程 學(xué) 昌

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510330)

1 概述

隨著中國(guó)城市化的發(fā)展，土地矛盾越來越顯著，地下空間工程能有效地解決城市用地問題[1]。高層建筑、軌道交通等城市基礎(chǔ)設(shè)施的修建使得基坑工程普遍存在，尤其對(duì)于富水地層，基坑工程的修建將不可避免的遇到承壓水，施工過程中存在的高孔隙水壓將直接影響基坑本身結(jié)構(gòu)的安全[2]。在富水環(huán)境下基坑降水施工可能存在周圍土體沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及土層滲透性破壞等方面的問題是基坑施工的主要難點(diǎn)[3]。針對(duì)于此，諸多學(xué)者展開研究。周勇等[4]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬的方式針對(duì)蘭州市某地鐵站車站的深基坑工程進(jìn)行研究，分析其開挖引起的變形特征。陳忠等[5]考慮承壓水的降水研究基坑變形規(guī)律。沈仁寶等[6]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基坑變形的預(yù)測(cè)。李少波等[7]結(jié)合統(tǒng)計(jì)方法與數(shù)據(jù)挖掘算法研究廈門地鐵基坑變形特征。上述研究缺乏針對(duì)高孔隙水壓地層基坑工程施工的分析，降水過程對(duì)于基坑土體變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響十分顯著。

本文以某高孔隙水壓地層的深基坑工程為依托，采用有限元軟件對(duì)深基坑的施工降水和開挖過程進(jìn)行模擬，建立考慮地應(yīng)力、滲流場(chǎng)耦合作用的地層—圍護(hù)結(jié)構(gòu)—水的基坑施工模型。深入研究基坑降水施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑土體的影響。

2 工程概況

某基坑工程所在地區(qū)由第四系填土、淤泥粉質(zhì)粘砂類等組成，推薦承載力80 kPa～300 kPa，極限摩阻力40 kPa～90 kPa。位于Ⅷ地震區(qū)，場(chǎng)土類別為Ⅳ砂在力作用下嚴(yán)重液化。

該基坑工程尺寸為34.8 m×19.2 m×7.95 m。該基坑工程選用27 m SP 27 m SP-Ⅳ型鋼板樁。鋼板樁施工結(jié)束后進(jìn)行基坑開挖，分層鋼板樁施工結(jié)束后進(jìn)行基坑開挖，分層開挖至腰梁標(biāo)高下0.5 m搭設(shè)腰梁和內(nèi)撐后繼續(xù)開挖。鋼板樁埋深14.2 m。圖1給出了基坑所處位置的地質(zhì)剖面與基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型概況

采用MIDAS GTS-NX有限元軟件建立基坑降水施工三維模型，現(xiàn)將模型尺寸定為150 m×80 m×50 m的三維實(shí)體，地層從上至下分別為淤泥、上層粉質(zhì)粘土、下層粉質(zhì)粘土，層厚分別為12.5 m,2.5 m,24 m。各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

地層密度/kg·m-3彈模/MPa泊松比粘聚力/kPa摩擦角/(°)厚度/m淤泥1 40070.308614.90粉質(zhì)粘土1 80070.351214.613.00粉細(xì)砂1 900200.2525.612.322.00

根據(jù)施工圖紙建立有限元模型如圖2所示，給出了網(wǎng)格劃分以及內(nèi)支撐細(xì)部。本模型采用添加水頭邊界的方式模擬降水過程，采用MIDAS軟件中的應(yīng)力—滲流分析模塊進(jìn)行建模。土體采用三維實(shí)體單元模擬，圍堰采用2D板單元模擬，圍檁、內(nèi)支撐及抗拔樁均采用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

其施工步驟主要總結(jié)如下：1)進(jìn)行圍堰施作；2)進(jìn)行開挖施工；3)進(jìn)行圍檁以及內(nèi)支撐的施工；4)通過激活節(jié)點(diǎn)水頭進(jìn)行降水分析；5)開挖至基坑底部時(shí)進(jìn)行抗拔樁的施工，并澆筑封底混凝土。

3.2 結(jié)果分析

通過上節(jié)中建立的基坑有限元模型，從基坑土體變形以及坑內(nèi)支撐的受力兩個(gè)方面研究高孔隙水壓系下基坑降水施工的影響。

3.2.1變形分析

選取支撐結(jié)構(gòu)施工作為典型施工步，圖3給出了出現(xiàn)最大沉降和隆起變形的施工步對(duì)應(yīng)豎向位移云圖。從圖3中可以看出：變形較大的位置主要出現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)部分，隨基坑開挖，變形逐漸增大?；拥淖畲蟪两底冃螢?0.8 mm，出現(xiàn)的最大沉降變形為第三道支撐施工。最大隆起變形為0.81 mm，對(duì)應(yīng)的施工步為第四道內(nèi)支撐施工。

綜合上述：圍堰及基坑內(nèi)支撐的豎向位移和水平位移均為合理值，圍堰的最大沉降值為10.8 mm，小于圍堰結(jié)構(gòu)位移控制標(biāo)準(zhǔn)值20 mm。最大隆起值較小為0.81 mm。

3.2.2內(nèi)力分析

施工過程中圍堰結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖如圖4所示。

從圖4中可以看出：最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在圍堰底部，約為4.875 MPa，最大拉應(yīng)力主要分布在圍堰上部，約為0.407 MPa。Q235鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa，大于圍堰結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力，因此，圍堰結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞，且施工過程中最大拉應(yīng)力變化極小，此處影響忽略不計(jì)。

除研究圍堰結(jié)構(gòu)的受力外，針對(duì)內(nèi)支撐以及抗拔樁等1D樁單元也需進(jìn)行內(nèi)力分析。圖5給出了結(jié)構(gòu)施工完成后內(nèi)支撐的內(nèi)力云圖，從圖5中可以看出：最大彎矩為39.73 kN·m，分布在內(nèi)支撐中部區(qū)域。最大軸力為37.48 kN，分布在內(nèi)支撐中部區(qū)域。最大剪力為27.5 kN，分布在圍檁中部區(qū)域。

4 結(jié)語

本文通過有限元軟件對(duì)深基坑的施工降水和開挖過程進(jìn)行模擬，建立考慮地應(yīng)力、滲流場(chǎng)耦合作用的地層—圍護(hù)結(jié)構(gòu)—水的基坑施工模型，詳細(xì)研究了降水以及開挖對(duì)基坑土體變形以及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)受力的影響。主要結(jié)論如下：

1)該基坑的變形以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力均在可控范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體安全，表明現(xiàn)有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能滿足基坑穩(wěn)定性要求。

2)位移及內(nèi)力最大的區(qū)域基本位于內(nèi)支撐上，這表明內(nèi)支撐對(duì)基坑的變形有較明顯的控制作用。

3)降水施工造成的內(nèi)外水位高差對(duì)圍堰結(jié)構(gòu)有明顯的影響，具體表現(xiàn)為水平位移及內(nèi)力呈增大的趨勢(shì)。

4)為保證高孔隙水壓下基坑的安全施工，需針對(duì)圍檁及內(nèi)支撐、鋼板樁、基坑內(nèi)外土體等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)反饋基坑工程的安全狀態(tài)。