邱衛(wèi)民 劉黎明

(三峽大學土木與建筑學院,湖北宜昌 443002)

基坑工程特性與場地特征密切相關,隨著深基坑的廣泛使用,其區(qū)域性和個性特點越來越突出,基坑圍護結構的設計、施工以及變形監(jiān)測等都要因地制宜,因此,強調基坑工程區(qū)域性和個性很重要.

宜昌作為湖北省域副中心城市和世界水電旅游名城,近幾年來城市建設飛速發(fā)展,隨之出現(xiàn)大量的深基坑工程.然而宜昌還沒有相應的基坑工程地方性技術標準,基坑工程設計、施工和監(jiān)測缺乏準確可靠的客觀依據,土體物理力學指標和設計參數(shù)取值因人而異,相差懸殊,大都處于半經驗半理論狀態(tài).因此,有必要對宜昌城區(qū)的深基坑工程進行深入的研究.

1 宜昌城區(qū)的工程地質概況

宜昌城區(qū)是長江出三峽后的第一塊沖積平原,呈階梯狀分布,且地質、地貌和第四紀的堆積物獨具一格.宜昌城區(qū)江段原來河床位置應該在現(xiàn)在城區(qū)所在地,后來,為適應新的過水斷面,新暴發(fā)性的向右岸侵蝕沖刷,同時,河床下切,這些大幅度右岸侵蝕為宜昌城區(qū)江段河床開辟了新的通道.經過這樣幾次大的變遷,逐級向南轉移下切,形成宜昌城區(qū)五級階地雛形,造就了依山傍水的地貌特色及城區(qū)規(guī)劃建設呈帶狀分布的工程地質基礎[1].

宜昌城區(qū)建筑坐落在長江各級階地之上,各級階地巖、土層均是良好的地基土,依據巖土層順序從上往下分別土層-卵石土-砂卵石層-膠結或半膠結礫石層-基巖.

2 宜昌城區(qū)的深基坑工程特點

宜昌城區(qū)的深基坑工程除了具有深基坑工程的一般特點外,還有以下特點:

(1)深基坑工程在城區(qū)的分布位置相對集中.依據《宜昌市城市總體規(guī)劃(2005-2020年)概況》,宜昌中心城區(qū)為塑造山城交融、自然與人工交替的景觀輪廓,規(guī)劃建議靠近山腳地區(qū)的建筑以6層以下建筑為主,高層建筑向江濱聚集,因而宜昌城區(qū)的高層建筑深基坑多數(shù)分布在沿江一帶,位置相對集中.

(2)深基坑工程的支護體系比較單一.雖然深基坑的支護形式很多,但是由于宜昌城區(qū)的深基坑絕大部分座落在T1～T2級階地上,地基土性狀單一,另外宜昌城區(qū)的深基坑工程規(guī)模不大,所以宜昌城區(qū)的深基坑支護體系也比較單一.目前,噴錨支護被廣泛應用于宜昌城區(qū)的深基坑工程中,其次就是樁錨支護和自然放坡開挖.

(3)深基坑工程周邊環(huán)境比較復雜.宜昌城區(qū)的深基坑一般在舊城區(qū)的改建或新建工程中,周邊環(huán)境比較復雜.深基坑工程周圍的建筑物密集,城市公共設施和管線擁擠,場地內施工作業(yè)空間狹窄、地面超載嚴重,深基坑支護工程施工難度較大.

(4)深基坑工程規(guī)模適中.根據實地調查和翻閱資料,宜昌城區(qū)沒有超大超深基坑,現(xiàn)有的深基坑平面尺寸一般都不算大,深度一般在10m左右,沒有超過20m的深基坑,所以宜昌城區(qū)的深基坑工程規(guī)模適中.

3 深基坑有限元計算模型

3.1 深基坑尺寸及邊界條件

本文只分析深基坑的變形規(guī)律,不考慮地下因素(如管線、暗溝等)的影響,為了簡化計算,直接建立規(guī)則的長方體深基坑模型進行模擬研究.

由文獻[2]知,當基坑開挖寬度大于等于基坑開挖深度H,開挖面后的邊界取在(2～3)H處,下邊界在開挖底面以下0.5H處,再擴大計算范圍對基坑變形沒有顯著的影響.因此,選取深基坑模型的計算范圍為:取豎直方向(Z方向)分析的深度為3倍基坑開挖深度,取水平寬度為基坑寬度外各向兩側延伸4倍基坑開挖深度,從而構成了一個(8H+L)×(8H+ W)×3H的長方體求解區(qū)域(H為深基坑的設計開挖深度,L為深基坑的設計開挖長度,W為深基坑的設計開挖寬度).本論文選用的深基坑算例其H為10 m,L為100m,W為60 m,根據基坑的對稱性,取其1/4進行計算,計算簡圖如圖1所示,考慮了對稱性質,不僅可以大大減少計算工作量,而且可“提高位移函數(shù)的初期逼近度,從而得到更為合理的計算結果”[3].

圖1 深基坑1/4計算簡圖

根據本深基坑的計算模型和計算范圍,確定深基坑計算模型下邊界底面為完全約束;上邊界頂面為完全自由;四周邊界為水平方向約束,豎直方向自由;取1/4計算模型時,對稱面上受對稱約束,其余方向自由.如圖1所示,在施加邊界約束時,即ABCD面的X、Y、Z方向的位移均為0,ADEJ面和CDEF面的X、Y方向的位移為0,ABLJ面的Y方向的位移為0,BCFL面的X方向的位移為0.

由于宜昌城區(qū)的深基坑深度一般在10 m左右,基本位于地下水位以上,所以本文深基坑模型不考慮地下水的作用.

3.2 相關設計參數(shù)

宜昌城區(qū)主要的巖土構成從上往下依次是填土、粉質粘土、卵石土、砂卵石和砂巖,與本次深基坑模擬相關的巖土體的物理力學指標見表1.

表1 巖土體的物理力學指標

噴錨支護的錨桿采用 Φ 48的鋼管,長5m,水平、豎直間距均為2m,與水平面約成26°傾角;表面掛網后噴10cm厚C20砼.樁錨支護的樁采用直徑1 m的鋼筋混凝土樁,長16m,樁間距為2 m;預應力錨索采用4束7Φ 5鋼絞線,初始應變?yōu)?.0E-2.支護結構材料的相關力學指標見表2.

表2 支護結構材料的物理力學指標

3.3 土的本構模型及屈服準則

3.4 模擬單元的選用

本文建立的深基坑模型有3個:噴錨支護深基坑模型、樁錨支護深基坑模型和放坡無支護開挖深基坑模型.經過分析比較,在這3個深基坑模型中,土體全部采用 Soild45單元,噴錨支護模型中的錨桿采用Link8單元,表層混凝土采用Shell63單元,樁錨支護模型中的樁采用Beam4單元,錨索采用Link8單元.

3.5 計算模型圖

本文建立了噴錨支護、樁錨支護和放坡無支護開挖3種情況下的深基坑模型,其計算模型圖如圖2～9所示.

4 模擬結果整理

為了便于說明,筆者選取了坑頂短邊線(HI)、坑外短邊中軸線(IJ)以及基底短邊中軸線(KL)這3個具有代表性的部位,分別做出了3種開挖條件下在開挖至4m和開挖至8m時的坑壁側移曲線圖、坑外地表沉降曲線圖和坑底隆起曲線圖,如圖10～15所示.

5 模擬結果分析

5.1 共性分析

3種開挖形式下的深基坑模擬結果均顯示出以下規(guī)律:

(1)深基坑在分步開挖的過程中,其變形具有很強的空間性,其基本規(guī)律為:水平位移由坑角向中間逐漸增大,最大水平位移出現(xiàn)在兩相鄰坑角中部;坑壁向坑內的側移隨深度增加而減小,最大水平位移出現(xiàn)在坑頂;坑外土體水平位移、坑外地表沉降在坑周附近很大,離基坑越遠越小,其影響范圍大約在離基坑14m以內;坑底隆起在坑壁附近較小,坑底中央區(qū)域明顯.

(2)深基坑在分步開挖的過程中,其變形具有很強的時間性,其基本規(guī)律為:變形(包括坑壁側移、地表沉降和坑底隆起)隨開挖過程的遞進逐漸增大,開挖初期增大顯著,后期增幅平緩而穩(wěn)定.

(3)深基坑在開挖過程中局部出現(xiàn)塑性區(qū),主要分布在基坑坑壁、坑角及坑腳等部位,塑性區(qū)域一般比較小,且有隨開挖深度增加而增大的趨勢.

5.2 比較分析

從圖10～11可以看出,3種條件下的深基坑開挖,其坑頂側移由坑角向中間均有增大,但增長幅度及增長區(qū)域各有差異.在外部條件相同的情況下,噴錨支護的深基坑其坑頂側移明顯小于樁錨支護和放坡無支護開挖的深基坑;在開挖前期,放坡無支護開挖的深基坑坑頂側移略小于樁錨支護情況下的深基坑坑頂側移,但隨著開挖的進行,兩者越來越接近.

從圖12～13可以看出,3種條件下的深基坑開挖,其坑外地表沉降的最大值都是在基坑周邊,且離坑周越遠越小.三者在離坑周約2m內地表沉降量都有快速減小,在離坑周較近的區(qū)域內,樁錨支護情況下的深基坑坑外地表沉降明顯小于另外兩種情況下的深基坑坑外地表沉降.

從圖14～15可以看出,和側移一樣,3種條件下的深基坑開挖,其坑底隆起由坑腳向基坑中央均有增大,但增長幅度及增長區(qū)域各有差異.在離坑壁較近的區(qū)域內,放坡無支護開挖情況下的深基坑坑底隆起值最大,噴錨支護次之,樁錨支護最小;在離坑壁約10m后三者的隆起值基本保持相同.另外,從圖上可知,坑底隆起面積,放坡無支護最大,噴錨支護次之,最小的是樁錨支護.

6 結 語

通過對上述規(guī)律的比較分析,筆者建議宜昌城區(qū)深基坑開挖支護體系的選用宜遵循以下原則:①由于放坡無支護開挖具有經濟、施工方便等特點,因此,在施工場地工程地質條件和水文地質條件良好,場地開闊并且周邊環(huán)境優(yōu)越的情況下應優(yōu)先采用.②上述規(guī)律表明,樁錨支護下的深基坑坑底隆起和坑外地表沉降都比較小,并且變化平緩,因此,在施工場地狹窄,周邊有大量建構筑物或城市道路的情況下,為保證周邊建構筑物和城市道路不發(fā)生不均勻沉降,應優(yōu)先采用樁錨支護體系.③在坑頂側移有嚴格限制的情況下,應優(yōu)先采用噴錨支護體系.④根據實際工程情況, 3種深基坑開挖支護體系可以結合使用.

[1] 金明信.宜昌市城區(qū)工程地質研究[J].中國煤田地質, 1994,6(3):56-64.

[2] 陳進杰,賈金青,張明聚.土釘支護工作性能參數(shù)分析[J].巖土工程學報,2001,23:618-622.

[3] 王 進.高層建筑深基坑開挖的三維彈性、彈塑性有限元分析[D].西安:西安建筑科技大學,2001.