任延壽

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300456）

0 引言

近年來隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，基坑施工條件越來越復(fù)雜化[1-3]，基坑安全也越來越被重視[4-6]。在我國(guó)沿海、沿江（河）城市地下水位一般較高，準(zhǔn)確、合理地考慮滲流對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，才能合理地進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工工序的安排以及安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置[7-8]?；娱_挖導(dǎo)致的土體應(yīng)力釋放將有助于土體中孔隙水的流動(dòng)及排出，這樣將影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的應(yīng)力分布，進(jìn)而影響基坑穩(wěn)定性。有限元模擬仿真作為基坑開挖安全評(píng)估最簡(jiǎn)便易行的方法之一，近年來越來越多地應(yīng)用于基坑開挖的安全設(shè)計(jì)，然而如何選取更加合理、更貼近工程實(shí)際的計(jì)算參數(shù)和施工工況，利用仿真結(jié)果指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、施工以及安全監(jiān)測(cè)，需要進(jìn)行更深一步的研究與探索。本文利用某專業(yè)化煤炭碼頭翻車機(jī)房圓形深基坑在高水位、臨近建筑物情況下的開挖工程實(shí)例，應(yīng)用有限元軟件PLAXIS對(duì)施工全過程進(jìn)行模擬仿真，在考慮滲流影響的情況下復(fù)核基坑設(shè)計(jì)方案和施工工序的合理性，并指導(dǎo)施工安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置。

1 工程概況

某專業(yè)化煤炭碼頭翻車機(jī)房圓形深基坑，基坑直徑72 m，開挖深度20 m；地基土體地下水位為地表以下2 m，開挖時(shí)基坑降水至開挖面以下1 m；基坑南側(cè)15 m處有兩幢辦公樓，基礎(chǔ)為筏板結(jié)構(gòu)。采用圓形地連墻作為深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地連墻壁厚1.3 m，深度為入土33 m。地連墻頂部設(shè)有冠梁1道，下面設(shè)有4道腰梁并沿圓周均勻設(shè)置12道豎肋，冠梁、腰梁和豎肋混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30。在基坑內(nèi)部距地連墻15 m處設(shè)6個(gè)降水井?；幽蟼?cè)地連墻布設(shè)有側(cè)向位移觀測(cè)點(diǎn)cx-1，從基坑邊緣開始間隔5 m設(shè)置地表沉降測(cè)點(diǎn)，分別為cj-1、cj-2和cj-3，基坑周邊情況及測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 基坑周邊情況及測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.1 The surrounding situation of foundation pit and the layout plan of measurepoints

工程區(qū)域內(nèi)地層為第四紀(jì)海相沉積層與陸相沉積層，以海相沉積為主，沉積韻律較明顯，土層的強(qiáng)度從上至下逐漸增大。根據(jù)本次鉆探資料揭示，上部地層主要由雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土及粉砂組成，下部地層為粉質(zhì)黏土及密實(shí)粉細(xì)砂為主。

基坑開挖施工一共分為6步，分別為地下連續(xù)墻施工；基坑降水并第1層開挖2.5 m，2 m處冠梁加內(nèi)支撐；基坑降水并第2層開挖7 m，5 m處腰梁加內(nèi)支撐；基坑降水并第3層開挖10 m，9 m處腰梁加內(nèi)支撐；基坑降水并第4層開挖15 m，13 m處腰梁加內(nèi)支撐；基坑降水并第4層開挖20 m，17 m處腰梁加內(nèi)支撐。

2 有限元仿真模擬

2.1 參數(shù)選取

本次計(jì)算分析采用摩爾庫(kù)倫模型對(duì)土體進(jìn)行模擬，采用楊氏模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角和膨脹角等參數(shù)來表征土體特性。對(duì)基坑開挖的圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻采用板單元模擬，鋼支撐采用錨桿單元模擬。

根據(jù)工程實(shí)際情況，假定土體中水的滲流符合達(dá)西定律且土體各向同性，滲流影響范圍用影響半徑R表征，考慮降水對(duì)基坑及周邊建筑物的影響，取降水中線100 m為影響半徑。模型中基礎(chǔ)深度取60 m，計(jì)算時(shí)同步考慮土骨架變形與孔壓消散，有限元計(jì)算物理參數(shù)見表1。

表1 有限元計(jì)算物理參數(shù)表Table 1 Physical parameter table of finite element calculation

由于基坑南部有兩幢辦公樓，根據(jù)樓房設(shè)計(jì)資料，樓房采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度2.5 m，荷載不超過180 kN/m，此次選取辦公樓方向的基坑斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)在距離基坑邊緣15 m處施加均布荷載來模擬辦公樓的存在。

在進(jìn)行有限元仿真計(jì)算時(shí)，地連墻重度取8.2 kN/m，泊松比為0.12，軸向剛度為2.65×107kN/m，抗彎剛度為1.365×106kN·m2/m；內(nèi)支撐為鋼管樁，軸向剛度為2.5×106kN/m。

建立有限元模型，本次計(jì)算共劃分896個(gè)單元，6 457個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)定模型底面為水力邊界基準(zhǔn)面且不透水，水頭及孔隙水壓力按照水位線所在高度計(jì)算，水位線處水壓力為0，計(jì)算基坑開挖前及開挖完畢時(shí)的孔隙水壓力分布情況。本次模擬嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸及施工進(jìn)度安排進(jìn)行，仿真分析的第一步為地應(yīng)力平衡，而后模擬步驟按照施工進(jìn)度進(jìn)行，并考慮每次降水引起的水位變化。

計(jì)算時(shí)在程序中輸入地基土地下水位位置，程序?qū)⒏鶕?jù)外部邊界條件生成外部水下壓力，而在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)將外部水壓力作為荷載處理，與土體重度和孔壓一并考慮，此時(shí)計(jì)算結(jié)果將更加接近工程實(shí)際。

2.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)圖2可知，基坑變形主要是由地連墻的側(cè)向位移引起，墻后地面有沉降。根據(jù)仿真結(jié)果可知基坑開挖過程中主要的位移發(fā)生在地連墻的地面部分以及基坑開挖深度中部，地連墻墻頂最大位移達(dá)22 mm，地連墻深層水平位移達(dá)19 mm，地連墻所受最大彎矩達(dá)940 kN·m/m，建議墻頂區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)沉降及近接建筑物的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)以保證施工安全。

圖2 基坑開挖完畢時(shí)位移云圖Fig.2 Displacement nephogram at the end of foundation pit excavation

墻后土體沉降計(jì)算結(jié)果顯示隨著基坑開挖過程的進(jìn)行，地表沉降持續(xù)增加，最大處位于基坑邊緣10 m，達(dá)59 mm，隨著距地連墻距離的增加地表沉降先增加后減少，基本符合遠(yuǎn)離基坑沉降變小的一般規(guī)律。分析導(dǎo)致基坑邊緣10 m沉降較大的原因，一方面由于在基坑邊緣15 m處施加表征辦公樓的均布荷載導(dǎo)致，另一方面，地連墻在基坑深度9～13 m處產(chǎn)生側(cè)向位移也將導(dǎo)致地面沉降增加。

基坑開挖降水過程中，土體內(nèi)水力條件發(fā)生改變，原有的水力平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生滲流場(chǎng)，而滲透力將轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?yīng)力，對(duì)土體的變形和坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖3為有效應(yīng)力云圖，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知基坑開挖時(shí)基坑內(nèi)總水頭勢(shì)能小于坑外，最小點(diǎn)位于基坑開挖面中心點(diǎn)，水從坑外流向坑內(nèi)，有可能在坑內(nèi)發(fā)生管涌及坑壁失穩(wěn)；降水必然引起坑內(nèi)土體孔壓消散，將導(dǎo)致基坑附近區(qū)域內(nèi)發(fā)生沉降，建議降水井遠(yuǎn)離支撐結(jié)構(gòu)，以免帶來安全隱患，考慮滲流對(duì)有效應(yīng)力的影響，將導(dǎo)致基坑開挖時(shí)沉降計(jì)算加大。

圖3 有效應(yīng)力云圖Fig.3 Effective stress nephogram

在一些實(shí)際工程變形計(jì)算中，很少考慮滲透力作用（尤其是水位下降引起的）對(duì)有效應(yīng)力的影響。由于巖土工程中有效應(yīng)力的提高是土體發(fā)生變形和沉降的主要因素，因此在進(jìn)行變形計(jì)算時(shí)應(yīng)注意有效應(yīng)力的變化。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)際工程需要以及有限元應(yīng)力和位移的計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)除傳統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目外，距基坑邊緣5 m距離設(shè)置1個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)，直至距離基坑邊緣90 m。為進(jìn)一步對(duì)比分析有限元仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取臨近辦公樓的基坑斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 地連墻水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可見，臨近辦公樓的地連墻深層水平位移變化最大，地連墻深層水平位移方向?yàn)榛觾?nèi)側(cè)，最大值為20 mm，開挖初期最大變化率達(dá)到 2.45 mm/d。

地連墻墻頂水平位移向基坑內(nèi)側(cè)偏移，最大位移發(fā)生在10～11 m基坑深度，最大值達(dá)23.2 mm，其歷史最大日變化率為 2.28 mm/d。分析地連墻墻頂水平位移變化曲線可知在基坑開挖初期，受基坑土體開挖影響，地連墻內(nèi)外側(cè)土壓力發(fā)生不均衡變化，基坑內(nèi)側(cè)土體被開挖出去，地連墻受基坑外側(cè)土體的作用，其頂部向基坑內(nèi)部產(chǎn)生移動(dòng)，隨著施工進(jìn)行外側(cè)土壓力逐漸平衡，墻頂水平位移變化率也逐漸減小，到后期其最大日變化率已經(jīng)減小至0.03 mm/d，已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

據(jù)辦公樓方向的基坑斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示，地連墻墻頂側(cè)向位移和深層水平位移分別為23.2 mm和20 mm，與有限元仿真結(jié)果對(duì)比，有限元仿真結(jié)果偏小5%左右。

3.2 土體土壓力及孔隙水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在基坑開挖過程中，由于基坑內(nèi)部土體被挖走，其內(nèi)側(cè)開挖面以上土壓力降低為0，受主動(dòng)土壓力的作用地連墻墻體向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生偏移，隨著基坑開挖深度的增加，受圈梁、豎肋共同作用影響，辦公樓附近地連墻向基坑內(nèi)側(cè)偏移逐漸減小。在基坑開挖期間地連墻外側(cè)土壓力變化趨勢(shì)與地連墻的偏移相對(duì)應(yīng)；在監(jiān)測(cè)后期，基坑外側(cè)土體土壓力變化較小，呈現(xiàn)基本穩(wěn)定狀態(tài)。

在整個(gè)基坑開挖施工階段，地連墻外側(cè)孔隙水壓力變化不大，其最大孔隙水壓力變化約為60 kPa，伴隨基坑開挖，地連墻向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一定的水平偏移，地連墻外側(cè)土體孔隙水壓力逐漸減小，受水位及孔隙水消散共同作用的影響，在監(jiān)測(cè)后期，基坑外側(cè)土體孔隙水壓力變化較小，呈現(xiàn)基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

提取辦公樓附近沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與有限元仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖4所示，由對(duì)比結(jié)果可見監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果吻合度較好。這也從側(cè)面反映出考慮滲流影響下的基坑開挖有限元計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果地表沉降最大點(diǎn)位于基坑邊緣10 m，最大值約62 mm。

與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，有限元仿真結(jié)果偏小5%左右。

圖4 基坑開挖地表沉降量對(duì)比圖Fig.4 Comparative chart of the ground settlement of foundation pit excavation

4 結(jié)語(yǔ)

1）距離基坑邊緣15 m處有辦公樓且考慮滲流對(duì)土體的影響，仿真分析結(jié)果顯示地連墻頂端將出現(xiàn)22 mm側(cè)向位移，在基坑深度9～13 m處的地連墻深層水平位移達(dá)19 mm，距基坑邊緣10 m處地表沉降最大值約59 mm，而與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，有限元仿真結(jié)果偏小5%左右。

2）考慮滲流對(duì)土體有效應(yīng)力的影響時(shí)，由于有效應(yīng)力的增加將導(dǎo)致土壓力的增加進(jìn)而引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形增大；水位較高時(shí)，由于孔隙水壓力的消散有導(dǎo)致基坑內(nèi)部土體發(fā)生管涌或基坑失穩(wěn)的可能。

3）根據(jù)工程監(jiān)測(cè)結(jié)果與仿真分析結(jié)果的對(duì)比分析，在地下水位較高的地區(qū)進(jìn)行深基坑開挖時(shí)考慮滲流對(duì)基坑穩(wěn)定的仿真分析計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較小，更貼近工程實(shí)際情況，建議相似工況下基坑穩(wěn)定性分析需考慮滲流對(duì)土體的影響。