魏焕卫，孙元硕，尚文涛

(山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101)

随着我国城市建设以及地下空间工程的发展，基坑规模越来越大，出现了大量深基坑工程，基坑工程的安全问题尤为重要，控制基坑变形是基坑设计和施工的核心问题。

目前，众多学者通过工程实测数据与数值模拟研究了不同支护下的基坑变形，并总结出影响基坑变形的因素。熊智彪等[1]、张钦喜等[2]通过桩锚支护现场监测数据研究其变形特性，总结了桩锚支护下桩体位移、地表沉降的变化规律。侯玉杰等[3]、蒋波等[4]根据实测数据研究了内支撑支护体系下桩体变形以及支撑轴力的变化。张明聚等[5]、帅红岩等[6]、李磊等[7]利用三维有限元软件对内支撑支护体系进行数值模拟与实测对比，研究了支撑刚度变化下内支撑与围护桩体组合体系下基坑变形，总结了内支撑体系下基坑的变形规律。以上主要研究了在对称荷载下基坑围护结构的变形特性，然而不规则内支撑基坑开挖引起的非对称荷载对围护结构变形特性的影响与对称荷载下有很大不同，姚爱军等[8]、孙志浩等[9]、林刚等[10]通过工程实际数据与数值模拟，分析了不对称荷载下深基坑内支撑支护桩体深层水平位移及弯矩的变化。徐长节等[11]通过数值模拟研究了基坑在不同挖深差以及挖深分界面位置不同时产生的不对称荷载对基坑两侧地表沉降变化的影响。对于内支撑支护体系，不规则基坑开挖引起的不对称荷载对围护结构的影响文献较少，有待进行深入研究。

本文以某深基坑工程实例为背景，根据实际监测数据探讨不规则内支撑基坑开挖引起的不对称荷载对深基坑内支撑桩体水平位移变化规律的影响，最后通过PLAXIS 3D数值模拟，研究不规则基坑开挖下桩体深层水平位移的变化，模拟数据与实测数据吻合较好，并在此模型基础上在荷载较小一侧坡顶施加土体堆载，研究基坑两侧桩体深层水平位移及弯矩的变化。

1.1 工程场地与地质条件

拟建工程位于北海经济开发区张东公路(311省道)与滨州北铁路交叉口处北1.5km处，地理位置优越，交通便利。基坑形状大体呈凹形分布，东西长约130m，南北长约50m，基坑北侧开挖深度为22m，南侧开挖14.5m，东侧开挖14.3m。该项目场区现为盐田地，项目北侧、南侧及东侧场地较空旷。项目西侧为新建滨州北铁路线(现未使用，轨道已铺设完成，地基采用改良土换填处理)，该项目基础边线距离铁路线最近距离约32m；
为了保证基坑及周边铁路的安全，对铁路沉降以及支护桩、支撑等进行监测，部分监测点布置如图1所示。

图1 基坑平面位置及监测点布置

根据该场地岩土工程勘察报告，构成拟建场地的主要地层属于第四系黄河三角洲沉积土层，场地自上而下划分7层，地下水类型属于第四纪潜水，地下水稳定水位埋深为3.0m，开挖范围内土体力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

1.2 支护方案

考虑场地工程地质与水文条件、基坑周边环境及开挖深度，依据有关技术标准，拟对本工程采用支护桩+钢筋混凝土角撑、对撑进行支护。东西走向采用4道混凝土支撑，具体支护形式如图2所示；
南北走向采用2道混凝土支撑，基坑东南位置采用放坡支护；
基坑内部高差位置采用悬臂桩支护，由于场地地下水位较浅，沿基坑四周设置单排水泥土搅拌桩止水帷幕；
坑内采用管井疏干降水，坑外采用回灌井回灌地下水。

图2 基坑支护剖面

1.3 施工工况

该工程具体施工措施是先进行支护桩和止水帷幕施工，然后采用降水井降水，最后进行分步开挖和围护结构支撑布置，由于基坑北侧开挖深度较深(开挖22.0m)，本文主要对东西走向基坑南北侧的围护结构变形进行分析，该处主要施工工况如表2所示。

表2 施工工况

1.4 不对称荷载分布特征

基坑围护桩主要受到基坑两侧土体开挖产生的主动土压力以及坡顶堆载，该项目深基坑开挖形状不规则，由于南部两侧土体的开挖，导致基坑北侧土压力产生的荷载大于基坑南侧土压力产生的荷载，受基坑两侧荷载大小差距的影响，北部荷载通过支撑传力给基坑南侧，使基坑南侧围护结构产生背离开挖侧变形，不规则内支撑围护结构在开挖下的受力与变形形式如图3所示。

图3 基坑围护结构受力

为研究不规则内支撑基坑开挖产生的不对称荷载对基坑围护结构的影响，选取基坑南侧、北侧部分冠梁水平位移和桩体深层水平位移监测点进行分析。

主要选取基坑北侧W6～W9冠梁水平位移监测点、CX4深层水平位移监测点，基坑南侧W15～W17冠梁水平位移、CX8深层水平位移监测点进行实测数据分析，其中水平位移正值代表向开挖侧位移，负值相反。

2.1 冠梁水平位移分析

1)基坑南北两侧冠梁位移随时间变化的时程曲线如图4,5所示，其中基坑北侧W6～W9监测点水平位移整体向开挖侧方向位移，基坑南侧与北侧相反，整体位移向背离开挖侧移动，主要原因是由于整个基坑的不规则性，基坑南部两侧土体开挖，基坑北部整体荷载大于基坑南部，北部基坑荷载通过支撑传力给基坑南部，使得基坑两侧受力不均，导致基坑向荷载较小一侧发生侧移。

图4 北部冠梁水平位移时程曲线

图5 南部冠梁水平位移时程曲线

2)基坑北侧W7监测点水平位移最大，最大水平位移为27.0mm，由于W7监测点位于基坑中部位置，受基坑空间效应影响较小，导致位移偏大。W9监测点位移较小，主要是由于W9监测点位置相对于其他监测点开挖深度较浅(开挖16m)，整个冠梁的水平位移在每层土体开挖过程中增量最大，当开挖至基底处，变形处于平稳状态。

3)基坑南侧冠梁水平位移的增量趋势与北侧变形相似，水平位移的增长主要出现在基坑开挖状态下，后期变形趋势逐渐稳定。其中W15监测点受到不对称荷载作用更为明显，W15监测点由于基坑不对称开挖，受到基坑北部较大荷载的作用。

2.2 桩身侧向变形规律

1)基坑南北两侧桩体深层水平位移随时间变化的时程曲线如图6,7所示，其中不同侧的监测点桩体位移趋势相反，CX4监测点桩位移趋势向开挖侧，CX8监测点桩位移随着开挖桩上部逐渐向背离开挖侧位移，基坑两侧桩体的变化趋势不同。同时由于桩顶混凝土支撑在桩后土压力作用下产生了较大的轴力，桩顶混凝土撑对北部桩的变形产生抑制作用，使得基坑北侧围护桩基底以上产生“大肚”状，而南侧基坑两侧开挖引起荷载减小，基坑北侧荷载较大，混凝土支撑向基坑南侧围护结构挤压，使得基坑南侧围护桩出现背离开挖侧的变形。

图6 CX4测斜点位移-深度曲线

图7 CX8测斜点位移-深度曲线

2)基坑的不规则开挖，使基坑南北两侧产生的不对称荷载导致围护结构不同侧产生不对称变形。由于支撑在北部荷载作用下整体向南部移动，使得基坑北侧变形较大，南部变形较基坑北侧变形小，CX4处桩体水平位移出现在基底以上位置，最大值为37.0mm，CX8处桩体水平位移最大值出现在桩顶位置处，最大变形为13.5mm，根据不规则基坑开挖产生的不对称荷载对位移结构变形实测数据分析，可以看出荷载较大一侧桩体位移较大，在实际设计中要适当增大该侧的支护桩直径或减小支护桩间距，防止荷载较大一侧围护结构出现破坏。

为进一步研究不规则基坑开挖引起的基坑两侧不对称荷载对深基坑内支撑围护结构的影响，建立有限元模型，将数值模拟结果与实测结果进行对比分析。

3.1 模型建立

图8 基坑支护有限元模型

关于围护结构板单元厚度的选取，由PLAXIS 3D基础教程中等效刚度理论，将支护桩等效为板单元计算，通过式(1)将支护桩转换为板单元的厚度计算。

(1)

式中：D为灌注桩直径(mm)；
t为桩间距(mm)；
h为折算板的厚度(mm)。

3.2 开挖工况模拟

主要研究不规则内支撑基坑开挖造成的不对称荷载对围护结构两侧的变形影响，实际施工过程中坡顶不存在土体堆载，数值模拟的具体工况如表3所示。

表3 模拟概况信息

3.3 桩体深层水平位移分析

分工况对本基坑开挖进行数值模拟，选择基坑北侧CX4测斜孔以及基坑南侧CX8测斜孔位置进行变形监测，模拟不规则内支撑基坑在开挖工况下基坑两侧桩体的变形趋势，数值模拟得到的CX4，CX8测斜孔在不同工况下的深层水平位移如图9，10所示。

图9 CX4测斜点位移-深度模拟曲线

图10 CX8测斜点位移-深度模拟曲线

从数值模拟结果可以看出：数值模拟得到的基坑北侧以及基坑南侧桩体的深层水平位移变形趋势与实测数据相似，数值上的差距主要是由于现场工况复杂，对围护结构会产生一定扰动。基坑北侧CX4测斜点，桩体最大水平位移出现在基底以上位置，在工况2到工况3下水平位移增长速率最大，由21.0mm增长至27.0mm，后期随着内支撑的支护作用，变形增长趋势逐渐减小，开挖至基底时最大变形增长至29.0mm，位移增长趋势与实测数据变形大体一致。位于基坑南侧的CX8测斜点，同样由于不规则基坑开挖，基坑北侧产生的荷载整体大于基坑南侧，由基坑北侧产生的土压力通过混凝土支撑传力到基坑南侧，使得基坑南侧桩体在桩体上方出现背离开挖侧的变形，开挖至基底时，桩顶背离开挖侧变形达到7.0mm，在基坑下部桩体向基坑开挖侧变形，从位移-深度曲线看出，对于不规则内支撑基坑开挖，开挖造成荷载较大一侧的围护结构会出现向基坑开挖侧的变形，且变形值较大，在基坑围护结构施工设计时，需要增大该侧支护桩的直径或减小桩间距来减小围护结构位移，数值模拟得到的位移曲线变形趋势与工程实测大体一致，反映了数值模拟在一定程度上的准确性，可以为后期基坑数值模拟研究提供一定的参考。

本工程在施工过程中，开挖土体没有堆载于基坑坡顶附近，若假设土体在施工过程中，开挖土体堆载于基坑南侧坡顶位置处，来抵消不规则基坑开挖时引起的北侧较大荷载对基坑围护结构的影响，数值模拟阶段在基坑南侧距离坡顶5m位置处沿东西方向布置宽度20m的坡顶堆载(模拟时用面荷载来模拟)，由于开挖过程中土体不断堆载，荷载不断增加，在模拟阶段设置工况1(施加20kPa)，工况2(施加40kPa)，工况3(60kPa)，工况4(80kPa)，工况5(100kPa)，从而抵抗由不规则基坑开挖引起的不对称荷载对基坑围护结构两侧的变形影响。

4.1 基坑南部土体堆载下桩体位移分析

数值模拟得到的基坑两侧CX4，CX8测斜点随工况的深层水平位移如图11，12所示。

图11 CX4测斜点位移-深度模拟曲线

图12 CX8测斜点位移-深度模拟曲线

当基坑南部作用坡顶堆载时，可以看出基坑南北围护结构的变形大体呈对称分布，随着基坑开挖，桩体深层水平位移大致呈“大肚状”分布，总体变形趋势与对称荷载下内支撑围护结构变形相似，在工况2到工况3下变形增长速率最快，后期随着内支撑的施工，对围护结构桩体位移的抑制，变形增长较小，同时在南侧堆载作用下基坑北侧CX4测斜点的深层水平位移由原来无堆载时的29mm减小到现在的20.5mm，减小约29.3%，基坑南部的堆载可以有效减小由不规则基坑开挖引起的基坑北侧围护结构变形，基坑南侧CX8测斜点在坡顶堆载的作用下整体出现向基坑开挖侧的变形，土体堆载下能够有效控制不规则基坑开挖对围护结构的变形影响，整体变形趋势与基坑北侧相似。通过模拟数据显示，在内支撑支护下，基坑不规则开挖状态下开挖过程中可能会产生不对称荷载，对基坑围护结构产生较大变形，在内支撑支护设计时可以通过多种措施来减小不规则基坑开挖产生的基坑围护结构变形。

4.2 基坑南部作用土体堆载下桩体弯矩分析

在基坑围护结构设计过程中，围护结构的弯矩大小对基坑的整体稳定性尤其重要，选取基坑南北侧中部位置，对基坑南北侧围护结构在南侧坡顶处施加土体堆载下与无堆载下两侧围护结构的弯矩大小进行分析(见图13,14)。

图13 基坑北侧桩体弯矩

图14 基坑南侧桩体弯矩

从图13，14可以看出，当不规则基坑坡顶南侧不堆放土体堆载时，由于基坑不规则开挖引起的不对称荷载使基坑北侧变形较大，此时基坑北侧围护弯矩最大值为2 100kN·m，大于基坑南侧的最大弯矩(1 500kN·m)，当基坑开挖的土体堆载于南侧坡顶时，此时基坑两侧位移基本呈对称分布，基坑北侧的最大弯矩为1 600kN·m，减小约23.8%，北侧位移与弯矩均减小，不规则开挖会使基坑整体向荷载较小方向发生偏移，当在荷载较小侧坡顶作用土体堆载时，能够有效减小荷载较大侧围护结构的变形与内力。

通过对某不规则深基坑的冠梁水平位移与桩体深层水平位移的监测结果以及数值模拟分析，不规则内支撑基坑变形具有以下特点。

1)在不规则内支撑基坑开挖下，基坑开挖两侧会产生不对称荷载，导致开挖两侧桩体变形趋势不同，基坑整体出现向荷载较小一侧的侧移，荷载较大一侧桩体产生向开挖侧位移，变形较大，荷载较小一侧产生背离开挖侧变形。

2)基坑围护结构变形受空间效应影响较大，表现为基坑中部位置变形大，两边变形小。

3)通过PLAXIS 3D计算得到的基坑围护结构变形与实测变形趋势大体一致，同时在不规则内支撑基坑开挖下较小一侧施加坡顶土体堆载，可以有效减小开挖引起的荷载较大侧围护结构的变形与弯矩。

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