随着城市化进程加快，土地资源日渐紧缺，导致基坑工程逐渐向超深、超长方向发展[1-2]。与此同时，基坑周边环境的复杂程度也日益增加，受场地和施工进度影响，超挖超载现象难以避免，由此造成的基坑垮塌事故时有发生。如深圳[3]，上海[4-5]，杭州[6]，印度班加罗尔[7]等地发生的基坑垮塌案例中，均存在坑内局部超挖或坑顶超载情况。掌握上述两种不利因素引发围护结构连续破坏的致灾机理，对相关险情的预防和控制具有重要意义。 目前国内外已有关于局部超挖超载问题的研究，主要集中在对基坑整体稳定性以及围护结构内力变形影响两方面。对于超挖问题，苗领厚[8]依据实际工程案例，利用有限差分法总结了大范围超挖对于基坑稳定性的影响规律。Yi等[9]基于一起双排桩支护基坑坍塌事故，分析了局部超挖对双排桩内力、位移的影响。对于超载问题，谢秀栋[10]结合实测数据和有限差分法，探索了邻近建筑物超载作用下深基坑周围土体的变形规律。高亿文等[11]和Ye等[12]研究了非对称基坑在超载作用下，嵌固深度和超载位置对围护结构变形的影响。 2020年8月，杭州某单道桩锚支护基坑局部超挖后支护桩产生较大变形，桩顶最大位移超过50 cm，如图 1所示（后文称案例1）。基坑所在土层上部为杂填土，土质较软，导致锚杆锚固力不足。事故发生后，由于及时对桩后土体进行开挖卸载，基坑未发生大规模坍塌。北京某多道锚杆支护基坑发生的垮塌事故，如图 2所示（后文称案例2）。开挖过程中施工车辆紧邻基坑顶部形成超载，事故发生时部分支护桩折断造成基坑垮塌。长沙某单道桩锚支护基坑垮塌事故[13]中，基坑垮塌侧紧邻一栋居民楼，事故发生时部分支护桩折断，锚杆被拉出，地面沉降最大达50 cm。
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图
1 基坑底部局部超挖引起变形
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图2基坑顶部存在超载问题后垮塌上述案例表明，围护结构产生的大变形往往不会仅限于局部超挖超载范围，而是沿基坑长度方向发展，最终导致围护结构破坏甚至基坑垮塌。而目前研究更多侧重于超挖超载对二维支护截面的受力和变形影响，未对超挖超载情况下的基坑连续破坏机理开展深入研究。 针对上述案例中存在的坑底局部超挖以及坑顶超载问题，在既有研究[14-17]基础上设计了单道桩锚支护基坑模型试验，对局部超挖或超载条件下围护结构的内力变化规律，以及后续基坑连续垮塌的全过程演化机理进行了探索。在此基础上，对比了不同开挖深度和锚杆设置高度的影响，以期为存在相关问题的实际工程提供风险控制理论和参考。
本文依托两起桩锚支护基坑垮塌案例，通过设计模型试验研究了局部超挖或超载条件下单道桩锚支护基坑的连续破坏机理。在此基础上，分别对比了局部超挖时基坑开挖深度和顶部超载时锚杆设置高度的影响，并给出了防止连续垮塌事故发生的建议。主要得到以下5点结论。
（1）对于单道桩锚支护基坑，基坑局部超挖后，基坑外产生的土拱效应和冠梁的荷载传递效应将导致邻近区域的支护桩和锚杆内力大幅上升。此情况下超挖区内锚杆局部失效将进一步加剧这两个效应，引发邻近未失效锚杆发生连续破坏，导致基坑垮塌。 （2）对于单道桩锚支护基坑，超挖区内锚杆失效后。由于试验中支护桩的嵌固深度较小，锚杆失效过程中桩身整体发生大幅度侧移，导致围护结构失稳发生倾覆破坏。若支护桩嵌固深度较大，则锚杆失效过程中桩身最大弯矩的绝对值将先减小，后显著增加，最终更可能导致支护桩弯曲破坏引发垮塌。
（3）对于单道桩锚支护基坑，正常开挖深度越深，超挖及锚杆失效引起的支护桩变形越大，产生的土拱效应越强，导致锚杆的荷载传递系数偏高，基坑的抗连续破坏能力更差，为避免基坑发生连续垮塌，应考虑采用局部锚杆加强的设计方法，局部加强后的锚杆将成为锚杆连续破坏发展过程中的阻断单元，将锚杆连续破坏限制在一定范围。
（4）对于单道桩锚支护基坑，基坑顶部超载后，支护桩和锚杆的荷载传递系数均不断增大，由于试验中支护桩模型的安全系数远大于锚杆，因此当超载量过大时，引发基坑垮塌的直接原因均为锚杆自加载范围中心处向远端依次达到强度极限而发生连续破坏。 （5）对于单道桩锚支护基坑，锚杆设置的高度不同，为应对潜在的超载风险需重点验算的构件也不同。锚杆设置冠梁上时，触发锚杆连续破坏所需的超载量更大，超载情况下，支护桩的荷载传递系数大于锚杆，实际工程中如支护桩和锚杆采用的安全系数相同，初始破坏更容易从支护桩弯曲破坏开始，因此需优先对支护桩考虑在附加荷载作用下进行设计；锚杆设置在腰梁上时，超载情况下，锚杆的荷载传递系数大于支护桩，更容易触发锚杆发生连续破坏，因此需优先对锚杆进行加强设计。
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《岩土工程学报》2024年第10期全文阅读
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