陳 康

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

基坑開挖會(huì)引起坑外土體的沉降及基坑坑底土體隆起［1～3］?？油馔馏w的沉降將直接影響到基坑周圍的建筑物的安全，沉降量過(guò)大直接影響基坑周圍建筑物的安全，尤其在城市中心建筑物較密集的區(qū)域更應(yīng)該控制沉降?？拥淄馏w隆起是一個(gè)緩慢的過(guò)程，如果基坑分步開挖過(guò)程施工進(jìn)度較快，隆起部分土體隨即被挖除，此時(shí)的坑底隆起對(duì)施工的影響較小;當(dāng)開挖速度較慢，土體隆起的發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，隆起值將相應(yīng)增大，這時(shí)的坑底隆起現(xiàn)象可能對(duì)基坑結(jié)構(gòu)造成危害。在這種情況下，需要采取相應(yīng)的治理措施，保證基坑在開挖過(guò)程中的穩(wěn)定性［4～6］。本文通過(guò)某市政工程基坑開挖實(shí)例，結(jié)合有限元軟件對(duì)基坑的分步開挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并擬定開挖支護(hù)方案，進(jìn)而得到基坑分步開挖過(guò)程中基坑土體的豎向變形規(guī)律。

1 數(shù)值模型和計(jì)算參數(shù)

1.1 幾何模型及邊界條件

該地下通道基坑工程基坑開挖長(zhǎng)度48.00 m，開挖寬度36.50 m，開挖深度14.00 m，坑底標(biāo)高為96.40 m。擬建場(chǎng)地南側(cè)有一幢16層建筑，西側(cè)為12層建筑，東、北兩側(cè)均為市政公路，據(jù)調(diào)查，擬建場(chǎng)地內(nèi)沒(méi)有地下管線或其它市政設(shè)施，基坑工程施工過(guò)程對(duì)變形要求比較高。根據(jù)鉆探可知，與工程相關(guān)地層主要有人工填土、第四系沖積層、第四系殘積層、第三系泥質(zhì)粉砂巖地層。依埋藏順序從上到下依次為素填土、粉質(zhì)粘土①、粉質(zhì)粘土②。根據(jù)勘察報(bào)告，主要賦場(chǎng)內(nèi)地下水類型為上層滯水及潛水，上層滯水水量有限，潛水水量較大。水質(zhì)分析表明，場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土中的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)均無(wú)腐蝕性?；訑嗝鎴D如圖1所示。擬定的幾何模擬尺寸寬60.00 m，高30.00 m，由于路堤兩側(cè)對(duì)稱，故選取半剖面作為研究對(duì)象。土層及網(wǎng)格劃分見圖2所示。在基坑剖面內(nèi)，X軸為南北方向，Y軸為鉛垂方向，模型底面的左下方為坐標(biāo)原點(diǎn)。模型周邊采用側(cè)向約束，模型底部不允許有水平和垂直方向的位移，兩側(cè)邊界不允許有水平方向的位移。

圖1 基坑斷面圖

圖2 網(wǎng)格劃分

1.2 計(jì)算參數(shù)的確定

各計(jì)算參數(shù)采用試驗(yàn)、換算或軟件自帶參數(shù)綜合確定。通過(guò)土工試驗(yàn)得到土體的密度，通過(guò)總應(yīng)力固結(jié)不排水三軸抗剪試驗(yàn)得到土體的粘聚力c與摩擦角φ，通過(guò)壓縮試驗(yàn)得到壓縮模量Es與壓縮系數(shù)，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)可以得到靜止土壓力系數(shù)K0，通過(guò)壓縮模量Es與壓縮系數(shù)換算得到泊松比ν與彈性模量E，K和G根據(jù)指標(biāo)換算進(jìn)行確定。最終確定的計(jì)算分析采用的各土層參數(shù)見表1。

表1 土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)和計(jì)算參數(shù)

2 基坑開挖及支護(hù)數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

該基坑工程的圍護(hù)樁樁長(zhǎng)18 m，樁徑為0.8 m，樁間距為1.0 m。預(yù)應(yīng)力錨桿豎向間距3.0 m，水平間距2.5 m，入射傾角15°，預(yù)應(yīng)力為150 kN，在地面以下2.5、5.5、8.5、11.5 m 處分別設(shè)置一層錨桿。分九步對(duì)基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，步驟如下:

第1步:開挖至地面以下3.5 m;

第2步:施加第1層錨桿并施加預(yù)應(yīng)力;

第3步:向下開挖3.0 m;

第4步:施加第2層錨桿并施加預(yù)應(yīng)力;

第5步:向下開挖3.0 m;

第6步:施加第3層錨桿并施加預(yù)應(yīng)力;

第7步:向下開挖3.0 m;

第8步:施加第4層錨桿并施加預(yù)應(yīng)力;

第9步:繼續(xù)向下開挖1.5 m至基底;

基坑分步開挖完成后錨桿設(shè)計(jì)分布情況如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)錨桿分布情況

2.2 基坑分步開挖豎向位移分析

2.2.1 分步開挖豎向位移概述

基坑分步開挖第一、三、五、七、九步后的豎向位移云圖見圖4。由圖可知，基坑開挖卸荷使基坑土體應(yīng)力重新分布。尤其是在基坑開挖初期，由于應(yīng)力的重新分布，開挖對(duì)基坑土體的影響范圍較大，隨后由于開挖深度的增加，開挖對(duì)土體的影響趨于穩(wěn)定。在開挖過(guò)程中，坑外土體發(fā)生了不同程度的沉降現(xiàn)象，隨著距基坑壁的距離增大，沉降量先增長(zhǎng)后減小?？拥淄馏w隨開挖的進(jìn)行也出現(xiàn)相應(yīng)的隆起現(xiàn)象，隆起量向基坑坑底中心位置逐漸增大，在坑底中心達(dá)到最大值?？拥茁∑鹬蹬c坑外土體沉降值隨開挖的持續(xù)逐漸增大，兩者的最大值均出現(xiàn)在第9步開挖后。隨著開挖深度增大，相同開挖深度的坑底隆起的增量逐漸減小。在基坑分步開挖過(guò)程中，坑外土體的豎向位移與水平位移之間呈一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，水平位移越大，坑外土體所發(fā)生的豎向位移也隨之增大。

圖4 基坑分步開挖后豎向位移云圖(待續(xù))

續(xù)圖4 基坑分步開挖后豎向位移云圖

2.2.2 分步開挖過(guò)程中坑外土體的豎向位移分析

基坑分步開挖第1步、第3步、第5步、第7步、第9步開挖后坑外土體的豎向位移如圖5所示。從圖可以看出，隨著基坑分步開挖的進(jìn)行，坑外土體的沉降量也不斷增大?？油馔馏w沉降與開挖面的距離呈線性分布，每一步開挖所造成的坑外土體沉降曲線走勢(shì)基本一致?；臃植介_挖過(guò)程中坑外土體最大沉降量發(fā)生在距基坑壁一定距離，之后距基坑壁越遠(yuǎn)，沉降量逐漸減少。通過(guò)模擬計(jì)算，第1步、第3步、第5步、第7步、第9步開挖后坑外土體沉降量最大值分別為 4.6、13.7、23.1、32.6、41.3 mm，分別為基坑開挖深度的 0.34‰、0.99‰、1.66‰、2.34‰、2.95‰，均符合規(guī)范的建議值3‰～5‰［7］。

圖5 分步開挖過(guò)程中坑外土體的豎向位移

2.2.3 分步開挖過(guò)程中坑底的豎向位移分析

基坑分步開挖第1步、第3步、第5步、第7步、第9步開挖后基底豎向位移如圖6所示。由圖可知，隨著開挖深度的增加，坑底土體豎向位移逐漸增大，在開挖過(guò)程中每一步開挖所造成的坑底豎向位移曲線走勢(shì)基本一致;基坑中心坑底隆起量最大，其中第1步、第3步、第5步、第7步、第9步坑底隆起值分別為20.0、35.6、46.6、53.0、60.1 mm，在整個(gè)開挖過(guò)程中坑底14 m處的最大隆起值分別為11.8、24.0、36.1、48.2、60.1 mm(圖7);其中第9步開挖隆起最大值為基坑深度的4.32‰，符合規(guī)范所建議值(3‰～5‰)。

圖6 分步開挖后基底豎向位移圖(待續(xù))

續(xù)圖6 分步開挖后基底豎向位移圖

圖7 基坑坑底14 m處在第一、三、五、七、九開挖步中豎向位移

3 結(jié)論

本文擬定了基坑分步開挖與支護(hù)方案，對(duì)基坑開挖與支護(hù)過(guò)程中的豎向位移特征進(jìn)行分析。根據(jù)模擬計(jì)算分析的結(jié)果，結(jié)論總結(jié)如下:

1)在對(duì)基坑進(jìn)行分步開挖的過(guò)程中，開挖后坑外土體沉降量最大值為41.3 mm，為基坑開挖深度的2.95‰，符合規(guī)范建議值。

2)在對(duì)基坑進(jìn)行分步開挖的過(guò)程中，基坑豎向位移的最大值出現(xiàn)在基坑坑底中心位置，其值隨開挖的持續(xù)逐漸增大，最大值為60.1 mm，為基坑深度的4.32‰，符合規(guī)范所建議值(3‰～5‰)。

3)本文擬定的基坑分步開挖方案能夠滿足該基坑豎向位移在施工過(guò)程中的需要，其開挖過(guò)程中所發(fā)生的位移值均在規(guī)范所要求的范圍內(nèi)，可以為基坑的實(shí)際施工提供參考，具有十分重要現(xiàn)實(shí)意義。

［1］莊心善.深基坑開挖土體的卸荷試驗(yàn)研究及有限元分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2005.

［2］鄧小鵬.深基坑開挖與支護(hù)有限元數(shù)值分析［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

［3］丁勇春.軟土地區(qū)深基坑施工引起的變形及控制研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2009.

［4］姜忻良，宗金輝，孫良濤.天津某深基坑工程施工監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2007，20(2):79 －83.

［5］王 強(qiáng).塑料板排水預(yù)壓法加固軟基機(jī)理及沉降計(jì)算方法研究［D］. 南京:河海大學(xué)，2004.

［6］李 亞.淺談鋼板樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用［J］.交通科技，2010(4):102－106.

［7］GB 50497－2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.