湯 瑞，王 強，宮保聚，過 令

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001）

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不同施工工序對圍護結構及周邊環(huán)境的影響

湯 瑞，王 強，宮保聚，過 令

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001）

摘 要：為了深入研究在不同施工工序下基坑開挖對基坑圍護結構的內力和位移及周邊環(huán)境的影響，運用巖土有限元軟件Midas GTS分別模擬了廣州某采用樁－錨索支護的高層建筑基坑在不同施工工序下的開挖過程，以及在進行底板施工時不對稱堆載對基坑的影響，從而得到了基坑圍護結構內力、變形及地表沉降的分布規(guī)律。計算分析結果表明：不合理的施工工序對基坑圍護結構的內力和位移及地表沉降產生了較大影響，尤其是圍護結構水平位移及地表沉降，這使得基坑的穩(wěn)定性處于不利的狀態(tài)；該基坑在錨索及時發(fā)揮作用比不及時發(fā)揮情況下，樁體最大彎矩減少率≥41．77%，地表沉降減少率≥32．75%；基坑底部不均勻堆載使得左、右側樁體最大彎矩相差＞5%，樁體水平位移相差＞10%。研究結果將有助于提高深基坑設計水平，為類似工程的設計、施工和研究提供必要的參考。

關鍵詞：深基坑；施工工序；圍護結構；位移；內力；周邊環(huán)境

1 研究背景

隨著城市建設的不斷深入，出現了越來越多的深基坑工程，對基坑結構的穩(wěn)定性和安全性的研究也倍受人們的關注。在基坑工程發(fā)展初期，大多采用傳統(tǒng)的計算分析法，主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、彈性梁法、彈塑性法［1］等。但隨著計算機技術的發(fā)展，有限元軟件不斷被運用在基坑開挖支護中，對基坑工程的施工過程的模擬提供了新的方法。很多學者［2－4］利用有限元軟件針對具體的基坑工程開挖進行模擬，通過對模擬結果的分析和歸納，得出了基坑開挖過程中對圍護結構及坑邊地表沉降的影響規(guī)律。

在對深基坑的研究過程中，學者們發(fā)現，對基坑穩(wěn)定產生影響的因素有很多。如高文華等［5］采用Mindlin厚板理論，建立了深基坑支護結構內力與變形時空效應的三維有限元模型，并分別探討了支護結構內力和變形時空效應受支撐和墻體剛度、支撐預加軸力、被動區(qū)土體加固、邊界約束、開挖深度、開挖寬度等因素的影響。可以看出基坑的時空效應［6－8］極大地影響了基坑的開挖和圍護結構的設計。實踐證明，合理的考慮時空效應的影響，可以達到控制基坑土體的位移和保護環(huán)境的目的，以減少采用昂貴地基加固措施的做法，是基坑在開挖過程保持既安全穩(wěn)定又經濟合理的有效途徑。關于時空效應下深基坑支護結構內力與變形的研究已取得了不少成果，如郭海柱等［9］根據黏土地區(qū)基坑施工具有顯著的時空效應，利用時間硬化冪函數法則與Druker?Prager屈服破壞準則耦合的蠕變模型。通過室內試驗數據擬合模型中的參數，并將其用于基坑工程的施工模擬中，來進行分析支護時間對用護結構變形和內力的影響。劉愛華等［10］從時空優(yōu)化角度出發(fā)，采用時空效應理論中的分區(qū)間、分時段等有效措施來控制和減小土體可能產生的最大位移，確保工程安全。應宏偉等［11］則結合案列詳細比較考慮分段施工效應與不考慮分段施工效應的基坑支護結構、支撐系統(tǒng)的受力及變形性狀的差異，得出分段施工是實際工程中的有效措施。

然而施工工序作為時空效應的一種表現形式，并沒有得到廣泛的研究，如李方成等［12］雖然根據基坑實例通過有限元模擬得出了在不同施工工序下基坑圍護結構的變形情況與施工工序有很大的關系，施工工序越合理，上部土體變形越小，反之越大。但上述研究只考慮了樁撐結構下的水平位移。

為此，筆者以廣州珠江新城某基坑為依托，利用有限元分析軟件，模擬在不同施工工序下每步開挖之后圍護結構位移、內力及地表沉降的比較。從多方面進一步分析施工工序對基坑穩(wěn)定性的影響。

2 工程布置

2．1 工程概況

廣州珠江新城某高層建筑，其基坑形狀近似矩形，占地面積約5 374 m2，基坑底周長約297 m?；娱_挖底標高為－29．30 m，坑頂標高為－1．70 m，開挖深度為27．60 m；總土石方量約為16萬m3。支護結構采用邊坡錨噴＋人工挖孔排樁＋預應力錨索，其中具體布置如下：首先放坡開挖2．5 m進行邊坡錨噴，然后再進行人工挖孔樁的施工，最后分層開挖并在設計位置施加預應力錨索，共有5道。

基坑工程的各土層物理力學參數如表1所示。

表1　各土層物理力學參數Table 1 Physico?mechanical parameters of soils

2．2 有限元模型的建立

建立了基于巖土工程有限元軟件Midas GTS的二維分析模型。在有限元模擬中，將土層用平面應變單元類型，土體的本構模型采用Drucker?Prager彈塑性模型；用植入式桁架單元模擬錨桿和錨索，其中在模擬預應力錨索的時候用植入式桁架單元模擬錨索的固定端，用一對相對力模擬錨索的自由端；用梁單元模擬樁。

基坑剖面如圖1所示。

為簡化計算和建模方便，對模型作如下處理：

（1）土體的計算深度取基坑開挖深度的2．5倍，計算寬度自開挖邊界向外取開挖深度的2倍。

（2）施加的邊界條件為在模型左右兩側x方向受水平約束，模型底面受水平和垂直方向的約束。

2．3 開挖工況的模擬

在相同的地質條件的基礎上，根據施工工序的不同基坑開挖過程分為2種模擬方案。

圖1　支護結構剖面Fig．1 Sectional view of the pit

在2次模擬中，都模擬基坑開挖過程中對圍護結構和周邊環(huán)境的影響，同時也包括在基坑開挖至基底，在對底板進行施工時，因施工的需要需在基坑兩側堆積施工材料，在基坑兩側形成了不對稱荷載。考慮此不對稱荷載對基坑圍護結構和周邊環(huán)境的影響。

2．3．1 方案1具體的計算工況

工況1：按1∶0．6進行放坡并開挖開挖第1層土體至設計標高－7．2 m，然后分別在設計標高－2．2 m和－3．7 m處設置2道錨桿，并掛網噴射混凝土。然后再進行人工挖孔樁的施工，最后再進行第1道錨索施工。

工況2：開挖土體至設計標高－13．7 m，并進行第2道錨索施工。

工況3：開挖土體至設計標高－20．2 m，并進行第3道錨索施工。

工況4：開挖土體至設計標高－26．7 m，并進行第4道錨索施工，之后再開挖土體至第5道錨索以下0．3 m，再進行第5道錨索施工，并開挖至基底。

工況5：進行基坑底板施工，基坑左右兩側因堆積材料不同，分別產生不同的堆積荷載。故在基坑的左、右側分別施加20 kN／m和50 kN／m的堆積荷載。2．3．2 方案2具體的計算工況

工況1：按1∶0．6進行放坡并開挖第1層土體至設計標高－4．2 m，分別在設計標高－2．2 m和－3．7 m處設置2道錨桿，并掛網噴射混凝土。然后再進行人工挖孔樁的施工，最后再進行第1道錨索施工并開挖第2層的土體至設計標高－7．2 m。

工況2：開挖土體至第2道錨索以下0．3 m，并進行第2道錨索施工，再開挖至設計標高－13．7 m。

工況3：開挖土體至第3道錨索以下0．3 m，并進行第3道錨索施工，并開挖至設計標高－20．2 m。

工況4：開挖土體至第4道錨索以下0．3 m，并進行第4道錨索施工，并開挖至設計標高－28．3 m，之后進行第5道錨索施工，并開挖至基底。

工況5：進行基坑底板施工，基坑左右兩側因堆積材料不同，分別產生不同的堆積荷載。故在基坑的左、右側分別施加20 kN／m和50 kN／m的堆積荷載。

3 不同施工工序對模擬結果的影響

下面將分別計算2種方案下，基坑圍護結構變形、內力及周邊環(huán)境的變化情況，并加以總結。同時2個方案中，外荷載僅作用于最后一個工況，工況1—工況4下左右樁體的變形、內力及周邊環(huán)境的變化是對稱的。所以在分析樁體內力和周邊環(huán)境變化時，以左側樁體為例。

3．1 樁體水平位移

在方案1、方案2中各個工況下，左右樁體的水平變形規(guī)律如圖2、圖3所示。同時在此約定方案1中樁體最大水平位移記為S1，方案2中樁體最大水平位移記為S2。

圖2　方案1各工況樁體水平位移Fig．2 Horizontal displacement of pile in the first plan

圖3　方案2各工況的樁體水平位移Fig．3 Horizontal displacement of pile in the second plan

從圖2、圖3中可以看出，工況1—工況4中左右兩側樁體呈對稱分布，但在工況5中因左右坑邊堆積荷載不同對左右樁體影響不同。各工況具體分析如下。

（1）在工況1下，基坑全場開挖至設計標高－7．2 m，錨索1已發(fā)揮作用?？梢钥闯?個方案下，樁體位移變形曲線基本一致，都主要發(fā)生在樁頂以下0～10 m。但是在方案1中樁體在樁頂的變形最大，S1為8．846 mm。而在優(yōu)化后的方案2中樁體在樁頂以下2 m處的變形最大，S2為1．577 mm。2個方案結果存在較大的差異，這是因為在施工過程中2個方案施工工序不同，在方案1中開挖至設計標高后再進行第1道錨索的施工，在此工程中相當于懸臂梁開挖，樁體先作為圍護結構來抵擋側向土壓致使樁體變形過大。而在經過優(yōu)化后的方案2中是先進行第1道錨索的施工之后再開挖至設計標高，在此過程中是樁錨作為1個整體圍護結構，能有效地抵擋側向土壓。

（2）在工況2下，基坑全場開挖至設計標高－13．7 m，錨索2已發(fā)揮作用。2個方案下樁體的主要變形區(qū)保持在樁頂以下0～10 m的范圍內，同時水平位移隨著開挖深度的增加而逐漸增大，并向基坑內進一步變形。與工況1相比方案1中發(fā)生樁體最大位移向上偏移至樁頂處，而方案2則保持不變。方案1中的S1為17．200 mm，方案2中S2為7．772 mm。

（3）在工況3下，基坑全場開挖至設計標高－20．2m，錨索3已發(fā)揮作用。2個方案樁體的主要變形區(qū)增至樁頂以下18 m的范圍內。二者的最大變形都保持樁頂處。在方案1中S1為18．650 mm，方案2中S2為9．185 mm。

（4）在工況4下，基坑全場開挖至基底，錨索4、錨索5發(fā)揮作用。2個方案樁體的主要變形區(qū)增至樁頂以下25 m的范圍內，最大位移值位移保持不變，但樁體最大位移進一步增大。方案1中的S1為21．45 mm，方案2中S2為11．99 mm。

（5）在工況5下，基坑兩側由于材料的堆積產生不對稱的偏載。使得2個方案左右樁體水平位移有所增大，樁體位移最大值保持在樁頂處。在方案1左側樁體S1為22．60 mm，右側樁體S1為25．23 mm。在方案2中左側樁體S2為13．16 mm，右側樁體S2為15．04 mm。

2個方案中同一工況下基坑開挖深度相同，但是施工工序順序不同，使得樁體變形有較大的差異。在基坑開挖過程中各個工況下樁體最大水平位移比較見表2。

表2　樁體最大位移比較Table 2 Comparison of pile’s maximum displacement

從表2中可以看出在工況1下樁體的水平位移變化率是最大的，由此得懸臂開挖所引起的變形在圍護結構總變形量中所占比重較大。在之后的工況下，樁體的水平位移變化率在逐漸減小。但是與沒有優(yōu)化的方案1相比，方案2下樁體水平位移減小40．39%以上，可以看出優(yōu)化后的方案更加有利于基坑的安全性與穩(wěn)定。同時在工況5下存在偏載作用，使得左右兩側樁體水平位移相差＞10%，所以在工程設計時，要分別進行考慮，不能按傳統(tǒng)的對稱方法進行設計。

3．2 地表沉降

在工況1—工況4下，基坑處于開挖狀態(tài)，坑邊不存在堆積荷載的作用。在此情況下基坑左右兩側的地表沉降是對稱分布的，故以右邊地表沉降為例，其地表沉降曲線見圖4。

圖4　工況1—工況4右側地表沉降曲線Fig．4 Curves of subsidence of the right ground in working condition 1 to 4

從圖4中可以看出：

（1）在工況1—工況4中2次模擬中基坑左右兩側的地表沉降變化曲線相似。地表沉降影響區(qū)域在距離基坑邊緣0～40 m的范圍內，但地表沉降主要集中在鄰近基坑處。同時隨著開挖深度的增加，地表沉降值也在逐步地增加。

（2）2種方案的模擬中，相同工況下最大沉降值及位置都有很大差異。在方案1中，地表沉降最大值都在位于坑邊2．5 m處，從工況1下的－1．268 mm增加到工況4下－5．105 mm。而方案2中，工況1下地表沉降最大為位于坑邊6 m處，其值為－0．167 mm。隨著開挖深度的增加，工況2—工況4下地表沉降最大值位于坑邊，其值從－1．464 mm增至－3．433 mm。地表沉降減少了31．672 mm，即32．75%。

2種方案地表沉降差異的原因是：在方案1中每個工況下都是先進行土體的開挖，在此過程中樁體先作為圍護結構來抵擋側向土壓力，這使得樁體變形較大，樁后土體松動范圍較大，地表沉降值較大。之后再進行錨索施工，使得樁對樁后松動的土體有一定的壓實作用，其最大值出現在距坑邊2．5 m處。而在方案2中施工工序得到優(yōu)化，使得樁－錨共同作用得到發(fā)揮，有效地減小了地表沉降值。

在工況5中，當基坑開挖至基底后，在對底板進行施工時基坑兩側會堆積大量的施工材料，同時又因為施工單位的需要，在基坑兩側堆積的施工材料不同，使得在基坑兩側產生不對稱的偏載。在該情況下對地表沉降的影響見圖5。

圖5　工況5地表沉降曲線Fig．5 Curves of subsidence of ground in working condition 5

從圖5可以看出，由于在坑邊堆積材料使得地表沉降值發(fā)生了“突變”，同時兩側坑邊堆集荷載不同所產生的地表沉降值有較大的不同，但2個方案下左右兩側地表沉降曲線趨勢基本一致，并且最大值都發(fā)生在距坑邊2．5 m處。在方案1下左側地表沉降為－16．62 mm，右側為－34．1 mm。方案2下左側地表沉降為－14．75 mm，右側為－32．3 mm。

3．3 樁體彎矩

在工況1—工況4中，左右兩側的樁體所受彎矩對稱，故只列出左側樁體的彎矩圖。同時在此約定方案1中樁體所受的最大彎矩記為M1，方案2中樁體所受的最大彎矩記為M2。工況1—工況5樁體彎矩如圖6所示。

（1）在工況1中（圖6（a）），基坑全場開挖至設計標高－7．2 m，即樁頂以下3 m處。2個方案在該過程中都完成了第1道錨索的施工并發(fā)揮作用。

從圖6（a）可以看出，2個方案下樁體彎矩的變化曲線相似，都發(fā)生在樁頂以下0～11 m的范圍內。但是方案1下M1位于樁頂以下8．45 m處，其值為679．01 kN·m。而在方案2下M2位于樁體以下3 m處，其值為238．38 kN·m?？梢钥闯鍪┕すば虻牟煌瑢扼w彎矩的影響很大。

（2）在工況2中（圖6（b）），基坑全場開挖至設計標高－13．7 m，即樁頂以下9．5 m。2個方案在該過程中都完成了第2道錨索的施工并發(fā)揮作用。從圖6（b）可以看出，樁體彎矩變化主要集中在樁頂以下0～13 m的范圍內。同時2個方案中最大彎矩的位置向下移動至樁頂以下9．97 m，其中M1為1 132．69 kN·m，M2為606．31 kN·m。

（3）在工況3中（圖6（c）），基坑全場開挖至設計標高－20．2 m，即樁頂以下16 m。2個方案在該過程中都完成了第3道錨索的施工并發(fā)揮作用。

從圖6（c）可以看出，樁體的彎矩變化主要集中在樁頂以下0～20 m的范圍內，同時在15～20 m的范圍內產生不利彎矩。方案1下M1位于樁頂以下9．42 m處，其值為932．19 kN·m。而在方案2下M2位于樁體以下8．91 m處，其值為458．21 kN·m?？梢钥闯鱿啾裙r2，2個方案樁體最大彎矩值都有所減小，同時最大值位置都發(fā)生了上移。這是因為預應力錨索3的作用，抵消了一部分側向土壓，有效抑制了樁體內不利彎矩的增長。

（4）在工況4中（圖6（d）），基坑全場開挖至基底，即樁頂以下25 m。2個方案在該過程中都完成了第4和第5道錨索的施工并發(fā)揮作用。

從圖6（d）可以看出，樁體的彎矩變化主要集中在樁頂以下0～25 m的范圍內，相比工況3，樁體以下15～20 m內的不利彎矩得到了減小。M1，M2位置保持不變，但其值有所增加。M1增至973．94 kN·m，M2增至474．64 kN·m。

（5）在工況5中（圖6（e），圖6（f）），因基坑底板施工，在基坑兩側堆積不同材料，形成不對稱偏載。在此偏載作用下，左右樁體彎矩變形曲線如圖6（e），圖6（f）所示。

從圖6（e），圖6（f）可以看出，在堆積荷載作用下左右樁體最大彎矩位置保持不變，但其值有所增加。左側樁體M1增至1 026．48 kN·m，M2增至537．34 kN·m。右側樁體M1增至1 105．01 kN·m，M2增至643．44 kN·m。

從上面各個工況下樁體內力分析可以看出，2個方案中樁體的彎矩變化曲線基本保持一致，但在每個工況下2個方案樁體最大彎矩則有較大的差異。2個方案樁體最大彎矩比較見表3。

表3　樁體最大彎矩比較Table 3 Comparison of pile’s maximum moment

從表3中可以看出在工況1下樁體最大彎矩變化率是最大的，由此得懸臂開挖對樁體產生了較大的位移變化，從而導致了樁體彎矩的巨大差異。優(yōu)化后的方案2使得各個工況下樁體所受到的最大彎矩值下降了41．77%以上，更加有利于基坑圍護結構的安全性和穩(wěn)定性。同時在工況5中受到偏載的作用，左右樁體的彎矩相差超過5%，所以在工程設計時，要分別進行考慮，不能按傳統(tǒng)的對稱方法進行設計。

4 結 論

在2種方案下，分別得到樁體的水平位移、地表沉降的變化及樁體內彎矩變化曲線，經過比較可以得到在基坑開挖過程中，施工方案的變化對基坑圍護結構及周邊環(huán)境影響的幾點規(guī)律，為類似的工程提供參考。

（1）對于樁錨支護在第1道錨索作用之前，基坑的穩(wěn)定性完全由樁單獨提供，此時樁的受力狀態(tài)類似于懸臂梁，底端彎矩增長過大，極不利于基坑的穩(wěn)定，說明第1道錨索及時施工的重要性。

（2）在施工過程中，時常會出現超挖或是支護不及時的現象。從分析中可以看出，由于方案1中錨索施工不及時，使得樁體的位移和彎矩發(fā)生了較大的變化，尤其是在樁頂以下0～10 m的范圍內樁體水平位移變化劇烈，彎矩增長速率快，容易導致內傾，嚴重影響施工安全。所以在基坑開挖的過程中，一定要注意在此范圍內樁身的變形，加強在此階段的檢測，有利于保證工程質量，提高施工安全。

（3）對于地表沉降，基坑兩側的沉降主要集中在距離基坑邊緣0～40 m的范圍內。由于施工工序不同造成的土方超挖極大的影響了地表沉降曲線，地表沉降曲線也對地面堆載的變化非常敏感。所以在基坑開挖過程中應當分區(qū)分塊開挖，同時也應當對存在堆積荷載的區(qū)域加強地表沉降的監(jiān)測。

（4）基坑開挖具有明顯的時空效應，施工工序的變化對基坑的安全性和穩(wěn)定性影響很大。因此，在基坑工程的施工過程中，要注重施工工序的優(yōu)化，從而保證基坑工程的安全和穩(wěn)定。

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（編輯：王 慰）

Influence of Construction Procedures on the Retaining Structure and Surrounding Environment of Foundation Pit

TANG Rui，WANG Qiang，GONG Bao?ju，GUO Ling
（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：In order to study the influence of excavation on the internal force and deformation of retaining structures and the surrounding environment under different construction procedures，we employed Midas GTS to simulate the excavation process of deep foundation pit with different construction procedures．A deep foundation pit supported by pile?anchor was taken as case study．We also simulated the influence of unbalanced heaped load on the foundation

pit during the construction of base plate，and obtained the internal force and deformation of retaining structure and the ground subsidence．Results show that the horizontal displacement of retaining structure and the ground subsid?ence in particular were largely affected by unreasonable construction procedure，which is unfavorable for the stabili?ty of foundation pit．With timely anchor support，the maximum bending moment of pile decreased at least 41．77% compared with that in the absence of anchor support，ground subsidence reduced by 32．75%at least；unbalanced heaped load on the foundation pit led to more than 5%difference in the maximum moment and over 10%in the hor?izontal displacement of left and right piles．The research result will be helpful to the design of deep foundation pit，and offers reference for the design，construction and research of similar engineering．

Key words：construction procedure；retaining structure；displacement；internal force；surrounding environment；deep foundation pit

通訊作者：王 強（1978－），男，河北定州人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事巖土工程及環(huán)境巖土工程的研究，（電話）18055430508（電子信箱）wangqiang0711＠163．com。

作者簡介：湯 瑞（1992－）男，安徽含山人，碩士研究生，主要從事基坑工程方面的研究，（電話）15055429203（電子信箱）tangrui19920210＠163．com。

基金項目：中國博士后科學基金（2014M561806）；中國建筑總公司項目（CSCEC2013Z10）；安徽省博士后科學基金（2015B046）

收稿日期：2014－11－07；修回日期：2014－11－27

中圖分類號：TU43

文獻標志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0059－06