不同偏压高度对基坑围护结构的影响分析

不同偏压高度对基坑围护结构的影响分析
［摘要］以深圳地铁五号线五和站为工程依托，采用现场实测及数值分析等手段对偏压基坑围护稳定性进行研究，进一步分析不同偏压高度对围护结构的影响，得出一些有益的结论，对以后类似工程有一定的参考意义。

［关键词］偏压基坑; 数值分析; 现场实测; 稳定性
0 引言
20 世纪90 年代以来，基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，设计理论、计算方法得到不断改进，施工工艺取得长足的进步。

但基坑工程是多种因素交互影响的系统工程，仍存在着大量亟待解决的问题，依然是我国工程界关注的热点问题之一［1］。

随着城市建设的发展，国内外偏压基坑并不少见，但是针对非对称偏压基坑研究较少［2］，对不同偏压高度对基坑围护结构的影响研究更少。

本文以深圳地铁5 号线五和站偏压段为依托，对不同偏压高度对基坑围护结构影响进行分析。

1 工程概况
深圳地铁5 号线五和站位于布龙公路和五和南路交叉口桥下南侧，平行于布龙公路，与五和南路呈“+ ”状布置。

车站起讫里程为DK23 + 819．49 ～DK24 + 073．84，长度为254．4 m，净宽为21．4 m，最宽处达31 m。

车站底板埋深平均约19 m，最深处达25 m。

车站采用明挖法施工，主体围护结构采用Ф1 200 mm 钻孔桩+Ф600 mm 旋喷桩进行支护和止水。

标准段基坑竖向设4 道支撑，局部设5 道支撑，支撑采用Ф 600 圆钢管支撑，支撑水平间距一般3 m，标准断面图见图1［3］。

车站东区布龙公路路基高出基坑0 ～8 m，设计上对该段路基采用钻孔桩+ 预应力锚索进行预加固，本文讨论路基偏压对基坑围护结构的影响，把路基偏压简化成荷载作用在基坑边上，因此图1 中未画出预应力锚索。

图1 中可以看出，该断面基坑开挖宽度为21．4 m ，深度约为18．5 m，围护结构深度约26 m，嵌入深度7．5 m，钻孔揭示自上而下的地层分别为: 素填土6．2 m 厚，砾质粘性土12．2 m 厚，全分化花岗岩7．1 m 厚，强分化花岗岩及微风化花岗岩。

2 数值分析
2．1 模型建立
运用大型商业有限差分软件FLAC2D［4］进行计算分析，土体采用实体单元模拟，钻孔桩及支撑采用梁单元模拟，同时考虑空间不连续效应，围护结构同地层之间接触简化为共节点一起变形。

模拟中岩土体物理力学材料参数选自深圳地铁五和站深基坑地质钻孔勘察报告。

采用平面应变模型，为保证模型边界不受基坑开挖和平南铁路的影响，沿模型X 方向取121 m，沿Y 方向由基坑顶部向下取60 m。

左右两侧水平方向位移约束，底面竖直方向位移约束，模型建立计算网格如图2 所示。

按照规范考虑20 kPa 的地面超载，路基偏压转换为荷载作用在基坑边上。

2．2 参数选取
模拟中岩土体物理力学材料参数以深圳地铁五和站深基坑地质钻孔勘察报告［5］为依据，参数具体选取见表1 所示。

2．3 模拟工况
为详细分析不同偏压高度情况下，基坑围护结构变形及受力特征特，选取偏压高度分别为0、4、8、12、16、20 m 共6 种计算工况，其中偏压高度8 m 情况为五和站实际偏压高度，偏压荷载距离基坑边上为5 m，为简化计算且计算结果有较好的比较性，偏压荷载统一按照密度 1 800 kg/m3的自重土柱压力换算，换算荷载见表2 所示。

2．4 模拟步骤
严格按照设计施工步骤建立模型，进行如下计算: ①重力作用下，弹性模型下计算平衡，生成围护桩;
②开挖第一层3 m 至第一道支撑下0．5 m，计算平衡; ③架设第一道钢支撑，开挖第二层至深度7 m，计算平衡; ④架设第二道钢支撑，开挖第三层至深度11 m，计算平衡; ⑤架设第三道钢支撑，开挖第四层至深度16 m，计算平衡; ⑥架设第四道钢支撑，开挖第五层值基坑底18．5 m，计算平衡。

3 结果分析
本文讨论不同偏压荷载对围护结构的影响，下面将从桩体水平位移，弯矩、内撑轴力等3 个方面进行分析。

3．1 水平位移分析
模拟参数的选取是根据地质勘察报告选取，并结合已有经验进行稍微的调整，为了说明模拟的可行性，特将工况三( 实际偏压高度) 同实测桩体水平位移进行对比，如图3 所示。

图3 中能看出，实测值比模拟值稍大，基本规律基本一致，紧邻偏压侧桩体水平位移大于远离偏压侧桩体水平位移，且整体上向非偏压侧偏移; 且水平位移最大值相当，远离偏压侧最大水平位移实测值为－11．8/21．1 mm，紧邻偏压侧桩体最大水平位移实测值为35．7 mm，模拟值大小见表3 所示，因此参数选取具有较好的可行性。

本文水平位移负值表示向基坑外侧，正值表示向基坑内侧。

六种不同偏压0 高度对围护结构水平位移的影响可以通过图4 初步看出，工况一无偏压，因此围护结构变形对称，都向基坑内运动，在所处地质条件及原设计围护结构情况下，桩体变形模拟值为13．5mm; 在地质及支护条件不变的情况下，随这偏压高度的不断增大，围护结构的整体偏转程度也不断增大，水平位移最大值位置位于最上部，需要指出当偏压高度达12 m 时，原有的设计支护强度已难以保证基坑的稳定，围护结构发生如表3 所示的大变形，工程上是不允许的，图4 中针对16 m、20 m 的高偏压引起的紧邻偏压侧桩体大变形没有画出。

3．2 弯矩分析
不同的支护形式，围护结构弯矩规律是不同的，钻孔桩加内撑式的相对是刚性支护，围护结构受力相对较大，因此桩体弯矩直接影响围护结构安全，不同偏压高度对桩体弯矩影响对设计有现实指导意义。

表4、表5 列出了各工况桩体弯矩变化情况。

表4 中可以看出，不存在偏压时，原设计支护结构弯矩最大值较小，仅有371 kNm，当存在偏压时远离侧最大值有所减小，偏压高度达16 m 以上时有所增大，但增长比例不大; 紧邻偏压侧桩体弯矩随着偏压高度增大不断增大，偏压高度达12 m 时，增长速率加剧。

计算结果说明原设计在小偏压( 8 m) 情况下，基本上能保证基坑围护结构的稳定性，桩体受力不至于太大，但是当偏压高度达一定值时，原设计难以保证基坑安全，必须针对偏压做出非对称设计，甚至需要对基坑两侧地层进行加固。

3．3 内撑轴力分析
内撑轴力是评价基坑围护结构稳定性的重要指标之一，不同偏压高度对不同深度内撑轴力的影响不同，见表6、表7。

无偏压情况下，各撑轴力不大，第三道支撑轴力最大，为1 046 kN，偏压高度为4、8 m 时，各撑轴力增长比例相当，分别为1．2、1．6，偏压高度持续增大时，个内撑轴力开始急剧增长，第一道支撑增长最快，偏压高度20 m 时，增长比例达4 倍。

计算结果说明，该基坑第三道支撑轴力最大，施工中应特别注意第三道支持架设的及时性，偏压达一定高度时，对第一道支撑影响最大，设计应考虑将第一道支撑设计成混凝土支撑。

4 结论
通过上述对比分析，可得出以下结论:
①偏压基坑围护结构变形特征和无偏压基坑不同，偏压基坑围护结构视偏压荷载的不同，向非偏压侧发生不同程度的偏转，偏压荷载越大，偏转程度越大;
②偏压基坑围护结构受力特征表现为，紧邻偏压侧围护结构受力较远离偏压侧要大。

随偏压高度增大，紧邻偏压侧弯矩增大迅速，远离偏压侧桩体弯矩，当偏压荷载较小时稍有减小，当偏压荷载较大时增大;
③随着偏压高度增大，支撑轴力也不断增大，但不同位置支撑增大程度不同，当偏压荷载足够大时，第一、二道支撑轴力增大较第三、四道内撑快。

当偏压高度增长大一定值时，内撑轴力增大速度有加大趋势，因此在偏压高度较大时，应特别注意保证支撑的及时施做，尤其是深层支撑;
④由于远离偏压侧围护结构受力随偏压高度增大变化不大，因此偏压高度较大时，设计上不对远离偏压侧围护结构加强，也能保证安全，同时做到节约成本。

［参考文献］
［1］刘建航，侯学渊．基坑工程手册［K］．北京: 中国建筑工业出版社，1996．
［2］唐文鹏．非对称偏压基坑的设计浅谈［J］．湖南交通科技，2008，2( 34) : 136 －139．
［3］中铁第四勘察设计院集团有限公司，深圳地铁 5 号线民治站设计图［Z］．武汉: 2008．
［4］Itasca Consulting Group Inc．FLAC2D．Users manual［Z］．USA:Itasca Consulting Group Inc．，2005．
［5］中铁第四勘察设计院集团有限公司．岩土工程勘察报告［R］．武汉: 2008．。