建筑基坑變形及支撐結構設計研究

曾曉云

(石河子大學建筑工程學院，新疆石河子832000)

基坑開挖是一個土體卸載的過程，在此過程中，土體的彈性模量、壓縮模量也在變化。在卸載過程，由于存在土壓力，圍護結構的土應力差值在變化［1］，會造成地下連續墻產生向坑內的側向位移。隨著基坑不斷開挖，圍護結構變形量在增加、變形最大量位置也在變化。王印昌［2］在圍護結構受力分析中采用了反分析法，通過彎矩分析得出地連墻變化規律;李剛［3］根據地鐵深基坑監測數據給出了變形特征。但二者只研究了地連墻的變形特征，并沒給出影響因素以及地連墻的厚度參考值。圍護結構變形的影響因素中有土層的物理性指標也有力學指標。本文利用計算軟件PLAXIS分析地連墻變形影響因素，提出一些控制變形的建議。

1 工程概況

武定門站位于秦淮河古河道地貌單元區，巖土層分布不均勻。受人類活動影響，填土層厚度較大，為3.1～5.2 m，車站南端和中南部局部地段分布有淤泥、淤泥質填土。填土層組成物的均勻性變化大，密實度差，具有強度低、壓縮性高、滲透性不均勻的特征。

從上到下土層為雜填土、素填土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉土、粉質粘土、粉土夾粉質粘土、粘土、風化巖石。場地地下水類型主要為淺層潛水、微承壓水和基巖裂隙水。南京地區地下水位最高一般在7～8月份，最低多出現在旱季12月份至翌年3月份。本工程初、詳勘外業施工時間和利用勘察資料的外業作業時間在1～4月和11～12月，期間量測的潛水穩定水位在地面以下1.4～2.4 m，高程為7.77 ～8.33 m(吳淞高程系)，水位起伏和地形起伏基本一致。水位受季節性變化影響較大，年變化幅度在0.5～1.0 m左右。淺層潛水含水層包括①人工填土、中－晚全新世沖淤積成因的②－1c3+b3－4層粉土與粉質粘土互層和②－2b3－4層粉質粘土－淤泥質粉質粘土。

車站內部結構為鋼筋混凝土箱型結構，采用地下連續墻+內支撐的支護結構，采用1 000 mm地下連續墻加6道內支撐支護形式，選取標準段地連墻作為研究對象，地連墻長度約為26 m，進入中風化巖層≥1.5 m。第一道與第四道水平支撐采用900 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其余三道采用壁厚為16 mm，直徑為609 mm的鋼支撐。

2 監測結果對比分析

2.1 地下連續墻、土體深層水平位移

主體圍護結構、土體的深層水平位移是利用測斜儀通過事先埋入結構或土體中的測斜管，測出開挖過程結構或土體的變形情況。主體圍護結構、土體的變形是反映基坑開挖狀況最直觀、最可靠，也是最重要的指標之一，其變形的增大始終是基坑施工中關注的關鍵［4－5］。本文主要以標準段上一個監測斷面為分析對象，該斷面上墻體深層水平位移測點為ZQT05，該斷面深層水平位移測點監測情況如圖1所示。

從圖1中可以看出:(1)深層水平位移曲線呈現為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，這是因為第一道混凝土支撐剛度大，墻頂幾乎沒有位移，隨著基坑的開挖，墻體腹部向坑內移動，而墻底進入風化巖層，地下連續墻底部幾乎不發生位移。因此，地下連續墻側移曲線呈現拋物線形;(2)最大側移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移，基坑開挖過程中圍護墻在兩側壓力差的作用下產生水平向位移，在開挖面附近壓力差最大，因此最大側移位置一般位于開挖面附近。而實測值中，開挖超過23 m之后最大側移位置不再下降，這是因為武定門站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主，而20 m以下為性質較好的粘土。在開挖粉砂土層時上部連續墻體就已經產生較大變形，開挖至坑底時反而產生的變形較小。而且基坑第四道支撐采用混凝土支撐，剛度較大，而且剛性連接可以增加圍護體系的整體剛度，減小連續墻體的變形。因此，易變形土層的深度以及支撐形式的選擇都會影響連續墻體最大變形位置，在開挖易變形土層時注意對連續墻體變形的控制以及深層支撐適當選擇混凝土支撐，這對減少基坑整體變形有重要意義;(3)基坑暴露時間越長，變形增長越快。開挖18～23 m之間土層用了46天，開挖至23 m變形明顯增加;第五道支撐架設完成后15天之內開挖至坑底，所以開挖至26 m變形趨于平緩。由此可見暴露時間對基坑變形有著重要的影響，這也符合時間效應原理［6］。

2.2 圍護墻頂豎向位移

本工程中圍護墻頂沉降測點緊鄰位于地下連續墻深層水平位移測點，本文選擇測點ZQC07、ZQC16作為分析對象，基坑施工開挖期間這兩個測點位移變化曲線如圖2。

圖2中位移變化可分為四個階段:2012年7月至2012年10月，累計位移曲線呈上升趨勢;2012年10月至2012年12月，累計位移曲線呈下降趨勢;2012年12月后變化趨于穩定。從這兩個測點的變化曲線可以看出在開挖期間圍護結構的變化比較一致。圍護墻頂豎向位移測點ZQC07和ZQC16在2012年6月至2012年10月處于上升階段，最大上抬量分別為3.11 mm和3.56 mm，這是由于基坑的開挖卸荷引起坑底土體回彈，以及地下連續墻一側土體側限的解除，從而帶動所有的地下連續墻向上位移。自2012年10月以后圍護樁頂的變形處于下沉階段并逐漸趨于穩定，這是因為2012年10月后基坑已開挖約20 m，接近坑底，隨著混凝土底板澆筑使土體荷載增加，并隨著下部結構的施工，基礎底板和每層結構梁板剛度形成后對圍護樁產生有效的約束，結構自重的不斷增加，基底以下被動區的土體回彈受到限制并產生少量壓縮變形，故圍護墻整體發生下沉，并最終趨于穩定。

2.3 坑外地表沉降

本文選擇DB07和DB16斷面共6個測點作為分析對象，施工開挖期間坑外地表沉降曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出:(1)隨著基坑開挖深度增加，地表沉降加大，從2012年8月開始開挖至2012年12月底開挖至26 m，沉降曲線呈波動下降形式，當底板澆筑完成后，曲線下降走勢出現拐點，呈平緩直線;(2)地表沉降最大位置并非距基坑最近的地方，坑外地表沉降形態呈“凹”字型。每個監測斷面上沉降監測點與基坑距離依次為2、5、10 m，從監測數據可以看出，距基坑邊10 m的測點累計變化量最大，說明本基坑周邊土體沉降呈“凹”形特征;(3)圍護結構暴露的時間越長，坑外地表沉降變化越大，開挖18～23 m之間土層用了46天，DB07斷面地表沉降增加了63.6% ～71.4%，DB16斷面地表沉降增加了 64.3% ～73.1%，第五道支撐架設完成后15天之內開挖至坑底，DB07斷面地表沉降增加了4.1% ～8.3%，DB16斷面地表沉降增加了1.9% ～9.5%，基坑暴露時間越長，地表沉降增長幅度越大，這一變形現象也與地下連續墻變形形狀相符合;(4)車輛荷載會加大地表沉降，DB16斷面位于工地圍擋外太平北路上，交通流量大，在車輛荷載作用下地表沉降明顯大于位于基坑內的DB07斷面。

3 分析模型建立與計算分析

3.1 土體模型

本文截取武定門站主體結構基坑標準段一個平面進行模擬［7－8］，基坑標準段寬22 m，開挖深度為26 m，地下連續墻深度34 m。根據經驗，基坑影響范圍為開挖深度的2～3倍，而且為了減小邊界條件對結果的影響，需要選擇較大的邊界。由于基坑在寬度方向上幾何對稱，因此在建立有限元模型時只需要選擇基坑寬度的一般即11 m進行分析。因此，本文土體邊界寬71 m，深50 m。

根據工程地質勘探報告，以及相關工程地質手冊，將土體分為8層，巖層分為2層。土層及巖層計算參數見表1。

3.2 計算模型的建立

根據以上說明，有限元模型中，土體采用15節點三角形單元［9］模擬，地下連續墻采用板單元模擬，地下連續墻與附近土體的接觸面采用10節點Goodman單元模擬，支撐采用錨錠桿模擬。網格生成過程基于可靠三角剖分原理，通過搜索最優三角形單元來生成非結構性的網格，PLAXIS軟件中可以自動生成有限元網格。圖4為有限元幾何模型。

4 數值模擬計算結果與實測值對比分析

根據地下連續墻的受力情況，可以更好的理解地下連續墻的變形情況以及橫向支撐與地下連續墻的相互作用［10］，圖5 為第三、五、七、九、十一施工步中地下連續墻的彎矩圖，圖中地下連續墻右側為基坑。

表1 武定門站主體結構基坑土層計算參數Tab.1 Calculation parameter of foundation pit soil of body structure in Wuding gate station

從圖5可以看出，基坑開挖8 m時由于未架設支撐，地下連續墻呈懸臂結構，此時在開挖范圍內，上部地下連續墻向基坑內彎曲，即內側受拉，而在開挖面之下，未被開挖的土體起到了支撐作用，支撐點以下連續墻外側受拉;當基坑架設支撐繼續開挖之后，地下連續墻內側受拉區域隨著開挖深度的增加而擴大，而且彎矩大小也隨之增大，彎矩極值增加了220 kN·m左右，而在7 m深的位置由于架設一道鋼支撐，有效的減小了彎矩;當基坑開挖到18m時，地下連續墻內側受拉范圍繼續擴大，此時7 m深處出現正彎矩，說明第二道鋼支撐正有效的發揮作用;當基坑開挖到23 m時，連續墻內側受拉區域繼續增加，而且彎矩極值也增加到1 080 kN·m，與第二道、第三道支撐假設后對地下連續墻的彎矩影響相比較，17 m處第四道支撐假設后，17 m以上位置地下連續墻的彎矩減小更為明顯，說明混凝土支撐的效果更好，因此當基坑穩定性要求較高時可以適當增加一道混凝土支撐;當基坑開挖至26 m時，地下連續墻17 m以上部分彎矩變化不大，17 m以下內側受壓區域繼續增大，而且彎矩極值繼續增大。

本文實測值為接近基坑長邊中部位置的一個測斜監測點的不同開挖深度下的地下連續墻深層水平位移實測值，計算值取第三、五、七、九、十一施工步的結果并加以整理。圖5為開挖至26 m時計算值與實測值的對比。計算得到的深層水平位移曲線呈現為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，而且最大側移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移。

開挖26 m深時地下連續墻最大側移計算值為49.29 mm，位于墻頂以下24 m;而監測結果表明地下連續墻最大水平位移為53.59 mm，位于墻頂以下21.5 m。計算得到的地下連續墻水平位移最大值位置較實測值略小，誤差在8%左右，地下連續墻水平位移分布模式以及數值大小與實測結果比較符合。上述數據對比分析表明，此實例參數的選擇具有較高的可靠性。

隨著開挖深度的增加，彎矩極值的位置也隨之下移，而且除開挖8 m深時，極值位置一般位于開挖面以上0.5～1.5 m，這與地下連續墻側移最大值位置隨基坑開挖深度的增加而下移，而且側移最大值位置位于開挖面附近的現實情況是相符合的。

綜上可見，橫向支撐可以有效減小地下連續墻的彎矩，采用混凝土支撐效果更加明顯;但是地下連續墻受拉區域主要受開挖深度的影響，支撐的影響不大;本文建立的有限元模型地下連續墻彎矩計算結果符合實際情況。

5 結論

1)計算得到的深層水平位移曲線呈現為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，而且最大側移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移。

2)橫向支撐可以有效減小地下連續墻的彎矩，采用混凝土支撐效果更加明顯;但是地下連續墻受拉區域主要受開挖深度的影響，支撐的影響不大;本文建立的有限元模型地下連續墻彎矩計算結果符合實際情況。

［1］劉建航，侯學淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［2］王印昌.地下連續墻變形—內力的反分析方法［J］.中國市政工程，2008(7):32－36.

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