不对称桩撑支护深基坑受力特点及处理措施研究

周 创，李晓霖，李亚涛

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

1 概述

随着我国城镇化的加快发展，城市建成区规模不断扩张，地上空间日趋饱和，人地矛盾日益突出，城市的可持续发展面临着严重的空间资源制约。向地下拓展空间，是破解城市空间资源难题的重要手段。在进行地下工程建设时，综合技术、经济、安全等因素，明挖法开挖基坑是最普遍的一种方法。深基坑工程是其中非常重要的环节，也是风险最大的环节之一。钻孔灌注桩+钢支撑支护是深基坑施工中一种重要的支护方式，其利用内支撑可以直接平衡两端围护桩上所受的侧压力，构造简单，受力明确，无需占用基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体强度和刚度[1-4]，且支撑体系可重复使用，因此在深基坑工程中得到了大量的应用。桩撑支护体系由于其受力特性，对于基坑两侧的地层对称性要求较高。但在实际工程中，基坑两侧的地层经常出现差异较大的情况，在此类基坑中进行桩撑支护，会使得支护结构受力不平衡，基坑存在较大安全隐患。针对深基坑工程，姚爱军等[5]研究了不对称荷载对深基坑围护变形的影响，何锡兴等[6]研究了平面异形基坑的变形特征，张超[7]研究了土体顶部标高不同的不对称基坑变形特性，林刚[8]研究了不对称开挖深度下基坑的受力特点，但目前针对地层不对称基坑的桩撑支护研究还较为缺乏。

某综合管廊基坑工程为宽度较小、长度较大的纵向开槽式基坑，基坑深度为19 m，宽度为14.5 m，采用桩撑支护形式，围护桩直径800 mm，长27 m，间距1.3 m，支撑采用直径609 mm，壁厚16 mm的钢支撑，共设置五道支撑，第一道支撑水平间距为6 m，第二道～第五道支撑水平间距为3 m，桩顶进行2 m的放坡摘帽。在围护桩施作完毕、基坑开挖过程中，某一段基坑周边施工便道发生较大沉降，部分冠梁产生裂缝；经勘察补勘后发现该段基坑一侧为大范围疏松杂填土层，分布深度约19 m。此情况在原勘察阶段并未发现，导致设计未能采取特殊措施。受周边环境限制，基坑支护形式已不具备修改条件，若按原设计方案施工，会面临基坑发生大变形甚至失稳破坏的安全风险，故需要采取必要的措施以保证施工安全。

本文基于上述工程，首先利用有限元软件MIDAS GTS模拟分析了地层对称及不对称基坑的施工过程，比较分析了地层不对称基坑的受力特点；然后比较了针对地层不对称基坑工程的多种处理措施，提出了一种针对不对称基坑的处理方法，可为后续的设计施工提供借鉴。

2 不对称桩撑支护基坑的受力特点

2.1 模型建立

以上述综合管廊深基坑工程为基础，利用MIDAS GTS建立了二维地层-结构模型，分别模拟了对称及不对称基坑的施工过程，并进行对比分析。土体采用平面应变单元模拟，围护桩采用梁单元模拟，钢支撑采用桁架单元模拟，并考虑围护桩与土体之间的接触界面。围护桩及钢支撑采用线弹性本构模型，土体采用修正摩尔库仑本构模型。模型共划分12 757个单元，10 602个节点。模型左右边界约束水平位移，底部边界约束竖向位移。基坑外侧地面施加20 kPa超载，钢支撑上施加预加轴力。建立模型见图1,图2。

各层土的物理力学指标参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

2.2 计算结果分析

由于进行的是基坑施工的全过程模拟，计算过程较为烦琐，计算结果量大，选择开挖至第四道支撑以下、开挖至坑底两步工况作为典型工况，选取两种模型桩身水平位移、地表沉降、围护桩弯矩进行比较，分析不对称基坑的受力特点。图3～图8给出了典型工况下对称基坑与不对称基坑的结果比较，可看出土层对称的基坑在开挖过程中，其桩身水平位移、地表沉降、围护桩弯矩都呈现出良好的对称性，相反，一侧存在大量杂填土的不对称基坑，其结果完全不对称，且杂填土一侧的桩身水平位移、地表沉降、围护桩弯矩均远大于非杂填土一侧的数值。分析其原因，由于杂填土的物理力学参数远小于其对侧土体，其自稳能力更差，使得杂填土一侧土体传递至围护桩上的压力远大于对侧土体，导致杂填土侧的围护桩产生更大的水平位移，进而导致围护桩产生更大的弯矩和变形，地表产生更大的沉降，基坑两侧地层位移出现明显的不对称特性。此时如果还按照常规的基坑计算方法进行设计，将出现重大设计错误，引发工程事故。

将两种模型在两种工况下的桩身水平位移、地表沉降、围护桩弯矩的峰值整理得到表2，可以看出不对称基坑在两种工况下，桩身水平位移最大值、地表沉降最大值、围护桩弯矩最大值均远大于对称基坑的结果，因此在设计施工过程中，必须对不对称基坑采取一定的处理措施，以保证基坑的安全性。

表2 计算结果比较统计

3 不对称基坑的处理措施分析

3.1 分析工况简介

针对地层不对称基坑，为了保证施工安全，需采取必要的措施减小基坑的不对称性。对于本基坑，杂填土一侧地层疏松，物理力学性质差，应采取措施提高其物理力学参数，以减小基坑不对称性。常用工程措施有注浆、旋喷、搅拌等地层加固措施，对杂填土进行加固。由于地层加固范围直接影响加固工程造价，为了确定合理的加固位置、加固范围，本文利用MIDAS GTS对以下六种工况进行了模拟分析，加固土相关物理力学参数如表1所示。

1)基坑内外土体均不加固。2)加固基坑内所有杂填土。3)加固基坑外地表5 m以下，水平3 m内杂填土。4)加固基坑外地表5 m以下，水平5 m内杂填土。5)加固基坑外地表5 m以下，水平7 m内杂填土。6)加固基坑地表5 m以下，基坑内水平2 m，基坑外水平5 m内杂填土。模型简图如图9所示。

3.2 计算结果对比

选择开挖至坑底为典型工况，比较6种处理措施下的桩身水平位移、地表沉降、围护桩弯矩，以此分析各种加固措施的加固效果。图10～图12分别给出了6种处理措施下的桩身水平位移、地表沉降、围护桩弯矩对比图。图中注明了峰值水平位移、地表沉降和围护桩弯矩。

从图10～图12中可以看出，以基坑内外均不加固为基准，对基坑内部或外部杂填土进行加固，均可以减小桩身水平位移、地表沉降和围护桩弯矩。将各种工况下的结果与基准工况比较，得到各工况相对于基准工况的变化幅度如表3所示。

对比上述图中的工况(1)和工况(2)，可以看出对坑内所有杂填土的加固可较大幅度的减小桩身水平位移和地表沉降，但是对于围护桩弯矩的减小作用较小，减小幅度只有14.49%。

表3 位移、沉降、弯矩变化幅度表 %

对比上述图中的工况(1),工况(3),工况(4)和工况(5)，可以看出在只加固坑外杂填土的情况下，随着加固范围的增大，杂填土侧桩身水平位移、地表沉降和围护桩弯矩逐渐减小，且减小幅度较大；非杂填土侧桩身水平位移和地表沉降呈缓慢增大的趋势，围护桩弯矩呈缓慢减小的趋势。分析其原因，随着加固范围的增大，杂填土侧土体自稳能力逐渐提高，其对于围护桩的土压力逐渐减小，在对侧土压力不变的情况下，使得杂填土侧的桩身水平位移和地表沉降逐渐减小，对侧的桩身水平位移和地表沉降缓慢增大。在只加固基坑外5 m范围内杂填土的工况下，基坑两侧的桩身水平位移相差2.0 mm、地表沉降相差 2.4 mm、围护桩弯矩相差182 kN·m，差值均较小，说明在该工况下，基坑两侧土体对于支护结构的土压力值相近，基坑呈现出较好的对称性。

对比上述图中的工况(4)和工况(6)，可以看出在加固坑外土体的基础上再对坑内土体进行加固，可以减小基坑两侧的地表沉降和围护桩弯矩，但是减小幅度均较小。

4 结论

通过上述计算分析，对于两侧地层不对称的桩撑支护基坑，得到如下规律：

1)在一侧存在深厚杂填土的不对称桩撑支护基坑中，杂填土一侧的围护桩水平位移、弯矩和地表沉降均远大于地层对称基坑的相应数值，在设计施工过程中，须对不对称基坑采取一定的处理措施，以保证基坑的安全性。

2)对基坑内杂填土进行加固处理，可以明显减小围护桩水平位移和地表沉降，但是对围护桩弯矩影响较小。

3)对基坑外杂填土土体进行加固处理，可以明显地减小杂填土侧围护桩水平位移、弯矩和地表沉降，且随着加固范围的增大，杂填土侧的围护桩水平位移、弯矩和地表沉降逐渐减小，其对侧围护桩水平位移和地表沉降缓慢增大。存在一个合适的加固范围，可使得基坑呈现出较好的对称性。

4)同时对基坑内外杂填土进行加固处理的效果与只加固基坑外杂填土效果相差不大。

据此，本文得到结论如下：

1)对于两侧地层差异较大的不对称桩撑支护基坑，应对较差一侧的地层进行加固处理。

2)对较差一侧的地层进行加固处理时，可只加固基坑外部地层。通过计算选择合适的加固范围，可使得基坑受力、变形恢复一定的对称性。

由于桩撑支护基坑工程的大量应用，对于工程中两侧地层不对称的情况是难以避免的。本文对此进行了研究分析，得到了一定规律，并提出了针对性的处理方案，可为类似工程提供借鉴。