李向群，劉 帥，李宗效

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘察工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

隨著改革步伐的深化，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度也發(fā)生質(zhì)的變化,這使得許多外來(lái)人口將發(fā)展的目光投向大城市,城市人口數(shù)量在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì),導(dǎo)致了城市土地需求量的快速增加.為了使土地資源得到最大化利用,建筑物朝著高度和地下空間這兩個(gè)方向的延伸.在人口處于飽和狀態(tài)的一二線(xiàn)城市,土地資源的利用正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)在上個(gè)世紀(jì)慢慢崛起,高層和超高層建筑如雨后春筍般地拔地而起,地下工程的層數(shù)也逐漸增加,深基坑工程也因此孕育而生.由此可見(jiàn),基坑工程是一項(xiàng)繁瑣性與復(fù)雜性的工程項(xiàng)目,同時(shí)也是一項(xiàng)需要更深入研究來(lái)尋求突破工程技術(shù)難題的科研課題[1-3].

基坑工程在建筑施工中常被定義為臨時(shí)工程,其難點(diǎn)并不僅局限在合理的設(shè)計(jì)和有豐富的施工技術(shù)方面,而且很多時(shí)候會(huì)受到施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、周?chē)h(huán)境和天氣情況等影響.當(dāng)對(duì)基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮方案的合理性和施工的可行性,還要考慮其結(jié)構(gòu)的安全性和低成本性,所以基坑工程是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性、高風(fēng)險(xiǎn)性的巖土工程技術(shù)課題[4].

本文選用具有現(xiàn)實(shí)意義的基坑工程實(shí)例,研究基坑開(kāi)挖時(shí)的變形情況.該基坑的支護(hù)方案采用的是排樁+內(nèi)支撐的形式，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS,根據(jù)其地質(zhì)勘查報(bào)告提供的數(shù)據(jù),查閱了本地區(qū)的相關(guān)地質(zhì)資料,對(duì)基坑建模所用到土體參數(shù)進(jìn)行合適的取值,然后進(jìn)行模型網(wǎng)格的劃分和工況的定義,最后計(jì)算結(jié)果.利用基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬的結(jié)果,查看不同開(kāi)挖深度其X水平方向和Z豎直方向的土體位移變化范圍和變化趨勢(shì),總結(jié)其基坑變形的規(guī)律, 同時(shí)也對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形情況進(jìn)行分析.通過(guò)對(duì)該基坑開(kāi)挖變形的研究及與現(xiàn)場(chǎng)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,檢驗(yàn)該支護(hù)方案的合理性和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性.

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

該工程項(xiàng)目位于某市繁華地段,處于兩條城市主要道路的交匯處的西南角位置,有兩層地下室.該工程基坑開(kāi)挖深度約8 m.由于基坑的開(kāi)挖深度大于5 m,所以此基坑屬于深基坑的范疇.基坑尺寸為45 m×40 m.基坑施工場(chǎng)地較為狹小,四周環(huán)境比較復(fù)雜,有地下管線(xiàn),基坑西側(cè)臨近一個(gè)大型超市，北側(cè)臨近馬路，東側(cè)不遠(yuǎn)處有幾棟居民樓，南側(cè)有正在施工修建的道路.在周?chē)h(huán)境和施工空間的約束下,基坑開(kāi)挖極易對(duì)其周邊環(huán)境產(chǎn)生影響.參考該地區(qū)類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn),該工程決定選用放坡+排樁+內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)支護(hù)方案.1 m的深度進(jìn)行開(kāi)挖放坡,腰梁的尺寸為800 mm×600 mm,冠梁的尺寸為800 mm×600 mm,800 mm×600 mm類(lèi)型的內(nèi)支撐的支護(hù)體系,共設(shè)置兩層鋼筋混凝土內(nèi)支撐.

1.2 基坑設(shè)計(jì)主要地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,參考相鄰工程的基坑開(kāi)挖實(shí)際資料，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)以雜填土、淤泥質(zhì)粘土及粘土為主.針對(duì)基坑工程,部分土試樣做了直接剪切實(shí)驗(yàn)(q)及三軸實(shí)驗(yàn)(UU).基坑影響范圍內(nèi)各土層的指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers

1.3 水文地質(zhì)條件

勘察場(chǎng)區(qū)上部地下水為第四系孔隙潛水—微承壓水.淺層地下水礦化度一般為小于2.0 g/L的微咸水,含水層巖性一般以粉細(xì)砂及粘性土為主,在水平方向上含水層多呈帶狀和透鏡體狀分布,在垂直方向上含水層與相對(duì)隔水層交錯(cuò)分布,淺層地下水的主要來(lái)源是靠大氣降水進(jìn)行補(bǔ)給,另外還接受少量的河流側(cè)滲補(bǔ)給，其排泄途徑主要為蒸發(fā)與開(kāi)采,地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型為降水入滲蒸發(fā)型.

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

該基坑模型為不規(guī)則的多邊形,長(zhǎng)邊45 m,短邊長(zhǎng)40 m,基坑開(kāi)挖深度為8 m,則在基坑對(duì)周?chē)馏w影響范圍的選取上,通常是從基坑坑壁邊界向周?chē)鷶U(kuò)大3倍的H(基坑開(kāi)挖深度),作為影響區(qū)域的邊界,也即不能小于24 m.深度范圍最大取3倍的基坑深度,2倍的立柱深度.模型的計(jì)算尺寸為90 m×70 m×25 m.在建立模型時(shí),網(wǎng)格的劃分至關(guān)重要,所以需要選擇合適的網(wǎng)格尺寸,最后才能計(jì)算出精確的結(jié)果.如果網(wǎng)格劃分尺寸過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度下降,計(jì)算結(jié)果誤差較大.如果網(wǎng)格劃分尺寸過(guò)小,會(huì)造成最后結(jié)果不收斂,并且浪費(fèi)大量的時(shí)間用于運(yùn)算.該模型外部網(wǎng)格劃分尺寸為3 m,模型內(nèi)部網(wǎng)格劃分尺寸為2 m,生成網(wǎng)格時(shí)選用混合網(wǎng)格生成器.基坑模型中各層土體采用Mohr-Coulomb模型,而混凝土采用彈性材料.在建模時(shí),排樁運(yùn)用等效剛度法,使其等效為0.6 m厚的地下連續(xù)墻.這樣做能有效改善模型接觸單元的缺陷,較好地反應(yīng)法向和切向變形以及內(nèi)力傳遞,且計(jì)算簡(jiǎn)單、方便[5].基坑模型如圖1所示,支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 基坑三維模型Fig.1 3D model of foundation pit

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Supporting structure model

2.2 施工工況

建立模型時(shí)把基坑開(kāi)挖分為6個(gè)施工步驟：

工況1 初始地應(yīng)力分析;

工況2 放坡開(kāi)挖至1 m處,進(jìn)行圍護(hù)樁、冠梁和立柱的施工,并設(shè)置第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐;

工況3 開(kāi)挖至2 m處;

工況4 開(kāi)挖至4 m處,進(jìn)行腰梁施工,并設(shè)置第二道鋼筋混凝土內(nèi)支撐;

工況5 開(kāi)挖至6 m處;

工況6 開(kāi)挖至8 m處(基坑坑地).

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 開(kāi)挖水平位移結(jié)果分析

深基坑在開(kāi)挖施工的過(guò)程中,基坑內(nèi)外的土體由開(kāi)挖之前的靜止土壓力狀態(tài)向被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力狀態(tài)上改變,導(dǎo)致了土體原來(lái)初始應(yīng)力場(chǎng)的改變.在施工工況的模擬情況下,隨著基坑一步步開(kāi)挖而產(chǎn)生的水平位移模擬出的結(jié)果如圖3～圖7所示.

根據(jù)圖3～圖7所示,隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的土壓力值也隨之增大,導(dǎo)致出現(xiàn)基坑側(cè)壁土體向基內(nèi)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象.在水平方向,離基坑開(kāi)挖面的距離與水平位移值的大小呈現(xiàn)出減函數(shù)關(guān)系.土體的水平位移值隨著離基坑開(kāi)挖面距離的增大而逐漸減小.

圖3 第1步開(kāi)挖水平位移Fig.3 Horizontal displacement of excavation in the first step

圖4 第2步開(kāi)挖水平位移Fig.4 Horizontal displacement of excavation in the second step

圖5 第3步開(kāi)挖水平位移Fig.5 Horizontal displacement of excavation in the third step

圖6 第4步開(kāi)挖水平位移Fig.6 Horizontal displacement of excavation in the fourth step

圖7 第5步開(kāi)挖水平位移Fig.7 Horizontal displacement of excavation in the fifth step

由圖3可以看出,當(dāng)?shù)谝徊介_(kāi)挖完成,進(jìn)行圍護(hù)樁、冠梁和立柱的施工,并設(shè)置第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐后,基坑側(cè)壁水平土體位移值均很小,最大位移量0.653 mm.基坑開(kāi)挖初期,原有的土體發(fā)生了擾動(dòng),基坑的結(jié)構(gòu)支護(hù)得到很快的完善,對(duì)基坑側(cè)壁土體的變形影響不是很大.從圖3～圖7可以看出,隨著開(kāi)挖深度的逐漸加大,第二道內(nèi)支撐施工逐漸完成,但基坑的水平位移依舊在逐漸加大,而各開(kāi)挖步最大水平位移值均為未超過(guò)30 mm,滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求.由上述結(jié)果可知,基坑水平位移模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確.當(dāng)深基坑工程在施工開(kāi)挖時(shí),基坑側(cè)壁水平位移的變化情況不能忽視,位移的變化值對(duì)基坑安全施工至關(guān)重要,加強(qiáng)基坑在開(kāi)挖前期至開(kāi)挖后期基坑頂部水平位移的綜合監(jiān)測(cè)強(qiáng)度,以避免安全事故的發(fā)生.

3.2 基坑豎向位移結(jié)果分析

基坑隨著施工工況的一步步進(jìn)行,基坑內(nèi)外土體的豎向位移情況也在發(fā)生改變.豎向位移具體變化狀況如圖8～圖12所示.圖中信息欄的負(fù)值代表土體的沉降量,正值代表土體的隆起量.

根據(jù)圖8～圖12每步開(kāi)挖豎向位移圖的研究分析可知,基坑側(cè)壁邊緣地表面的沉降量隨著基坑的不斷開(kāi)挖其值也不斷加大.基坑坑壁外側(cè)的地表出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象,而基坑內(nèi)的土體出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象.基坑內(nèi)上部土體隨著逐步的開(kāi)挖,使施加的自重荷載不斷卸去,導(dǎo)致坑內(nèi)的土體也慢慢出現(xiàn)回彈.另外，支護(hù)樁隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行,土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,由此支護(hù)樁在水平和豎直方向有位移出現(xiàn),這些原因也會(huì)造成基坑開(kāi)挖區(qū)底部的土體出現(xiàn)回彈現(xiàn)象.

圖8 第1步開(kāi)挖豎向位移Fig.8 Vertical displacement of excavation in step 1

圖9 第2步開(kāi)挖豎向位移Fig.9 Vertical displacement of excavation in step 2

圖10 第3步開(kāi)挖豎向位移Fig.10 Vertical displacement of excavation in step 3

圖11 第4步開(kāi)挖豎向位移Fig.11 Vertical displacement of excavation in step 4

圖12 第5步開(kāi)挖豎向位移Fig.12 Vertical displacement of excavation in step 5

從開(kāi)挖完成后的豎向云圖12中可以得出,基坑內(nèi)的最大隆起量不在坑壁的附近,而是在距離坑壁較遠(yuǎn)的位置,基坑壁兩側(cè)土體的隆起量比較小，其原因是支護(hù)樁和噴射的混凝土面層這二者能對(duì)基坑壁土體的隆起起到抑制作用.坑外土體的沉降現(xiàn)象與坑內(nèi)土的現(xiàn)象一樣,最大沉降量的位置不是在基坑側(cè)壁附近,而是在基坑壁外側(cè)的一定距離處.由開(kāi)挖第2步到第5步的豎向位移圖可知,基坑隨著一步步的開(kāi)挖,基坑側(cè)壁邊緣的沉降量也隨之增加,而每步開(kāi)挖導(dǎo)致的最大沉降量均發(fā)生在距基坑側(cè)壁有限遠(yuǎn)的位置處.由最后開(kāi)挖完成的第5步豎向位移圖可知,地表的最大沉降量為4.4 mm，是開(kāi)挖深度8 m的0.55 %,滿(mǎn)足規(guī)范要求,此基坑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理可行.

4 結(jié)論

根據(jù)本文實(shí)際基坑工程的開(kāi)挖模擬得出水平位移和豎直位移的范圍、變化規(guī)律等信息，可以得出以下結(jié)論:

(1) 在以后的基坑工程開(kāi)挖施工中,考慮基坑的變形時(shí)要控制基坑每步的開(kāi)挖深度,可起到減緩基坑變形量增大速率的作用.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中,若有軟土層位于在地下連續(xù)墻底部時(shí)，應(yīng)加大地下連續(xù)墻的嵌固深度,這樣能對(duì)踢腳變形和坑內(nèi)土體過(guò)大的隆起量的出現(xiàn)起到一定的抑制作用.

(2) 基坑在進(jìn)行開(kāi)挖時(shí),坑內(nèi)土體的荷載卸去,基坑內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,在支護(hù)結(jié)構(gòu)上作用的荷載出現(xiàn)不平衡狀態(tài)時(shí),會(huì)造成土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形.模擬基坑豎向位移過(guò)程中,基坑隨著深度的開(kāi)挖,導(dǎo)致基坑坑壁地表的土體發(fā)生沉降,基坑開(kāi)挖深度的增加,沉降量也隨之的加大.

(3) 在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中,基坑邊緣位置盡量避免有土方堆積現(xiàn)象的發(fā)生,如有堆積的現(xiàn)象發(fā)生時(shí),要做到堆積量小、堆積時(shí)間短.在基坑進(jìn)行每步的開(kāi)挖時(shí),要嚴(yán)控開(kāi)挖的深度避免超挖與欠挖,各道支撐之間的距離應(yīng)盡量相同，這樣能夠使圍護(hù)墻體水平位移的增長(zhǎng)速率較小，從而保持內(nèi)支撐良好的受力狀態(tài).