李開文,毛 勇,劉海明

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650051;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,湖北 武漢 430071)

1 引 言

隨著城市用地不斷加劇,產(chǎn)生了大量的基坑工程?；庸こ坦て陂L、造價(jià)高、難度大、后果嚴(yán)重,如何合理地處理基坑開挖引起的環(huán)境問題,已成為土木工程界所關(guān)注的熱點(diǎn)課題。當(dāng)前很多研究者傾向于研究基坑開挖引起臨近地表的水平位移,對其豎向位移 (沉降)不夠關(guān)注甚至忽視,導(dǎo)致嚴(yán)重后果。本文認(rèn)為在某些基坑工程中,臨近地表的沉降具有重要意義。

目前,國內(nèi)外已有不少學(xué)者對基坑開挖引起臨近地表的沉降進(jìn)行研究。Attwell[1]對基坑開挖引起的地面沉降及對地面建筑物和地下管線的影響進(jìn)行了研究;Peck[2](1969)提出了預(yù)估地面下陷的無因次曲線,可以得到基坑周圍地面下陷的數(shù)量級,他認(rèn)為基坑開挖引起的周圍地表沉降情況是多因素綜合作用的結(jié)果,這些因素包括土的性質(zhì)、開挖深度、面積、圍護(hù)型式及施工工藝和質(zhì)量等;日本道路工程規(guī)范[3]認(rèn)為基坑周圍地表沉降曲線圍成的面積與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)曲線所圍成的面積是相等的,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移量的估算相對容易一些,這樣就可間接地估計(jì)地表沉降狀況;侯學(xué)淵、陳永福 (1989)[4]根據(jù)有限元分析和對前人研究成果的總結(jié),提出經(jīng)驗(yàn)公式。

實(shí)驗(yàn)以昆明市某醫(yī)院基坑為典型實(shí)例,利用FLAC-3D模擬分析了基坑開挖支護(hù)對周圍地表造成的影響,得到了一些有價(jià)值的結(jié)論,可為同類工程借鑒。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地地層按成因類型為五大類,從上至下分述為[5]:第四系人工填土 (Qml):由建筑垃圾構(gòu)成;第四系坡、洪積層 Qwl+pl:由粘性土夾碎石構(gòu)成;第四系殘、坡積層 Qwl+dl:由粘性土夾碎石構(gòu)成;二迭系倒石頭組 Pld:由強(qiáng)風(fēng)化砂巖構(gòu)成;石碳系馬平組 C2m:由碳酸鹽巖 (灰?guī)r)構(gòu)成,巖溶發(fā)育。場地地下水位埋深 1.3～4.8 m,地下水含水層主要為粘性土和灰?guī)r含水層。

3 基坑支護(hù)方案

基坑深度為 7.3 m,采用Φ1000 mm@4000 mm人工挖孔樁 (C25)支護(hù),長 15 m。樁頂用800 mm×500 mm,C25鋼筋混凝土冠梁連接。坑壁設(shè)一排預(yù)應(yīng)力錨桿,一排預(yù)緊力鋼管錨桿,一排鋼管錨桿 (詳見圖1)。

4 FLAC-3D計(jì)算模型的建立

4.1 模型的計(jì)算范圍

Peck認(rèn)為[6]基坑變形的影響寬度為 4H,深度取為 3H。實(shí)驗(yàn)所建立的模型尺寸為:長 (x)×寬(y)×高(z) =52 m ×50 m×30 m。整個(gè)模型共劃分為31200單元,參見圖2。

4.2 模型的邊界條件

模型邊界約束條件設(shè)定如下:

1)模型左右邊界為單約束邊界,取u=0,v≠0,w≠0,(u為 x軸方向的位移,v為 y軸方向的位移,w為 z軸方向的位移);

2)模型前后邊界為單約束邊界,取u≠0,v=0,w≠0;

3)模型底邊界為全約束邊界,取u=0,v=0,w=0;

4)模型上邊界為自由邊界,取u≠0,v≠0,w≠0。

4.3 土體模型

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報(bào)告,以及現(xiàn)場室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,將模型土層概化為三層:第一層層厚 10 m,土體重度為 18 kN/m3,采用修正劍橋模型,模型參數(shù)見表1;第二層層厚 8 m,土體重度為 18 kN/m3;第三層層厚 12 m,土體重度為 22 kN/m3,下部 20 m巖土層采用摩爾庫侖模型模擬,模型參數(shù)見表2[7～9]。

表1 修正劍橋模型的模型參數(shù)Tab.1 Model parameters for modified Cam-clay model

表2 摩爾庫侖模型的模型參數(shù)Tab.2 Model parameters for Mohr-coulomb model

4.4 結(jié)構(gòu)模型

樁單元采用 pile單元模擬;冠梁、腰梁采用beam單元模擬;錨桿采用 cable單元模擬;噴射混凝土采用 shell單元模擬,如圖3所示。

圖3 基坑開挖的 FLAC-3D結(jié)構(gòu)單元模型Fig.3 FLAC-3D structural unit model for foundation pit excavation

1)Pile單元參數(shù):

表3 樁單元的幾何參數(shù)表Tab.3 Geometric parameters of pile element

表4 樁單元的材料參數(shù)表Tab.4 Material parameters of pile element

2)Beam單元:

表5 梁單元的參數(shù)表Tab.5 Parameters of beam element

3)Cable單元:

表6 錨桿單元的參數(shù)表Tab.6 Parameters of cable element

4)Shell單元:

表7 殼單元的參數(shù)表Tab.7 Parameters of shell element

4.5 模擬過程

為了真實(shí)地模擬開挖過程,采用 FLAC-3D軟件中的Null單元來模擬開挖。模擬開挖過程計(jì)算共分為 7步,具體如下:

第一步:建立未開挖之前的基坑模型,并將模型全部賦為彈性材料,加上均勻的地應(yīng)力場,形成初始地應(yīng)力場。

第二步:將上部 10 m土層賦為修正劍橋模型,將下部 20 m巖土層賦為摩爾庫侖模型。將第一步的約束條件釋放,并重新設(shè)置約束條件,求解得到新的初始地應(yīng)力場。

第三步:將新的初始地應(yīng)力場下的位移場置于零,在指定位置設(shè)置樁單元,并在指定時(shí)間下求解。

第四步:開挖 0～2.2 m土層,施加基坑周邊荷載,并設(shè)置噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu),并在指定時(shí)間下求解。

第五步:開挖 2.2～4.4 m土層,并設(shè)置噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu),并在指定時(shí)間下求解。

第六步:開挖 4.4～6.6 m土層,并設(shè)置噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu),并在指定時(shí)間下求解。

第七步:開挖 6.6～7.3 m土層,并設(shè)置噴射混凝土,最終求解。

5 計(jì)算結(jié)果

為了與數(shù)值模擬結(jié)果做對比,該基坑周邊設(shè)置多個(gè)變形觀測點(diǎn),用以分析數(shù)值模擬結(jié)果,詳見圖4。

圖5和圖6表明:在基坑側(cè)壁處,沉降達(dá)到最大值,隨著距離基坑側(cè)壁越遠(yuǎn),沉降也越小;在支護(hù)結(jié)構(gòu)上,由于其剛度相對于土體很大,其沉降量很小。由于數(shù)值模擬的時(shí)間是根據(jù)達(dá)到沉降穩(wěn)定時(shí),計(jì)算步數(shù)與監(jiān)測時(shí)間相等得出,不是真正意義上的時(shí)間。數(shù)值模擬結(jié)果在 10 d左右出現(xiàn)一個(gè)明顯的拐點(diǎn),這與實(shí)際明顯不符。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果較為一致,兩者相差不到 10%。

圖5和圖7表明:在距離基坑深度約 8 m左右,約為 8/7.3=1.1倍基坑深度,此處沉降已顯著下降,約為 16.5 mm,不足最大沉降的 1/6。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果較為一致。

圖5和圖8表明:當(dāng)離基坑較遠(yuǎn)時(shí) (大于 3倍基坑深度的距離時(shí)),沉降模擬結(jié)果跟監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯不符,本工程監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示此處基坑的沉降接近0,基本上在 0左右波動(dòng),模擬結(jié)果顯示沉降不足1 cm,對于一般建筑物,完全可以不考慮其影響。模擬結(jié)果跟監(jiān)測數(shù)據(jù)不符的原因可能是由于測量儀器的測量精度引起的。

通過圖5和圖9表明,沉降的影響范圍為 20 m,此處沉降為 5.5/110=5%,為基坑深度的 20/7.3=2.73倍,由此可見,基坑附加應(yīng)力場效應(yīng)取4倍基坑深度完全能滿足工程的精度,在條件不夠的情況下,推薦取 3.5倍基坑深度?；拥某两翟陔x基坑 6 m的位移有一個(gè)拐點(diǎn),此點(diǎn)過后,沉降大幅度降低。

6 結(jié) 語

通過基坑實(shí)測結(jié)果與數(shù)值分析,可以得出以下主要結(jié)論:

1)利用 FLAC-3D進(jìn)行基坑開挖的數(shù)值模擬研究是切實(shí)可行的,模擬分析得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)際工程監(jiān)測結(jié)果大致吻合。

2)基坑開挖引起臨近地表沉降的范圍約為2.7倍基坑深度。隨著基坑側(cè)壁的距離的增大,沉降逐漸減小。淺層土體開挖對地表沉降的影響較深層土體大。

3)修正劍橋模型模擬昆明地區(qū)典型地基土能取得較好效果。

[1]Attwell P.B.Soil movement induced by tunneling and their efects or pipelines and structures[M].Blackie:Chapman and Hall,1986:20-46.

[2]Peck R.B.Deep Execavations and Tunnellings in Soft Ground[J]. Proc.7th on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. State-of-the-Art Int,Conf Reports,Mexico City:Vol.3,1969:225-290.

[3]趙榮欣.軟土地基基坑工程的環(huán)境效應(yīng)及對策研究 [D].浙江:浙江大學(xué),1999:8-11.

[4]侯學(xué)淵,陳永福.深基坑開挖引起周圍地基土沉陷的計(jì)算[J].巖土工程師,1989,1(1):1-13.

[5]云南省設(shè)計(jì)院勘察分院.中共云南省委機(jī)關(guān)新建辦公樓巖土工程勘察報(bào)告 [R].2004.

[6]劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[7]Itasca Consulting Group Inc.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions(Version 3.00) UserMannal[M].USA,2002.

[8]M.Cai,P.K.Kaiser,H.Morioka,ect.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations[J]. International journal of rock mechanics&mining sciences,2007,44,pp:550-564.

[9]Duncan J.M.,and Chang C. Y.Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils[J].Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE,1970,96(5):1629-1653.