翟永勇 王嘉浩 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(guó)防工程學(xué)院 江蘇 南京 210007;3. 北京交通大學(xué) 北京 100044

隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，城市高層建筑工程深基坑不斷增多[1]。它們常常坐落在人口相對(duì)稠密的區(qū)域，四周有大量的建筑物和重要管道，施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制，保證基坑的穩(wěn)定性。同時(shí)，深基坑的開(kāi)挖與降水會(huì)破壞自然土體的均衡狀態(tài)，造成土體的變形，引起四周一系列的建（構(gòu)）筑物以及地下管線變位。由于深基坑支護(hù)工程存在復(fù)雜性與不確定性，故造成過(guò)相當(dāng)多的問(wèn)題，引發(fā)了一系列重大的工程事故。

本文將考慮初始地應(yīng)力、開(kāi)挖步驟、地層物理參數(shù)、施工降水等諸多因素，利用數(shù)值分析的方法，深入研究大型基坑開(kāi)挖及施工降水時(shí)對(duì)于周圍土體的影響情況。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

陸新征等[2]對(duì)某設(shè)計(jì)尺寸達(dá)到69 m×50 m×50 m的特深基坑進(jìn)行了施工全過(guò)程的三維有限元彈塑性分析和模擬，并詳細(xì)說(shuō)明了具體實(shí)現(xiàn)方法；平揚(yáng)等[3]將比奧固結(jié)理論擴(kuò)展應(yīng)用于彈塑性分析領(lǐng)域，耦合滲流場(chǎng)水力作用與應(yīng)力場(chǎng)，并通過(guò)有限單元法模擬得到深基坑開(kāi)挖及降水過(guò)程中，開(kāi)挖范圍及鄰近區(qū)域地面沉降等環(huán)境效應(yīng)的基本規(guī)律。李俊才等[4]采用三維快速拉格朗日差分分析法將南京A、B大廈支護(hù)結(jié)構(gòu)（懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)、單層支點(diǎn)混合支護(hù)結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁連拱支護(hù)結(jié)構(gòu)）與一定范圍內(nèi)的土體（長(zhǎng)、寬、高）作為一個(gè)整體，結(jié)合基坑實(shí)際開(kāi)挖降水及施工工序，模擬和反映支護(hù)結(jié)構(gòu)體的空間受力特征和變形。駱祖江等[5]、馮曉臘等[6]、張蓮花等[7]對(duì)此也有相應(yīng)的分析。常見(jiàn)的巖土工程數(shù)值分析主要利用通用和專用的有限元軟件，如Abaqus、Ansys、Midas等。鄭剛等[8]、姚燕雅等[9]、王成華等[10]、陳志明[11]使用Abaqus；許劍峰[12]、郭智杰等[13]、申明亮等[14]使用Ansys；李治[15]、李方成等[16]、李輝等[17]、胡斌等[18]使用Midas，均對(duì)基坑開(kāi)挖降水對(duì)周邊環(huán)境的影響做過(guò)研究。

本文所研究的超大基坑位于江蘇省蘇州市繁華地帶，是蘇州市最大最深基坑之一，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，受到蘇州市各界人士的關(guān)注。方案突破了類似工程常規(guī)，具有較強(qiáng)的操作性及針對(duì)性，節(jié)約了工程造價(jià)，縮短了工期。為了解基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，建立了土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐體系以及豎向支護(hù)體系共同配合作用的基坑三維有限元模型，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形位移、立柱樁身的沉降、支撐結(jié)構(gòu)軸向力以及不同降水次序進(jìn)行了定量分析，有效地控制了基坑變形，確保周邊建筑、市政管網(wǎng)設(shè)施不受影響，得到了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程概況

本工程地處于蘇州市工業(yè)園區(qū)，分為兩期工程。一期工程基坑面積約為14 000 m2，周長(zhǎng)約為500 m；二期工程基坑面積約為27 000 m2，周長(zhǎng)約為640 m。一期工程已經(jīng)落成，二期工程基坑（圖1）包括了圓環(huán)式支撐體系、周圍土體以及支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 基坑平面示意

3 基坑支護(hù)方案

3.1 基坑安全等級(jí)

本基坑開(kāi)挖的深度為14.3 m，周邊環(huán)境條件復(fù)雜，工程地質(zhì)條件較差且含豐富的地下水，主要工程地質(zhì)條件從上至下分別為：雜填土層、黏土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉砂夾粉土層、粉質(zhì)黏土層、黏土夾粉質(zhì)黏土層等?；觽?cè)壁安全等級(jí)定為一級(jí)，重要性系數(shù)1.1。

3.2 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

本場(chǎng)地內(nèi)可利用的施工條件較為狹窄，基坑開(kāi)挖的深度深、面積大，需考慮土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)空效應(yīng)受力的特點(diǎn)，采用有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)材料受力的形式。

綜合考慮以上各種因素，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用了鉆孔灌注樁的圍護(hù)形式，水平方向上加了3道混凝土的環(huán)形支撐，環(huán)形支撐垂直方向上設(shè)置了立柱樁。

同時(shí)，基坑的四周采用φ850 mm＠1 200 mm的三軸深軸攪拌樁結(jié)合樁間的高壓旋噴樁進(jìn)行全封閉止水，同時(shí)坑內(nèi)采用疏干降水井，坑外設(shè)置了應(yīng)急觀測(cè)井，若止水帷幕出現(xiàn)滲漏，可采用相應(yīng)應(yīng)急措施。

4 基坑三維模型的建立

4.1 建模思路

本工程場(chǎng)地土層變化復(fù)雜，需要對(duì)每層按照實(shí)際厚度進(jìn)行建模。建模時(shí)建立設(shè)計(jì)方案中的水平、豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)，以此研究基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境的影響。

4.2 模型的材料參數(shù)

土體采用摩爾-庫(kù)侖模型，混凝土采用線彈性材料模型，未考慮支護(hù)布局的施工對(duì)于周圍土體環(huán)境的擾動(dòng)。模型中的土層參數(shù)如表1所示。

表1 模型中的土層參數(shù)

4.3 模型的幾何參數(shù)

4.3.1 鉆孔灌注樁

為簡(jiǎn)化基坑建模過(guò)程，同時(shí)考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)建模采用鉆孔灌注樁時(shí)，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)一些節(jié)點(diǎn)不收斂的情況，在建模的過(guò)程中，采用地下連續(xù)墻進(jìn)行等剛度替換灌注樁的方法，以此減少計(jì)算量，如式（1）所示。

式中：D——鉆孔灌注樁的直徑，m；

t ——鉆孔灌注樁的間距，m；

h ——地下連續(xù)墻等效厚度，m。

當(dāng)D＝1.20 m，t＝0.20 m，得到h＝0.96 m，即等剛度替代的地下連續(xù)墻厚度為0.96 m。鉆孔灌注樁強(qiáng)度為C35，彈性模量為31 500 MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3，開(kāi)挖深度為14.3 m。覆蓋土層范圍包括第1土層到第4土層。

4.3.2 立柱

立柱樁樁頂?shù)慕^對(duì)高程應(yīng)當(dāng)確定為立柱位于墊層底的絕對(duì)高程，立柱底的絕對(duì)高程應(yīng)當(dāng)最少比立柱樁樁頂?shù)慕^對(duì)高程低3.0 m。為了防止立柱樁在彎矩等的影響下發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在基坑的建模過(guò)程中，需要沿z軸的約束立柱。

4.3.3 水平支撐

水平支撐尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 水平支撐尺寸參數(shù)

4.4 施工工況

根據(jù)施工方案，模擬的施工進(jìn)程可分為9個(gè)工況：建立初始應(yīng)力場(chǎng)；安設(shè)立柱和豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)；安裝第1道支撐；開(kāi)挖第1層土體（－2.75～－0.50 m）；安裝第2道支撐；開(kāi)挖第2層土體（－6.90～－2.75 m）；安裝第3道支撐；開(kāi)挖第3層土體（－11.90～－6.90 m）；開(kāi)挖第4層土體（－14.30～－11.90 m）。

4.5 三維模型的建立

4.5.1 基坑三維模型

擬建基坑開(kāi)挖寬度為145 m，深度為14.3 m。基坑開(kāi)挖對(duì)周圍土體和建筑物的影響區(qū)域?yàn)?～5倍開(kāi)挖寬度和5倍開(kāi)挖深度，而模型建立過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多，計(jì)算過(guò)于復(fù)雜。綜合以上因素，設(shè)定模型的尺寸為300 m×300 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高）。模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為53 614個(gè)，單元數(shù)目為112 321個(gè)?；佑邢拊Ｐ腿鐖D2所示，基坑支護(hù)模型如圖3所示，基坑約束模型如圖4所示。

圖2 基坑的有限元模型

圖3 基坑支護(hù)的模型

圖4 基坑約束模型

4.5.2 邊界及荷載條件定義

模型左右方向約束x方向位移，前后方向約束y方向位移，底部約束z方向位移，頂部沒(méi)有約束。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 數(shù)值模型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)

基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周圍的環(huán)境，包括周圍的建筑、周圍的道路、地下的管線都有可能產(chǎn)生各種各樣的影響。數(shù)值模型中也在這些位置設(shè)定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)提取模擬數(shù)據(jù)，具體如下：

1）水平位移及豎向位移：沿圈梁頂每隔20 m設(shè)1個(gè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)。

2）支撐軸力測(cè)量：選擇10處支撐進(jìn)行軸力測(cè)量。

3）支撐立柱沉降：選擇10根立柱樁在不同的開(kāi)挖層中設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

各施工步驟支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖5、圖6所示。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)總位移

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

從支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移圖中可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)在4個(gè)開(kāi)挖步驟中的位移變形曲線大致相同，最大側(cè)向位移發(fā)生在第3層支撐所在的支護(hù)結(jié)構(gòu)處，為17.45 mm，呈現(xiàn)出了“魚(yú)腹”的變形，隨著開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移剛開(kāi)始時(shí)逐漸增大，到了最后階段，位移變形則呈現(xiàn)出略有減小的趨勢(shì)，最大位移的位置先上移，之后向下移動(dòng)，最后在開(kāi)挖面的附近處趨于穩(wěn)定。當(dāng)開(kāi)挖的步驟到達(dá)基坑底部時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移增量比較大。支護(hù)結(jié)構(gòu)的最終位移控制在相對(duì)較小的范圍內(nèi)，可滿足工程安全可靠的要求。

5.2.2 立柱沉降

立柱的不均勻沉降是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)處理的問(wèn)題，因?yàn)榇嬖谳^大的不均勻沉降回彈將會(huì)對(duì)水平支撐的系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。模擬顯示各個(gè)立柱的最大沉降量為0.76 mm（圖7），沒(méi)有超過(guò)規(guī)范值1 mm，不會(huì)對(duì)基坑支護(hù)體系產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)也保證了該基坑開(kāi)挖時(shí)土體的安全。

圖7 立柱位移

5.2.3 支撐軸力

結(jié)果表明，第1道支撐的最大軸向力為2 706.8 kN（圖8），第2道支撐的最大軸向力為9 990.3 kN（圖9），第3道支撐的最大軸向力為17 622.6 kN（圖10）。這3個(gè)支撐結(jié)構(gòu)中，第1道支撐結(jié)構(gòu)承受的軸力最小，第3道支撐結(jié)構(gòu)承受的軸力最大。從圖8～圖10可以看出，內(nèi)環(huán)撐軸向力很大，因此在施工過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)所得到的監(jiān)測(cè)值超過(guò)了計(jì)劃值時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)急辦法。

圖8 第1道支撐軸力

圖9 第2道支撐軸力

圖10 第3道支撐軸力

6 結(jié)語(yǔ)

文中所涉及的超大基坑工程一期、二期總基坑面積約41 000 m2，采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)直徑達(dá)162 m，為目前蘇州地區(qū)最大。同時(shí)，該項(xiàng)目場(chǎng)地周邊不僅分布著煤氣、自來(lái)水、電信等管線，且緊鄰游樂(lè)園摩天輪等高聳構(gòu)筑物及密集的已建建筑。本研究對(duì)于分析超大型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的借鑒意義，結(jié)論如下：

1）開(kāi)挖面附近的四周結(jié)構(gòu)的水平位移均比較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力明顯大于其他部位，4個(gè)轉(zhuǎn)角處的軸力明顯大于其他部位。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力最大值空間上處在不同位置，軸力最大值在第3道支撐處。

3）深基坑工程、支護(hù)結(jié)構(gòu)和工程的降水是確定基坑穩(wěn)定安全的首要任務(wù)，尤其是關(guān)于淺埋的深基坑開(kāi)挖的內(nèi)容。降水引起的地面沉降對(duì)于周圍建筑物的不利影響，需結(jié)合所在區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)定性分析和定量計(jì)算。

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