲线

偏压荷载为40kPa时不同坑边距时基坑两侧围护结构变形曲线如图8所示。从图中可以看出，随着荷载与坑壁距离的增加，基坑偏压侧围护结构变形不断减小，而位移曲线的形状与最大侧移深度没有明显变化，并且随着深度增加侧移量变化相对较小。非偏压侧顶部向坑外位移随着坑边距的增加不断减小，而围护结构向坑内最大位移则不断增加。

图8 不同坑边距围护结构变形曲线

5 结语

本文依托南京长江漫滩地层中某非对称荷载作用下的线形基坑工程，开展现场实测与数值模拟研究，探讨了非对称偏压荷载对基坑两侧围护结构变形性状的影响规律，主要结论如下。

1)由于路堤荷载与车辆动荷载作用，偏压侧的墙体位移明显大于非偏压侧，另外非偏压侧的顶部发生了向坑外的位移。偏压侧围护结构的最大侧移量约为0.43%H，非偏压侧则为0.32%H，偏压侧水平位移约为另一侧的1.3倍。

2)长江漫滩相软土具有显著的蠕变特性，底板钢筋绑扎与混凝土浇筑期间围护结构侧移量较大，为保证基坑安全，应尽可能加快底板施工、缩短坑底暴露时间。

3)随着不对称荷载的增大及其与坑壁距离的减小，两侧围护结构不对称变形的程度增加，其中偏压侧水平位移增加，而非偏压侧顶部向坑外的位移也不断增大。