楊 彬 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近年來，軟土地區(qū)基坑數(shù)量愈來愈多。隨著各類基坑挖深的增加，施工難度也在逐漸加大。由于基坑工程綜合性較強(qiáng)，支護(hù)理論受地域影響大，因此合理模擬施工并分析其土體變形，對(duì)深基坑的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)的研究具有重要意義。當(dāng)前，已有諸多學(xué)者對(duì)基坑變形進(jìn)行了大量研究，但研究成果多是針對(duì)普通基坑開挖中的變形特性，對(duì)于滲流條件下含淤泥質(zhì)土的深基坑開挖變形尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文結(jié)合蘇錫常南部高速公路太湖湖底隧道陸域部分深基坑工程，使用ANSYS創(chuàng)建三維模型，再導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行開挖支護(hù)模擬，采取軟件計(jì)算與實(shí)際量測(cè)結(jié)合的方式，在考慮淤泥質(zhì)黏土和地下水的影響下計(jì)算了開挖過程中各工況土體的變形，預(yù)測(cè)了施工中產(chǎn)生的沉降隆起、水平位移和滲流變化，對(duì)模擬和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

太湖隧道3標(biāo)位于江蘇無錫，整體采用圍堰明挖法施工，由兩岸向中間逐段推進(jìn)，流水作業(yè)。本文研究段位于太湖東岸臨時(shí)大堤內(nèi)側(cè)的陸域部分，屬垂直開挖最深區(qū)段。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)項(xiàng)目的前期勘察和區(qū)域地質(zhì)資料，基坑影響區(qū)主要是第四系全新統(tǒng)(Q4)黏性土及上更新統(tǒng)(Q3)土層。各層土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁和四道支撐。鉆孔樁型號(hào)Φ1000@1200mm。第一道內(nèi)撐選擇鋼筋混凝土，間距8m，斷面尺寸800×1000mm；第二至四道內(nèi)撐選擇外徑為Φ609的鋼管撐，壁厚16mm，相鄰支撐間距3m。一至四道內(nèi)撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1172.2kN、2554.8kN、2147.2kN、1535.2kN，各道鋼支撐軸力按設(shè)計(jì)的30%～70%施加，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)變形和監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)調(diào)整。

2 模型簡(jiǎn)介

模型需覆蓋基坑開挖的影響區(qū)域，還應(yīng)考慮求解精度和計(jì)算效率[1]。在消除邊界效應(yīng)的原則下，參考現(xiàn)有研究成果，選開挖尺寸（長(zhǎng)30 m寬44m深16m）的3～5倍作為影響區(qū)域較合理，故建立模型范圍30 m×176 m×40m。網(wǎng)格劃分使用solid185六面體，依據(jù)基坑密集、遠(yuǎn)處稀疏的原則，一共劃分81199個(gè)grid-points、74880個(gè)zones。模型如圖1所示。

圖1 ANSYS模型劃分網(wǎng)格示意圖

計(jì)算采用Elastic Model和Mohr-Coulomb Model兩種本構(gòu)，前者應(yīng)用于結(jié)構(gòu)單元，后者用于土體。流體為fl_iso各向同性模型，不透水材料采用fl_null滲流空模型。支撐和鉆孔樁分別選用beam和pile單元進(jìn)行模擬，模型共有443個(gè)structural-elements。土體在豎直方向可自由沉降，計(jì)算前對(duì)周邊進(jìn)行側(cè)向約束，不允許水平位移（X=0，X=176 和 Z=0，Z=-30），底面對(duì)豎直變形進(jìn)行約束（Y=-36.69m），模型上表面為無任何約束的自由面。

物理力學(xué)參數(shù)表 表1

3 計(jì)算工況

考慮到基坑附近荷載，為方便建模分析，在基坑頂部邊緣2m之外施加25kPa的均布荷載，加載寬度為便道和附近堆載總寬，取20m。考慮基坑降水的計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際更為接近，本文選擇主從進(jìn)程法進(jìn)行滲流和力學(xué)計(jì)算(set mech sub 10 fluid sub 10)。采取分步開挖的方法模擬6個(gè)過程。首先，對(duì)各層土施加重力荷載，讓模型自重穩(wěn)定，生成初始應(yīng)力場(chǎng)；再清除自重作用造成的位移，依據(jù)先撐后挖的基本原則，使用model null命令對(duì)土體進(jìn)行了2～6步降水并開挖，全過程由時(shí)間步長(zhǎng)來定義。工況見表2。

計(jì)算工況劃分情況 表2

由于工況2挖深較小，變形不明顯，故取第3～6步四個(gè)工況分析。

4 基坑位移分析

4.1 地表沉降和坑底隆起分析

最終豎向位移云圖如圖2，可發(fā)現(xiàn)土體應(yīng)力平衡打破后內(nèi)力重新分配，在卸荷作用下坑底土體回彈；基坑降水開挖、兩側(cè)荷載作用以及擾動(dòng)引起的鉆孔樁變形、軟土層蠕變，導(dǎo)致地表沉降，且主要集中在基坑兩側(cè)20 m范圍內(nèi)，最大沉降值小于監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)30mm(累計(jì)變化量)。模擬結(jié)果基本反映了施工過程中基坑豎向位移變化。

圖2 基坑開挖完成后豎向位移云圖

本節(jié)著重分析開挖完成后坑底隆起情況，中軸線南側(cè)隆起曲線如圖3所示，模擬曲線總體趨勢(shì)接近測(cè)量結(jié)果，呈現(xiàn)為中間大兩側(cè)小[1]。其中，坑底中心模擬值最大，達(dá)到了47.5mm，而實(shí)測(cè)值較小，二者差異是因?yàn)槟M未考慮施工中為預(yù)防涌水而對(duì)基底進(jìn)行的加固處理?？拷颖谔幍穆∑鹱钚?，分析是此處圍護(hù)樁水平位移較小，近樁土體受其約束。對(duì)于基底隆起要引起足夠的重視，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坑底位移，進(jìn)行抗隆起驗(yàn)算。同時(shí)，每次開挖后應(yīng)迅速降低地下水位，阻止?jié)B流向基坑內(nèi)持續(xù)發(fā)生，必要時(shí)需采取相應(yīng)的處治辦法[1]，避免有效應(yīng)力降低引起土體液化，造成格構(gòu)柱和主體在建部分因隆起而破壞。

圖3 坑底隆起位移圖

4.2 水平位移分析

水平位移是監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容和考察圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能的指標(biāo)。本節(jié)通過模擬和現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形[2]，以基坑側(cè)壁中心附近測(cè)斜孔為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源，分析架設(shè)支撐后中斷面位移變化情況，繪制模擬和實(shí)測(cè)的各工況樁身水平位移隨埋深的變化曲線對(duì)比圖如下。

圖4 樁身水平位移圖

由圖4可知，隨著挖深增加，樁前后水土壓力不斷平衡，樁身水平位移增加，最大值不斷下移，在基坑中部偏下趨于穩(wěn)定。各工況呈階梯型變化，最大值分別位于樁深3m，4m，9m和10m左右的位置，分別占挖深的0.026%，0.052%，0.16%和0.28%。開挖完成后模擬和監(jiān)測(cè)位移最大值均在挖深2/3附近，分別為44.5mm和48mm，也在監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)(50mm)范圍內(nèi)。樁體水平位移在角隅附近較小，角部剛度效應(yīng)強(qiáng)烈，剪應(yīng)力集中，土體處于塑性屈服狀態(tài)，在施工中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)并及時(shí)支撐[3]。而樁體嵌固部分，由于受到樁前被動(dòng)土壓力的作用變形減弱，圍護(hù)樁與樁后土體以耦合彈簧方式連成整體，模擬位移受約[4]。由于假設(shè)土層均布，地面動(dòng)載設(shè)為均布靜載；施工擾動(dòng)也未考慮，導(dǎo)致模擬值小于監(jiān)測(cè)值。但二者結(jié)果基本接近，說明模擬數(shù)據(jù)可以較好地反映樁身變形情況。

在圖4注意到，樁深3～6m內(nèi)水平位移也出現(xiàn)了波峰。付艷斌等[5]指出軟土在高卸載應(yīng)力水平下表現(xiàn)出較強(qiáng)的流變特性，土體變形急劇增加。本例陸域廣泛存在淤泥質(zhì)黏土，該層土地基承載力基本容許值fa0僅40～80kPa，搖振反應(yīng)明顯。原位測(cè)試給出其固結(jié)快剪Cc值為3.5kPa，φc為4.3°，可推斷該層主動(dòng)土壓力較大。由于開挖面一般有10～20d的外露期，當(dāng)挖至地表以下9m后，外露面處于力學(xué)性質(zhì)極差的1-2土層，在便道重載車輛長(zhǎng)期碾壓下該部土體極易進(jìn)入流塑狀態(tài)，導(dǎo)致側(cè)向變形經(jīng)歷明顯突變[6]。因此開挖前建議采用強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行就地固化處理。

5 孔壓與滲流分析

當(dāng)降水開挖完成且達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)后，基坑整體孔壓云圖呈地下水降落漏斗形狀。本節(jié)以基坑北側(cè)為例，將孔壓局部放大如圖5所示?？煽闯龅叵滤?rùn)線大概位置，孔壓為0的曲面形成降水漏斗，且距坑底1m深度范圍內(nèi)孔壓為0，滿足基坑降水設(shè)計(jì)要求。降水自由面之上和降水影響半徑內(nèi)形成超靜負(fù)孔壓，且隨著開挖的進(jìn)行不斷增大。

圖5 孔隙水壓力與滲流場(chǎng)速度矢量圖

滲流場(chǎng)速度分布圖5大致反映地下水流動(dòng)方向，開挖完成后流矢分布特征如下。①坑壁外圍流矢指向基坑，潛蝕坑壁；②基底以下土層流矢從中部向坑壁逐漸變大，臨近基底處由于地下水頭差作用，流矢指向基坑底，施工時(shí)此處較易出現(xiàn)底鼓或涌水，應(yīng)及時(shí)澆筑墊層和底板，減少基底外露時(shí)間；③圍護(hù)樁下部滲流場(chǎng)曲率最大，該處水力梯度較大且易達(dá)到臨界值，在連續(xù)降水的影響下，土顆粒不斷被動(dòng)水壓力帶走，基坑極易破壞；④圍護(hù)樁下方滲流由非穩(wěn)定流逐漸向平緩流過渡，離樁身越遠(yuǎn)降水開挖對(duì)滲流曲率變化影響越小。

圖6 圍護(hù)樁滲漏孔壓及流矢剖面圖（局部放大）

將流矢圖放大后，圖6發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁在3-1粉質(zhì)黏土層發(fā)生了漏水，但觀察到坑外孔壓等值線僅在坑壁處發(fā)生下曲，說明該層土滲透系數(shù)尚不足以引起坑外水位大幅降落，其滲漏對(duì)地表沉降影響較小。若承壓水深度處發(fā)生較大滲漏，則會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力增大、土層壓縮，加快沉降。

6 結(jié)論

①模擬出的變形和孔壓趨勢(shì)仿真度較高，與實(shí)測(cè)成果大致相符，較準(zhǔn)確地分析了基坑變形特性，表明計(jì)算采用的的數(shù)值模型、本構(gòu)關(guān)系、計(jì)算參數(shù)、模擬開挖過程合理可行，為本工程設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)參考，對(duì)同類工程也具有借鑒意義。

②計(jì)算中發(fā)現(xiàn)1-2層淤泥質(zhì)黏土蠕變明顯，施工前兩側(cè)便道應(yīng)就地固化、預(yù)壓養(yǎng)護(hù)；施工中應(yīng)快挖快澆以縮短軟土層外露期。對(duì)原位土固化宜采用強(qiáng)力攪拌頭上下直插式均勻攪拌，邊固化邊推進(jìn)。

③3-1層粉質(zhì)黏土位置出現(xiàn)滲漏，建議在止水施工中應(yīng)針對(duì)性地做好同類位置的坑壁加固，并嚴(yán)格做好掛網(wǎng)噴混凝土質(zhì)量控制。

④本文尚存不足之處，如計(jì)算中未考慮滲流引起的管涌、流砂等不確定因素的影響，仍需進(jìn)一步研究改進(jìn)。