張劍濤

(1.中國建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013；2.建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司，北京 100013)

0 引言

地鐵車站大多修建在繁華地帶，地鐵車站施工鄰域內(nèi)存在大量的商業(yè)、住宅、公共、交通等建(構(gòu))筑物。地鐵車站施工造成建(構(gòu))筑物鄰域地基土體的卸荷，深基坑土方開挖，改變了鄰域土體原有的應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形，進(jìn)而造成建筑物的沉降或傾斜[1-3]。

近年來，國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)基坑土卸荷作用下，鄰域建筑物的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，為地鐵建設(shè)過程中鄰域建筑物的保護(hù)積累了大量的有益經(jīng)驗(yàn)。徐代宏等[4]、王成華等[5]應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬的方法，對(duì)樁基礎(chǔ)建筑物側(cè)方基坑開挖卸荷作用下，樁基礎(chǔ)建筑物的變形機(jī)理進(jìn)行了研究；張治國等[6]、程聰[7]、田志強(qiáng)等[8]等應(yīng)用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等方法，對(duì)基坑施工開挖過程中，淺基礎(chǔ)建筑物的沉降規(guī)律、變形控制方法等進(jìn)行了分析；韓偉[9]基于實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)基坑施工過程中鄰近深基礎(chǔ)建筑物的變形特征進(jìn)行了研究。

鋼管樁基礎(chǔ)作為新興的基礎(chǔ)形式，在國內(nèi)外被大量應(yīng)用，但目前缺乏鄰域基坑土方開挖卸荷作用下鄰域鋼管樁基礎(chǔ)變形響應(yīng)的研究。鋼管樁基礎(chǔ)建筑物不同于一般混凝土樁基礎(chǔ)建筑物，具有承載力較高、自重輕、材質(zhì)均勻、施工工藝簡單、工程質(zhì)量易保證等優(yōu)點(diǎn)[10-12]?；诖?，本文以廈門市軌道交通1號(hào)線某典型地鐵車站及其鄰域的鋼管樁基礎(chǔ)建筑物工程為例，應(yīng)用工程實(shí)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)鄰域深基坑土方開挖卸荷作用下，側(cè)方鋼管樁基礎(chǔ)建筑物的變形響應(yīng)進(jìn)行了研究，并將其與混凝土樁基礎(chǔ)建筑物的變形差異進(jìn)行了分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

廈門市軌道交通1號(hào)線某地鐵車站為地下二層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基坑施工鄰域內(nèi)某鋼管樁基礎(chǔ)建筑物為本工程重要風(fēng)險(xiǎn)源。地鐵車站基坑長272.5m，寬度為20.7m，盾構(gòu)井段寬24.8m，基坑深度20.05m，采用Φ1000mm鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式?；铀街ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置三道內(nèi)支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，1200×1000mm(寬×高)，第二、三道支撐為Φ609、t=16鋼管支撐。該鋼管樁基礎(chǔ)建筑物采用框架結(jié)構(gòu)，高度34.03m，其中地下1層層高5.4m；地上4層，首層層高7.63m、2～4層層高7.0m，Φ500鋼管樁基礎(chǔ)，地下室邊線與車站側(cè)壁最近距離11.7m。建筑物現(xiàn)狀如圖1所示，地鐵車站與建筑物相對(duì)位置如圖2所示。

圖1 鋼管樁基礎(chǔ)建筑物現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of steel pipe pile foundation building

圖2 地鐵車站與鋼管樁基礎(chǔ)建筑物相對(duì)位置Fig.2 The relative position of subway station and steel pipe pile foundation building

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程范圍內(nèi)地形稍有起伏，以沖海積階地為主，局部為坡殘積臺(tái)地，地面高程0～25m。依據(jù)勘察報(bào)告，按巖土地層層序，地基土層自上而下依次為黏土質(zhì)素填土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

依據(jù)工程現(xiàn)場情況，結(jié)合原有的地表沉降點(diǎn)布設(shè)，監(jiān)測點(diǎn)布置以能夠準(zhǔn)確反應(yīng)整棟建筑的差異沉降為原則，主要布置在房角、承重墻和立柱上。JGC-01、JGC-03、JGC-04、JGC-05、JGC-10、JGC-11、JGC-19位于房角、承重墻和立柱位置，其余監(jiān)測點(diǎn)為原有地表沉降監(jiān)測點(diǎn)位置。監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置(單位：m)Fig.3 Arrangement of monitoring stations(unit：m)

2.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)工程圖紙及相關(guān)規(guī)范，鋼管樁基礎(chǔ)建筑物絕對(duì)變形量(豎向位移、水平位移小于30mm)，變形速率小于2mm/d。地鐵車站深基坑施工過程中要加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，必要時(shí)采用地面注漿加固。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 模型尺寸

為充分考慮建筑物上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)模擬結(jié)果的影響，采用地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)共同建模分析。數(shù)值計(jì)算模型范圍的確定須充分考慮邊界效應(yīng)的影響，依據(jù)MIDAS/GTS建模手冊(cè)及相關(guān)研究成果[13]，地基土結(jié)構(gòu)外平面尺寸取為3倍以上的結(jié)構(gòu)平面輪廓，厚度取為3倍以上的基坑深度，可滿足忽略邊界效應(yīng)的要求，故數(shù)值計(jì)算模型中長×寬×高為800m×800m×60m。整體模型網(wǎng)格劃分如圖4(a)所示，地鐵車站深基坑及鋼管樁基礎(chǔ)建筑物部分的網(wǎng)格劃分如圖4(b)所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of FEM calculation model

3.2 模型材料參數(shù)

相比于Mohr Coulomb模型，修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型可以分別設(shè)定土體的加、卸載變形模量，依據(jù)MIDAS/GTS幫助文件及相關(guān)文獻(xiàn)[14]，能有效地控制基坑開挖時(shí)由于應(yīng)力釋放引起的回彈隆起現(xiàn)象，故本模型中地基土體選用修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型，以實(shí)體單元建立，土體參數(shù)依據(jù)對(duì)應(yīng)的工程勘察報(bào)告數(shù)據(jù)選取(表1)。圍護(hù)樁、混凝土支撐及鋼管支撐、建筑物的梁、板、柱和鋼管樁基礎(chǔ)均采用彈性本構(gòu)模型，具體參數(shù)按照工程實(shí)際值確定(表2)。為避免圍護(hù)樁與土體單元之間由于剛度頻繁變化導(dǎo)致的計(jì)算不收斂，同時(shí)也為了降低計(jì)算成本，該模擬采用等剛度代換法將圍護(hù)樁折算為連續(xù)墻后以板單元計(jì)入[15-17]；混凝土支撐及鋼管支撐、梁、柱及鋼管樁基礎(chǔ)采用梁單元建模；建筑結(jié)構(gòu)樓板采用板單元建模。

表1 地基土層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)部分物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 地鐵車站深基坑施工過程模擬

參照實(shí)際施工流程，數(shù)值計(jì)算中采用單元網(wǎng)格模型激活—鈍化方式模擬地鐵車站施工過程按照表3所示工序模擬進(jìn)行。

表3 施工工序模擬

圖5 建筑物沉降云圖Fig.5 Cloud image of building settlement

3.4 計(jì)算方案

為深入分析基坑側(cè)向卸荷作用下，鋼管樁基礎(chǔ)建筑物與混凝土樁基礎(chǔ)建筑物變形動(dòng)態(tài)響應(yīng)的不同，本文采用2種方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算：

(1)方案1：按照原設(shè)計(jì)方案，采用Φ500鋼管樁基礎(chǔ)；

(2)方案2：建筑采用Φ500鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，布樁位置保持不變。

4 樁基礎(chǔ)變形動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

4.1 樁基礎(chǔ)沉降分析

通過數(shù)值計(jì)算可得基坑施工完成后，方案1與方案2樁基礎(chǔ)建筑物沉降云圖，如圖5所示。提取圖5中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置的沉降計(jì)算值，與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。分析圖6可知，隨著基坑開挖深度的增加，樁基礎(chǔ)沉降量逐步增大，方案2沉降量比方案1大約1.5mm；鋼管柱基礎(chǔ)建筑物的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果變化趨勢較為相似，數(shù)值計(jì)算結(jié)果略大于工程實(shí)測結(jié)果，偏安全，數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好地還原了工程實(shí)際，計(jì)算方法合理。地鐵車站深基坑施工完成后，樁基礎(chǔ)建筑物沿長軸及短軸方向樁頂沉降曲線如圖7所示。在廈門地區(qū)土巖復(fù)合地層條件下，深基坑施工對(duì)鄰域鋼管樁基礎(chǔ)沉降的影響范圍為2h(h為基坑深度)，當(dāng)鋼管樁基礎(chǔ)建筑物監(jiān)測點(diǎn)與基坑側(cè)壁距離大于2h時(shí)，樁頂沉降量小于3mm，可認(rèn)為鄰域地鐵車站深基坑施工對(duì)其影響較??；方案1與方案2變形響應(yīng)規(guī)律基本相同，方案2計(jì)算結(jié)果略大于方案1。綜上所述，在建筑物沉降方面，鋼管樁基礎(chǔ)建筑物與混凝土樁基礎(chǔ)建筑物基本無差異，混凝土樁基礎(chǔ)建筑物沉降量略大于鋼管樁基礎(chǔ)建筑物沉降量。

圖6 樁頂時(shí)程沉降分析Fig.6 Time-history curves of settlement displacement of the steel pipe pile top

圖7 樁頂沉降分布Fig.7 Settlement displacement of the steel pipe pile top

4.2 樁身水平位移分析

圖8為地鐵車站深基坑施工完成后，鄰域鋼管樁基礎(chǔ)建筑物監(jiān)測點(diǎn)JGC-1和JGC-10樁身水平位移曲線。分析計(jì)算結(jié)果可知：鋼管樁基礎(chǔ)樁身水平位移呈線性分布，混凝土樁基礎(chǔ)樁身水平位移在基坑底部存在明顯拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以下，樁身水平位移與鋼管樁基礎(chǔ)水平位移基本相同；拐點(diǎn)以上，樁身水平位移明顯大于鋼管樁基礎(chǔ)，約為鋼管樁基礎(chǔ)的2倍。地鐵車站深基坑施工完成后，樁基礎(chǔ)建筑物沿長軸及短軸方向樁頂水平位移如圖9所示。在廈門地區(qū)土巖復(fù)合地層條件下，深基坑施工對(duì)鄰域鋼管樁基礎(chǔ)沉降的影響范圍為1.7h，當(dāng)鋼管樁基礎(chǔ)建筑物監(jiān)測點(diǎn)與基坑側(cè)壁距離大于1.7h時(shí)，樁頂水平位移小于1mm，可認(rèn)為鄰域地鐵車站深基坑施工對(duì)其影響較小。方案1與方案2變形響應(yīng)規(guī)律基本相同，但鋼管樁基礎(chǔ)水平位移明顯小于混凝土樁基礎(chǔ)，約為混凝土樁基礎(chǔ)的一半。

圖8 樁身水平位移Fig.8 Horizontal displacement of steel pipe pile foundation

圖9 樁頂水平位移分布Fig.9 Horizontal displacement of the steel pipe pile top

5 結(jié)論

通過對(duì)廈門市軌道交通1號(hào)線某典型地鐵車站基坑工程及其鄰域鋼管樁基礎(chǔ)建筑物的研究，結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，研究了深基坑卸荷作用下，鄰域鋼管樁基礎(chǔ)建筑物的變形響應(yīng)規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)在廈門地區(qū)土巖復(fù)合地層條件下，深基坑施工對(duì)鄰域鋼管樁基礎(chǔ)的影響范圍為2h(h為基坑深度)，當(dāng)鋼管樁基礎(chǔ)監(jiān)測點(diǎn)與基坑側(cè)壁距離大于2h時(shí)，樁頂沉降量小于3mm，樁頂水平位移小于1mm，可認(rèn)為鄰域深基坑施工對(duì)其影響較小。

(2)鄰域基坑側(cè)方卸荷作用下，鋼管樁基礎(chǔ)與混凝土樁基礎(chǔ)沉降變形響應(yīng)基本相同，水平位移響應(yīng)差異較大，鋼管樁基礎(chǔ)水平位移呈線性分布，混凝土樁基礎(chǔ)水平位移存在明顯拐點(diǎn)，拐點(diǎn)以下與鋼管樁基本相同，拐點(diǎn)以上水平位移約為鋼管樁的2倍。