翟永勇周子瑜沈明航鄔建華濮仕坤

1. 南京勘察工程有限公司 江蘇 南京 210007；2. 陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院 江蘇 南京 210007；3. 黑龍江省人防設(shè)計(jì)研究院 黑龍江 哈爾濱 150000

我國各大主要城市正在積極興建或者準(zhǔn)備興建大型地下工程，這就很可能會(huì)直接涉及深基坑工程[1]。而基坑的安全性問題也成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文結(jié)合某基坑支護(hù)工程，對(duì)該項(xiàng)目及周圍建筑物的安全性進(jìn)行分析和研究，利用有限元軟件模擬基坑支護(hù)的過程，深入研究基坑支護(hù)對(duì)周圍土體的影響，通過數(shù)值模擬計(jì)算得到基坑支護(hù)對(duì)周圍環(huán)境的位移、軸力、剪力、彎矩的影響，確保最大程度滿足規(guī)定的要求，以確保工程的安全性與穩(wěn)定性。

1 國內(nèi)外研究概況

自20世紀(jì)30年代，太沙基和皮克等專家學(xué)者已經(jīng)首次進(jìn)行了大型基坑開挖工程的科學(xué)技術(shù)研究，在參與美國的大型基坑基礎(chǔ)建設(shè)中，他們就已經(jīng)初步對(duì)基坑進(jìn)行了基礎(chǔ)施工和質(zhì)量監(jiān)測[2]。自1970年后，許多國家陸續(xù)制訂了指導(dǎo)基坑開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的法規(guī)。除了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構(gòu)法、沉管法、凍結(jié)法及注漿法等開挖技術(shù)外，又有了新的進(jìn)展[3]。

我國在1980年初才開始出現(xiàn)大量的基坑工程。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，在改革開放和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長的形勢(shì)下，全國工程建設(shè)亦突飛猛進(jìn)[4]，多層地下室逐漸增多，基坑開挖深度超過10 m的比比皆是，其埋置深度也就越來越深，對(duì)基坑工程的要求越來越高。我國城市地下工程、隧道和地下井孔開挖工程等先后成功引入了多種明挖法、暗掘法、蓋式隧道開挖的方法、盾構(gòu)法、沉管法、凍結(jié)開挖法和污水注入泥漿開挖法等，這些開挖方法技術(shù)中的一些或其中應(yīng)用的部分技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)基本達(dá)到了國際先進(jìn)的技術(shù)水平。

2 工程概況

本工程位于江蘇省南京市，地上建筑為核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度為93 m，共23層，其中5層帶裙樓；地下部分為2層車庫。

基坑開挖面積大約為6 800 m2，周長390 m，最大開挖深度為12.05 m（圖1），本次開挖基坑的工程安全技術(shù)保障等級(jí)為一級(jí)。

圖1 基坑平面

3 基坑支護(hù)方案確定

基坑支護(hù)工作的基本原則如下[5]：

1）保障基坑開挖過程中的安全和施工人員的人身安全，保障附近的已修建建筑物、道路、基坑等支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的安全。

2）價(jià)格經(jīng)濟(jì)適宜。在保障安全的必要條件下，盡可能多地節(jié)省支護(hù)性工程費(fèi)用。

3）為了確?；觾?nèi)各個(gè)分項(xiàng)工程的施工按時(shí)有序展開，盡量減少前期的基坑支護(hù)性施工時(shí)間及全部地下工程的施工時(shí)間。

本基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，本工程地質(zhì)條件極差，綜合場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及基坑開挖深度，以“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、方便施工”為原則，確定基坑支護(hù)方案采用鉆孔灌注樁＋2層鋼筋混凝土支撐，坑內(nèi)采用三軸深攪樁格柵加固，三軸深攪樁止水，結(jié)合管井疏干。

4 水文地質(zhì)條件

4.1水文條件

場地人工填土由于密實(shí)度差，其間的大孔隙往往成為地下水的賦存空間，且連通性較好，富水性及透水性較好，屬弱透水層，雨季水量較豐富。潛水含水層由①層人工填土，②1、②2、②3、②4層新近沉積的黏性土構(gòu)成。弱承壓含水層水頭埋深為4.00 m，標(biāo)高為3.00 m，年變化幅度為1.00～2.00 m。

4.2地質(zhì)條件

基坑部分影響范圍內(nèi)土層自上而下依次為：①1層雜填土，層底埋深1.30～4.80 m；①2層素填土，層底埋深2.70～5.40 m；②1層粉質(zhì)黏土，層底埋深4.30～5.70 m；②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層底埋深16.90～22.50 m；②3層粉質(zhì)黏土，層底埋深30.50～37.40 m；②4層粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂，層底埋深46.50～50.70 m；③1層粉質(zhì)黏土夾粉砂，層底埋深54.20～59.10 m；③2層粉砂夾粉質(zhì)黏土，層底埋深62.00～64.60 m；⑤1層強(qiáng)風(fēng)化泥巖，層底埋深63.20～65.80 m；⑤2A層中風(fēng)化泥巖，層底埋深66.50～72.40 m；⑤2B層中風(fēng)化泥巖，未穿透。

5 有限元模型建立

為避免模型建立得過大，導(dǎo)致出現(xiàn)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多、計(jì)算復(fù)雜的情況，依據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，基坑的開挖對(duì)周圍土體和建筑物的影響區(qū)域大致為3～5倍的開挖寬度，5倍的開挖深度[6]。

選取得到了模型的尺寸應(yīng)當(dāng)為長226.807 m、寬226.807 m、高80.000 m。本次建模模型涉及的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為34 331個(gè)，單元數(shù)目為38 747個(gè)?；幽Ｐ鸵约盎又ёo(hù)模型見圖2、圖3。

圖2 基坑模型

圖3 基坑支護(hù)模型

在模型的建立過程中共劃分了6個(gè)土層，3個(gè)開挖網(wǎng)格，2道支撐，同時(shí)也劃分了冠梁、腰梁、格構(gòu)柱與立柱樁，邊界條件包括自然邊界，綜合樓與周圍土體接壤的抗扭轉(zhuǎn)約束，靜力荷載為自重，施工階段共分為5步，分別是：初始地應(yīng)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及立柱樁、第1次開挖、第2次開挖、第3次開挖。

6 計(jì)算結(jié)果分析

6.1基坑及周圍監(jiān)測

以該工程基坑施工區(qū)域周圍3倍基坑開挖深度范圍的地下管線、周邊土體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身作為本工程監(jiān)測及保護(hù)的對(duì)象[7]?；又苓?倍開挖深度范圍內(nèi)的土體地面沉降比較明顯地反映出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況和周邊環(huán)境受基坑的影響，故基坑周圍垂直于基坑走向要布設(shè)若干組地表沉降監(jiān)測斷面；設(shè)置的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)必須滿足本工程設(shè)計(jì)和符合有關(guān)規(guī)范規(guī)程的要求，并能全面反映本工程施工過程中周圍環(huán)境和基坑圍護(hù)體系的變化情況；基坑開挖過程對(duì)周圍環(huán)境，包括周邊建筑、周圍道路、地下管線有可能產(chǎn)生各種影響，因此必須對(duì)這些保護(hù)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測。

6.2結(jié)果分析

1）立柱位移。從模擬結(jié)果可以得到：第1次開挖過程中立柱位移最大值為5.89 mm；第2次開挖過程中立柱位移最大值為18.40 mm；第3次開挖過程中立柱位移最大值為23.69 mm。因此，本工程在基坑開挖過程中，立柱的最大位移發(fā)生在第3次開挖過程中，最大沉降值為23.69 mm，未超過設(shè)計(jì)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，滿足安全性的要求[8]。

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移。從模擬結(jié)果可以得到：第1次開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值為1.82 mm；第2次開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值為11.61 mm；第3次開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移最大值為20.20 mm。因此，本工程在基坑開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在第3次開挖過程中，最大位移值為20.20 mm，未超過監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，滿足安全性的要求。

3）第1道支撐軸力。從模擬結(jié)果可以得到：第1次開挖梁單元最大軸力值為704 kN和619 kN；第2次開挖梁單元最大軸力值為2 360 kN和1 910 kN；第3次開挖梁單元最大軸力值分別為3 840 kN和10 000 kN。因此，本工程在基坑開挖過程中，最大軸力發(fā)生在第3次開挖過程中，最大軸力值為10 000 kN，未超過設(shè)計(jì)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，滿足安全性的要求。

4）第1道支撐剪力。從模擬結(jié)果可以得到：第1次開挖梁單元y方向最大剪力值分別為279 kN和228 kN，z方向最大剪力值分別為131 kN和256 kN；第2次開挖梁單元y方向最大剪力值分別為1 050 kN和866 kN，z方向最大剪力值分別為403 kN和531 kN；第3次開挖梁單元y方向最大剪力值分別為1 330 kN和878 kN，z方向最大剪力值分別為1 340 kN和2 580 kN。因此，本工程在基坑開挖過程中，最大剪力發(fā)生在第3次開挖過程中，最大剪力值為2 580 kN，未超過設(shè)計(jì)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，滿足安全性的要求。

5）第1道支撐彎矩。從模擬結(jié)果可以得到：第1次開挖梁單元y方向最大彎矩值分別為239 kN·m和166 kN·m，z方向最大剪力值分別為648 kN·m和380 kN·m；第2次開挖梁單元y方向最大彎矩值分別為913 kN·m和662 kN·m，z方向最大剪力值分別為2 590 kN·m和1 270 kN·m；第3次開挖梁單元y方向最大彎矩值分別為1750 kN·m和1 210 kN·m，z方向最大剪力值分別為4 120 kN·m和2 810 kN·m。因此，本工程在基坑開挖過程中，最大彎矩發(fā)生在第3次開挖過程中，最大彎矩值為1 750 kN·m，最大剪力值為4 120 kN·m，未超過設(shè)計(jì)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)，滿足安全性的要求。

7 結(jié)語

通過對(duì)某基坑開挖的步驟進(jìn)行三維有限元模型的建模，以評(píng)估基坑開挖的安全性，建立了考慮復(fù)雜土體、支撐結(jié)構(gòu)、腰梁、冠梁、立柱樁與格構(gòu)柱共同配合作用下的基坑三維有限元模型，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。建模過程中采取彈塑性摩爾-庫侖模型模擬了基坑開挖的整體過程。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知：開挖過程中立柱最大豎向位移、最大軸力、最大剪力、最大彎矩均發(fā)生在第3次開挖時(shí)，最大值均符合相關(guān)監(jiān)測的要求，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平方向的位移值為20.20 mm。地下水引起的地面沉降與對(duì)周圍建筑物的影響需要結(jié)合所在區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)定性地分析和定量地計(jì)算。

通過將仿真的結(jié)果與監(jiān)測值進(jìn)行比較，并根據(jù)監(jiān)測報(bào)告，數(shù)據(jù)均未超過報(bào)警值，可知此次基坑支護(hù)體系能夠滿足規(guī)范要求和基坑開挖的安全性要求，且與有限元模型結(jié)果相近，驗(yàn)證了模型的正確性，依據(jù)其支撐結(jié)構(gòu)體系的軸力、剪力和彎矩，也為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化提供了依據(jù)。