非对称荷载涉水深基坑开挖全过程分析

洪 星

(江西省农投信息科技有限公司，江西 南昌 330000)

1 引言

随着城市的快速发展，地下空间的开发和利用价值不断攀升，地铁、地下商场、车库等大规模工程建设使得深基坑工程越来越多，涉水深基坑工程施工全过程中的变形和稳定性问题越开越受到工程建设者的关注。蒙国往[1]等通过数值模拟得出，随着基坑不断开挖，支护结构上水平位移逐渐增大。路林海[2]等提出将支护措施与主体结构相结合可减少基坑开挖变形。李哲[3]等通过现场实测数据分析了地下连续墙支护基坑施工全过程变形特性。鲁泰山[4]等通过数值模拟分析了基坑开挖深度对坑底土体扰动的影响。楼春晖[5]等通过现场实测数据分析得出，基坑边角可限制支护结构变形。李航[6]等通过数值模拟并结合现场监测数据得出，控制基坑变形不能忽视支护结构刚度和边界条件变化。王龙[7]等通过数值模拟分析得出，增加围护桩插入比对上覆新填土软土深基坑坑底隆起控制效果不理想。林之航[8]通过分析上软下硬的深基坑得出，该类基坑最大侧移位置深度上移。于至海[9]等结合数值模拟分析提出了一种软土深基坑开挖超前加固控制支护结构位移的方法。程雪松[10]等通过大量计算得到了修正传统圆弧滑动法滑动半径的对数表达式及其系数。本文通过数值模拟分析非对称荷载涉水深基坑开挖全过程中土体及支护结构变形。

2 工程简介

某水利工程配套建筑在施工过程中，需开挖深基坑，开挖深度6 m，宽度10 m，拟采用地下连续墙支护，其中墙高度9 m，厚为0.35 m，混凝土设计强度等级采用C40，施工荷载作用在距基坑2 m 以外，其中基坑左侧荷载为2 kN/m2，右侧荷载为4 kN/m2。土层分布为:素填土，厚度3 m;3 m 以下为砂土。稳定水位埋深为1.4 m～2.7 m，场地地下水不具有腐蚀性。

3 数值模型

考虑到该问题不具有典型的对称性，取全断面予以分析，同时视为平面应变问题。为了使数值模拟与基坑实际开挖一致，深基坑模型开挖宽度取10 m，深度取6 m。为消除边界影响，模型边界取宽度20 m，深度12 m。采用地下连续墙支护(采用板单元模拟地下连续墙)，其中墙高度9 m，厚为0.35 m，混凝土设计强度等级采用C40。不考虑配筋对地下连续墙墙体弹性模量的影响，取弹性模量32.5GPa 计算。土层及支护结构计算参数见表1 和表2。施工荷载作用在距基坑2 m 以外，其中基坑左侧荷载为2 kN/m2，右侧荷载为4 kN/m2。地下水位取为2.0 m。数值模型边界变形条件为:模型左、右两侧水平方向位移为零，允许发生竖向变形，底部为固定边界(不允许发生变形)。有限元模型见图1。

表1 土层参数

表2 支护结构计算参数

图1 有限元模型示意图

按基坑实际开挖过程进行模拟:

工况一:平整场地，添加荷载并施工地下连续墙。

工况二:基坑开挖至-3 m。

工况三:基坑开挖至基底-6 m。

4 数值模拟分析

4.1 基坑内外侧土体竖向变形分析

由图2 可知，随着基坑的开挖，地下连续墙的作用不断发挥，基坑外侧土体变形受基坑开挖影响较小;基坑内侧土体由于受到开挖卸荷的影响，土体竖向变形量不断减小且有向上隆起的趋势。

图2 基坑内外侧土体竖向变形

4.2 非对称荷载作用下地下连续墙水平方向位移分析

由图3 可知， 左侧地下连续墙上的最大位移分别为0.28 mm、4.28 mm、10.2 mm，即随着基坑的逐步开挖，地下连续墙上的最大位移逐渐增大且指向基坑内侧，墙的支护作用逐渐发挥，且随着基坑的开挖，地下连续墙逐渐处于悬臂状态，最大位移均处于墙顶。

图3 左侧地下连续墙水平方向位移

由图4 可知， 右侧地下连续墙上的最大位移分别为0.3 mm、4.53 mm、10.6 mm，即随着基坑的逐步开挖，地下连续墙上的最大位移逐渐增大且指向基坑内侧，墙的支护作用逐渐发挥，且随着基坑的开挖，地下连续墙逐渐处于悬臂状态，最大位移均处于墙顶。

图4 右侧地下连续墙水平方向位移

由图3 和图4 分析可知，受基坑两侧非对称荷载的影响，同一工况下右侧荷载(大荷载)作用下地下连续墙上最大位移均大于左侧(小荷载)且同一工况及同一深度下右侧荷载(大荷载)作用下地下连续墙上位移均大于左侧(小荷载)。因此，实际工程设计和施工过程中不应忽视基坑两侧非对称荷载带来的支护结构上差异变形影响。

5 结论

(1)坑外水位变化不大时，随着基坑的开挖，地下连续墙的作用不断发挥，基坑外侧土体变形受基坑开挖影响较小;而基坑内侧土体由于受到开挖卸荷的影响，土体竖向变形量不断减小且有向上隆起的趋势。

(2)坑外水位变化不大时，随着基坑的开挖，基坑左、右两侧地下连续墙上的最大位移逐渐增大且均指向基坑内侧，墙的支护作用逐渐发挥，且随着基坑的开挖，地下连续墙逐渐处于悬臂状态，最大位移均处于墙顶。

(3)受基坑两侧非对称荷载的影响，同一工况下右侧荷载(大荷载)作用下地下连续墙上最大位移均大于左侧(小荷载)且同一工况及同一深度下右侧荷载(大荷载)作用下地下连续墙上位移均大于左侧(小荷载)。因此，实际工程设计和施工过程中不应忽视基坑两侧非对称荷载带来的支护结构上差异变形的影响。