荷载作用对深基坑变形的影响研究

王俊霞

（中国建筑第二工局有限公司华中公司，武汉 430000）

1 引言

近年来，深基坑工程因其在大型建筑项目中的普遍应用而变得日益重要。这些工程不仅涉及深度和复杂性的增加，也表现出对于更先进和有效支护技术的需求。在深基坑工程中，常见的支护措施包括锚固墙、灌浆桩、地下隔墙以及钢结构-混凝土支撑系统等[1]。在选择支护措施时，不仅要考虑经济和施工效率，还需关注它们在面对复杂荷载情况下的表现，特别是在城市环境中，深基坑周边常会承受不同类型的荷载，如邻近建筑施工、交通载荷和设备操作压力等。本文重点关注荷载如何影响深基坑工程的结构稳定性和变形特性[2-3]。通过实际工程案例探讨在不对称荷载作用下深基坑支护系统的力学响应，以及这些负荷如何影响深基坑的整体变形和稳定性。此外，采用先进的有限元分析工具Plaxis-2D 2022 软件，对不同的支护方案进行综合评估，探讨如何优化这些方案以应对复杂的荷载情况，从而为确保深基坑工程的安全施工提供科学的指导和支持。

2 建设工程项目概述

某建设工程项目中，所涉及的基坑在施工期间采用了梯形的布局设计，具体尺寸为长437 m，最窄处宽8.5 m，局部区域宽达27.8 m。地层结构上，自上而下包括3.5 m 厚的杂填土层、5.5 m 厚的粉质黏土层和6.5 m 厚的风化砂岩层，开挖基坑深度在2.5～16.2 m 变化。鉴于该项目位于城市主干道区域，周边环境包括繁忙的交通和复杂的城市管网，因此，在施工期间需要特别关注交通管制和管线的规避。在综合考虑各方面因素后，项目决定采用钻孔灌注桩作为基坑的主要支护结构。由于项目施工现场的特殊性，如长宽比大、管线众多和地质条件复杂等，基坑在开挖过程中极易发生突发状况。为确保施工安全，对基坑的开挖实施全程监控是必要的。监控的重点包括支护结构和边坡等关键部位，专注于其承受的力量、发生的变形等关键指标。

3 深基坑工程荷载影响研究

3.1 深基坑偏心荷载作用影响

在实际工程应用中，深基坑的侧壁经常因施工期间的不均匀堆积（如临建设施、临时堆土、临时存储材料等）受到偏心载荷的作用，这可能威胁到支护结构的稳定性。本项目的深基坑位于城市主要交通干道旁边，由于道路交通和附近建筑施加的荷载，基坑的支撑系统遭受偏心荷载的影响。场地空间限制导致土方和建筑物料累积在边坡附近，进一步加剧了对支撑结构的非均匀外力作用。在理论计算方面，尽管采用了标准的2D 模型，但缺乏针对该项目特有的偏心压力情况的3D 有限元模型。在基坑挖掘的不同阶段，支撑结构面临的受力、变形和稳定性影响显著，这要求对整个挖掘过程进行细致的数值模拟和监测。

3.2 深基坑开挖中桩体位移变形影响

在深基坑挖掘的不同深度阶段，观察到保护桩的水平位移有显著变化。最初，桩体变形表现为一个倒置的直角三角形，随着挖掘的进展，桩的形变增大，最大水平位移点逐渐下移，直到挖掘结束后达到稳定状态。对比计算和实测数据，发现桩的最大水平位移计算值通常低于实际监测值，可能原因包括复杂的挖掘环境以及施工过程中的延迟支护或过度挖掘。此外，监测中发现桩底部的微小水平移动，这可能源于监测过程的误差或施工中的不规范操作。

3.3 深基坑地表沉降监测与分析

表1 展示了地面沉降的最大值情况。结果表明，地面沉降的变化趋势大致相似。随着基坑开挖深度的增加，地面沉降也随之加剧，形成了类似抛物线的沉降区域，其范围大约是挖掘深度的2 倍。地面沉降的极值通常不出现在基坑的最外侧，而是位于距离基坑边缘大约1/3～1/2 深度的位置。监测到的地面沉降最大值超出了数值预测，这可能是由施工现场的复杂性、地面的附加挖掘和荷载，以及支护结构未能及时实施等因素造成的。因此，在数值模拟中建立一个能反映真实工况的模型对于准确预测地面沉降非常重要。

4 深基坑荷载作用监测方案项目

4.1 深基坑工程监测计划与实施

深基坑监测工作的核心是对基坑的边坡、坑底和支撑结构的状态进行严密监控，以此减少安全事故发生的可能性。监测重点包括：深基坑边坡的垂直和水平位移，对支撑体系的应力和变形的检测，以及周边建筑和地下管线的沉降情况。此外，还应关注基坑周围的道路和地基的沉降情况。这一监测方案包括6 个主要方面，目的是通过实地检测和模拟分析结果的比对，针对薄弱环节采取加固措施，从而提高整体的安全水平。

4.2 深基坑监测方法及设备

针对建设工程项目深基坑的特殊性质，研究定制了一套全面的技术监测方案。该方案详细规划了每个监测断面上的3个监测点，共计9 个关键监测位置。这个方案详尽地设计了监测技术、监测点布置的频率、所使用的监测设备及其精确性，以及监测的时间间隔等核心要素。为了实现这一目标，研究部署了多种监测工具，包括TZ08 型全站电子测距仪、DL201 型数字水准仪、全球定位系统接收器、振弦测数仪以及XG45 型倾角仪。这些设备分别负责监测基坑周边建筑物和地下结构的位移，以及基坑支撑体系的应力和倾斜情况。

4.3 深基坑施工过程中的变形监测

在整个深基坑施工期间，对基坑的边坡支撑体系进行了持续严密的水平变形监测。研究特别关注了灌注桩在南北两端的变形差异，并随着开挖基坑深度的增加密切观察基坑底部的支护桩变形情况。最新的监测数据显示，支护桩系统在水平方向上的最大变形量为51.1 mm，而与之相连的冠梁的水平变形量高达-40 mm。支撑体系中南侧的支护桩顶部呈现出向外偏移的趋势，而底部桩则向内偏移。此外，研究对路面沉降进行了持续监测，并发现在基坑开挖期间路面的变形幅度有所增加，但在地下室中层结构浇筑完成后，路面变形趋于稳定，最大变形量记录为105.0 mm。

5 荷载作用对深基坑变形的影响

5.1 荷载作用对深基坑变形与控制的影响和优化方案

该深基坑建设工程项目中，采用了Plaxis-2D 2022 软件进行复杂的岩土工程变形和稳定性分析。软件的高级功能和用户友好性使其成为研究的关键工具。本文分析深基坑支撑结构在荷载作用下的变形行为。对比了实际测量的围护结构变形和地表沉降数据与数值模拟的预测结果，以评估不同基坑设计在对称与非对称荷载条件下的性能。结果表明，偏压荷载对深基坑支撑结构产生了显著的扭曲变形。鉴于此，本文探索有效的设计优化策略，以提升基坑结构的整体稳定性和安全性。

为有效控制深基坑的变形，研究运用了Plaxis-2D 2022软件对5 种支撑结构优化方案进行了详细的模拟分析。其中，方案A 模拟了设计方案，特点是高边坡设计的桩长和直径都大于其他类型的桩。接着，方案B 在方案A 的基础上增加了临近北向高边坡桩外侧的士体加固，以增加反压力。紧接着，方案C 在方案B 的基础上，通过延长远离高边坡一侧的桩基，使其嵌入花岗岩土层。将桩底嵌入岩体被认为是控制地下连续桩变形的有效方法。因此，在初步设计中，路面一侧的地下连续桩被设计为嵌入岩体。在监测段中，北侧的连续桩延伸至南侧。方案D 则是将方案B 和方案E 的措施进行科学融合，并对此融合后的方案进行优化，探讨其复合优化效果。最后，方案E 专注于加固基坑内部土体。由于施工过程中邻近结构的影响，加固范围较小，面积受限。因此，通常采取的做法是加固整个开挖区域的基坑内土体。结合实际项目情况，对这种加固措施的效果进行了探索。接下来通过数值模拟计算对5 种支护设计方案进行了验证。结果显示，尽管方案A 在减少侧向位移方面取得了一定成效，但方案E 在减小侧向变形和控制周围道路变形方面更加高效，其效果比方案A 降低了36.2%。实际监测数据与方案E 的模拟结果高度吻合，从而证实了通过土体加固控制偏心荷载引起的基坑变形的有效性。

5.2 基坑开挖中非对称荷载的地表影响分析

为分析非对称基坑开挖对周围地表垂直变形的影响，提取数值模拟计算结果，绘制了地表沉降曲线。图1 展示了偏压荷载q变化导致的基坑开挖完成时右侧地表的垂直变形情况。可以看出，地表的垂直变形通常呈现出中间大、两端小的沉降模式。此外，研究注意到地表沉降程度与偏压荷载的关系极为紧密，随着偏压荷载的增加，地表沉降趋势明显增强。然而，对于基坑右侧地面的垂直变形，偏压荷载的变化对其影响较小，且地表最大沉降点的位置几乎不受偏压荷载的影响。在偏压荷载为q=32 kPa 的条件下，观测到的地表最大沉降值约为14.5 mm。而当降至q=17 kPa 时，观测到的最大沉降值约减少至9 mm，减少了约5.8 mm。这一发现突显了偏压荷载对周边地表垂直变形的显著影响。此外，当超出大小偏压荷载q的取值为20 kPa，23 kPa，26 kPa，29 kPa 时，地表最大沉降值为9.9 mm、12.5 mm、13.2 mm 和13.8 mm。因此，在进行类似的基坑工程设计和施工时，必须充分考虑非对称荷载对周围地表沉降的潜在不利影响。

图1 非对称荷载下基坑挖掘对周边地面垂直移动的影响

6 结语

本文针对深基坑工程中荷载作用对变形的影响进行了深入探究。面临的主要挑战是在保障施工安全的同时，有效控制因非对称荷载引起的基坑变形。通过Plaxis-2D 2022 软件的数值模拟和实地监测数据的对比分析，研究优选出了最佳的支护方案。结果显示，采用加固措施的方案在减少侧向位移和控制周围道路变形方面表现出色，相比于方案A，其效果提高了36.2%。此外，还发现在偏压荷载为q=32 kPa 时，地表最大沉降值约为14.6 mm，而降至q=17 kPa 时沉降值减少至8.9 mm，减少了约5.7 mm。这一发现凸显了偏压荷载大小对地表竖向变形的显著影响。