基坑周边堆载对土体变形的影响分析

侯明锋，刘金龙,，姚军，祝磊

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥 230022）

1 引言

在基坑开挖过程中，如果基坑两侧有大量土方不能及时运出而堆积于某处，或者在基坑开挖两侧临时堆放重物都会对基坑开挖造成一定的影响。如上海地区某基坑施工现场，由于在基坑一侧有大量挖方土未及时运出，导致对基坑支护结构造成破坏，进而造成基坑失稳塌方，由堆载触发基坑失稳的问题在各个地方造成的工程事故均有例可循，近年来这也引起了广大的学者和设计师的关注。

林刚通过有限元软件进行二维和三维建模，提出不平衡基坑优化设计的方法，对不平衡堆载作用下和不同挖深情况下桩撑式支护结构进行了算例分析。朱怀龙等针对基坑临时堆载的情况，依托某工程实例，运用有限元数值建模并结合实测数据，分析了坑外偏压荷载大小、荷载位置及荷载分布宽度对既有深基坑支护结构受力和变形的影响。孙永超软件模拟了有堆载和无堆载两种工况下软土地区深基坑开挖全过程，并分析了堆载对围护结构变形和地表沉降造成的影响。除此之外还有诸多学者对不均衡堆载的问题进入了深入探讨。

为此，本文基于有限元方法对比分析了在堆载大小和位置发生变化时基坑的变形情况。

2 有限元计算模型

2.1 工程概况

某车站主体总长度196.4m，标准段总宽度22.9m，标准段基坑平均开挖深度17.8m。车站采用地下两层双柱三跨岛式站台设计模式，主体结构为钢筋混凝土箱形框架结构。基坑围护结构设计采用Ф1000@1300 mm钻孔灌注桩+内支撑支护方案，第一道支撑为800mm×900mm的钢筋混凝土梁，第二、三道为钢支撑 (Ф609，壁厚t=16mm)。基坑围护结构、内支撑布置以及堆载位置如图1所示。

图1 基坑围护结构典型横断面示意图

根据地勘报告，从上至下各土层可分为①素填土、②黏土、③黏土、④全风化砂岩、⑤强风化砂岩、⑥中风化砂岩，采用小应变模型(Hs-small)对土体进行模拟，土层的计算参数见表1。

土层各项物理参数 表1

在有限元模型建立过程中，采用点对点锚杆单元模拟内支撑，用板单元模拟地下连续墙等效代替的围护桩，等效后的地连墙参数为弹性模量为 4×107MPa；泊松比 v=0.167，EA=23.04×10kN/m，抗弯刚度EI为1.13×10kN/m。厚度为0.8m。内支撑具体参数见表2。

内支撑物理参数 表2

2.2 有限元模型建立

基于该车站工程概况建立了有限元软件分析模型，为减小模型边界效应的影响，模型边界取至基坑深度的3～5倍，模型 X轴方向取 100m，Y轴方向取50m。有限元整体网格划分，见图2。

图2 基坑有限元网格划分

在基坑未施加堆载作用下，基坑开挖到底后对该基坑围护结构水平位移的监测值和软件模拟值进行对比分析，结果如图3所示。

图3 围护结构水平位移对比图

基坑开挖到底后，围护结构水平位移监测值最大为12.67mm，位于距桩顶8m处；本文数值模拟后的水平位移最大值为11.83mm，两组数据误差为6.6%。围护桩模拟数据曲线虽然波动较为明显，但是整体发展规律与变形实测曲线结果基本一致，可以验证该基坑有限元计算的正确性。

3 堆载大小的影响分析

3.1 围护结构水平位移分析

在基坑开挖到底，堆载P不同取值时基坑围护结构水平位移分布见图4所示。在开挖至基底-17.8m，最大水平位移由P=20kPa时的7.41mm增加到P=80kPa时的18.76mm。且在堆载值较小时该侧围护结构水平位移最大值在距桩顶14m处左右，堆载值增大后，最大值位置上移至桩顶附近位置。

图4 开挖至底时堆载侧围护结构水平位移

在同一开挖深度下，围护结构水平位移随着堆载的增加而增加，如图5所示。

图5 堆载对围护结构水平位移最大值的影响

3.2 地表沉降分析

在不同开挖深度下，随着堆载的逐渐增大，基坑该侧的周边地表沉降值如图6所示。

图6 基坑开挖至底堆载侧地表沉降

由图6可以看出在开挖深度一致的情况下，地表沉降随着堆载的增加而增加.基坑开挖至-17.8m时地表沉降值由P1=20kPa时的 5.46mm增加到P4=80kPa的25.12mm。最大沉降值在距基坑边缘6～8m左右。

3.3 土体水平位移

图7给出了基坑开挖后土体水平位移的等值线分布情况。由土体水平位移等值线分布图可以看出，开挖到底后基坑两侧土体水平位移方向指向开挖工作面。结果表明，无堆载时土体水平位移最大值的位置位于围护结构顶部坑壁土体中，随着堆载的逐渐增大，当堆载值增大到80kPa时，土体最大水平位移值位于围护结构后方的土体中。

图7 土体水平位移等值线分布图(单位：mm)

4 堆载位置的影响分析

4.1 围护结构水平位移分析

基坑开挖到底后，在恒定P=20kPa堆载作用下，围护结构水平位移随着堆载位置变化而变化，具体趋势如图8所示。

图8 开挖至底堆载侧围护结构水平位移

可见，堆载位置的变化对围护桩顶的水平位移影响较大，对围护结构深层水平位移影响较小。随着堆载不断远离基坑边缘，基坑开挖过程中，桩顶水平位移不断减小，由L=3m时的7.22mm减小至L=6m时的5.61mm。四种堆载位置不同条件下桩顶水平位移最大值为7.4mm，在距桩顶14m位置左右。

4.2 地表沉降分析

在堆载距基坑边缘位置L=3m、4m、5m、6m四种作用情况下，堆载侧地表沉降如图9所示。可知，随着堆载距坑边缘位置的不断增大，堆载侧地表沉降值不断减小，且最大沉降值位置不断远离基坑。

图9 L改变下基坑开挖到底堆载侧地表沉降

由图10可以看出L=3m时地表沉降最大值为6.89mm，在距基坑边缘5m左右。L=6m时最大值为4.53mm，在距基坑边缘8m左右。

图10 堆载位置对最大地表沉降值的影响

4.3 土体水平位移

图11给出了堆载距坑边3m时的土体水平位移等值线分布情况，施加堆载和不施加堆载侧的土体水平位移方向都指向开挖面。其中堆载侧最大水平位移在围护结构顶部后方的土体中。右边未施加堆载一侧水平位移最大值为5.12mm，在距坑底不远处的围护结构侧壁土体中。

由图11(a)、(b)对比看出堆载相同情况下，距坑边距离不同对堆载侧土体水平位移无影响，但是随着距离增加，水平位移最大值位置逐渐下移。

图11 土体水平位移等值线分布图(单位：mm)

5 结论

①堆载位置不变时，堆载侧围护结构水平位移随着堆载的增加而增大，且水平位移最大位置随着堆载的增加而逐渐上移至桩顶位置。堆载侧土体水平位移随着堆载的增加而增大，最大位移位置逐渐上移至基坑顶部附近。

②堆载位置不变时，堆载侧周表沉降随着堆载的增加而增大，但地表沉降最大值位置变化差异不大。

③堆载大小不变，随着堆载到坑边距离增加，桩顶水平位移不断减小，围护结构深层水平位移不受堆载位置的影响。堆载到坑边距离变化对堆载侧土体水平位移无明显影响。

④堆载大小不变，最大地表沉降值随着堆载距离的增大而减小，最大沉降值位置向偏离基坑位置方向增加。