王維宇

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 前言

沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也十分迅速。但濱海城市的地質(zhì)條件與內(nèi)陸地區(qū)有很大差異，臨近海岸線地層中水位較高，廣州沿海部分地區(qū)淤泥層較厚，施工時(shí)需進(jìn)行排水和加固土體等措施。為了提高基坑設(shè)計(jì)和施工的安全性[1]，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的安全和可靠性，本文依據(jù)實(shí)際工程情況建立了濱海軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖的3D數(shù)值模型[2－3]，分析了降水對(duì)基坑變形的影響情況?？偨Y(jié)已有的工程實(shí)例，為后續(xù)工程提供切實(shí)可靠的參考與依據(jù)。

國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)基坑施工的變形控制及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。高廣運(yùn)等[4]研究了基坑施工對(duì)臨近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的變形影響，并對(duì)基坑施工變形控制進(jìn)行了研究。對(duì)臨近隧道進(jìn)行加固，并對(duì)施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明，加固體可有效控制基坑相鄰的隧道變形。王冬[5]通過(guò)數(shù)值模型對(duì)不同緩沖區(qū)寬度下相鄰基坑的影響進(jìn)行理論分析。鄭剛等[6]討論了基坑施工局部錨桿的失效的影響。薛秀麗等[7]對(duì)基坑施工過(guò)程中降水的影響進(jìn)行了分析。王明年等[8]基于基坑抗隆起連續(xù)變形場(chǎng)機(jī)制，以形成考慮地下水滲透力作用下的深基坑抗隆起安全系數(shù)計(jì)算方法。林志斌等[9]對(duì)不同計(jì)算條件下軟土基坑的樁后水壓力、樁位移、地表沉降以及坑底隆起等的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

2 工程概況

2.1 基坑地質(zhì)條件

海語(yǔ)熙岸住宅項(xiàng)目工程，基坑大開(kāi)挖深度約7.60～9.00 m，基坑支護(hù)總周長(zhǎng)約560 m，兩處不規(guī)則角部基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案為內(nèi)支撐支護(hù)＋排樁支護(hù)，其他邊坡均為排樁＋錨索支護(hù)。該工程地質(zhì)條件差，底部為飽和、流塑性淤泥層，層厚達(dá)10～24.5 m，需對(duì)土體固化，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)支擋安全性要求高；下臥富含承壓水，地下水位高，水量豐富，基坑止水要求高。

表1為各層土體的基本參數(shù)，表2為各巖土層阻力特征值建議表。各土層的允許坡度值分別為:素填土1∶1.5坡度或人工支護(hù)、淤泥－人工支護(hù)、粉質(zhì)黏土1∶1.25坡度、砂質(zhì)黏性土1∶1.25坡度、全風(fēng)化花崗巖1∶0.75坡度。剪切試驗(yàn)采用直接快剪方法，壓縮試驗(yàn)采用固結(jié)壓縮方法，Es、E0取平均值。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)

表2 各巖土層阻力特征值建議表

2.2 地下水處理

由于場(chǎng)地的地下水位較高，基坑施工過(guò)程中需進(jìn)行降水處理。因此，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，觀察水位變化，以保障施工安全。本次抽水試驗(yàn)采用多孔穩(wěn)定流抽水，抽水孔抽水時(shí)同時(shí)觀測(cè)抽水孔及觀測(cè)孔的水位變化情況。正式試驗(yàn)前，通過(guò)試抽水試驗(yàn)，了解到本項(xiàng)目場(chǎng)地地層整體含水性和滲透性一般，故本次試驗(yàn)決定采用穩(wěn)定流量、大降深抽水試驗(yàn)。當(dāng)抽水孔出水量較小時(shí)，適當(dāng)減少流量或采用回灌措施等。

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)《巖土工程手冊(cè)》對(duì)潛水含水層有一個(gè)觀測(cè)孔完整井條件，按公式(1)計(jì)算滲透系數(shù):

按公式(2)計(jì)算觀測(cè)孔影響半徑:

選取CZK34鉆孔號(hào)為例，其結(jié)果滲透系數(shù)及影響半徑結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 滲透系數(shù)及影響半徑

2.3 錨索施工

本工程項(xiàng)目大面積使用兩層錨索＋排樁支護(hù)，錨索入強(qiáng)風(fēng)化巖不少于10 m，入中風(fēng)化巖不少于4 m，以保證巖石部分可以提供足夠的錨固力。由于錨索要鉆進(jìn)中等風(fēng)化巖，需采用套管結(jié)合內(nèi)芯鉆的施工機(jī)械，淤泥部分采用套管護(hù)壁，巖石部分采用內(nèi)芯鉆。

3 施工工序模擬

3.1 方案設(shè)計(jì)

為研究基坑降水對(duì)基坑變形及周邊土體的影響，采用Midas GTS NX[10－12]對(duì)海語(yǔ)熙岸住宅項(xiàng)目基坑工程進(jìn)行建模計(jì)算，討論有無(wú)地下水及水位變化對(duì)基坑施工的影響。

為便于與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，基坑施工模擬方案現(xiàn)設(shè)計(jì)為以下三種:方案一，無(wú)地下水；方案二，分步降水(第一次降水4 m，第二次降水5 m，第三次降水4 m，一共降水14 m)；方案三，一次性降水14 m。在進(jìn)行基坑降水模擬時(shí)，在施工的初始階段先定義全局水位，Midas GTS NX可以通過(guò)定義函數(shù)的方式定義水位并進(jìn)行降水模擬。按照施工步驟和要求，針對(duì)不同的施工方案分別進(jìn)行多次連續(xù)降水和一次性降水。為了更貼合實(shí)際工程情況，定義全局水位后進(jìn)行排樁支護(hù)和放坡開(kāi)挖，一次降水方案下先進(jìn)行降水再進(jìn)行基坑開(kāi)挖，多次降水時(shí)隨基坑開(kāi)挖的深度分步進(jìn)行降水。

3.2 模型建立

海語(yǔ)熙岸住宅項(xiàng)目基坑工程，基坑深度取8 m，基坑頂部素填土區(qū)域有1 m高的放坡，坡度為1∶1.5，內(nèi)支撐位于基坑頂部位置，兩層錨索也位于基坑上部位置，排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成了地下連續(xù)墻，基坑大面積采用了雙層錨索支護(hù)，僅局部不適合采用錨索的地方采取了內(nèi)支撐支護(hù)，基坑支護(hù)建模圖見(jiàn)圖1。

圖1 海語(yǔ)熙岸住宅項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

4 數(shù)值分析

為討論水位對(duì)基坑施工的影響，分別對(duì)模型1(無(wú)水位(對(duì)比模型))、模型2(一次性降水至坑底(實(shí)際工況))、模型3(分次連續(xù)降水)三種工況下的基坑施工進(jìn)行模擬。

4.1 基坑總體變形分析

圖2為不同工況模型下基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)土體的總位移圖，三個(gè)模型中的最大位移分別為:模型1是23.4 cm；模型2是13.4 cm；模型3是11.9 cm?？梢钥闯?，模型1未降水時(shí)的位移最大，主要是基坑隆起產(chǎn)生的，位于基坑的坑底，此外右側(cè)邊角處用內(nèi)支撐和排樁支護(hù)的土體側(cè)移比其他位置更明顯。模型2一次性降水至坑底時(shí)位移最大位置為基坑的外部土體，這是由于一次降水速度過(guò)快導(dǎo)致周邊土體的擾動(dòng)較嚴(yán)重，孔隙水壓的恢復(fù)速度比較慢，導(dǎo)致周邊土體的位移偏大，也就是說(shuō)降水會(huì)影響周邊土體的沉降與水土流失，而且影響范圍比較廣。模型3連續(xù)分次降水工況下，基坑總體的最大位移最小，最大位移是基坑內(nèi)部土體隆起產(chǎn)生的，但隆起程度小于模型1的一半。而且對(duì)基坑外部土體變形產(chǎn)生的影響與模型1不降水情況下相近，影響范圍僅比模型1稍大一些。說(shuō)明降水會(huì)對(duì)基坑周邊土體和構(gòu)筑物產(chǎn)生一定影響，因此，合理控制降水速率，采取分階段降水的辦法可以減小基坑內(nèi)外的土體位移。

圖2 開(kāi)挖至坑底總體位移

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力分析

圖3分別為三種模型開(kāi)挖至坑底時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形圖，三種工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形分別為:模型1是11.11 cm；模型2是9.38 cm；模型3是7.11 cm。三個(gè)模型中三個(gè)紅色圓圈位置的位移較大，這三個(gè)位置的支護(hù)為排樁＋內(nèi)支撐支護(hù)，而其他位置均設(shè)置了錨索，由于錨索屬于主動(dòng)支護(hù)，在支護(hù)建立的伊始就已經(jīng)發(fā)揮作用，而排樁和內(nèi)支撐屬于被動(dòng)支護(hù)，只有當(dāng)土體變形到達(dá)一定程度時(shí)才會(huì)起到支護(hù)效果。總體來(lái)說(shuō)三個(gè)不同工況下排樁的變形位于排樁的中上部分，由于排樁頂部的錨索支護(hù)效用，排樁頂部的位移較小。排樁中上部分的總體位移模型1約為4.65 cm，模型2約為4.04 cm，模型3約為2.19 cm，總體位移比未降水情況小了一半多。表4為各模型的總體位移與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形表。

圖3 開(kāi)挖到坑底支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

表4 三種模型變形

圖4為不同模型同一位置的排樁位移隨深度的變化?？傮w來(lái)說(shuō)，模型3分次降水的排樁變形控制最好，不降水工況下排樁的變形最大。三種工況下的最大位移不超過(guò)11 cm，同時(shí)可以明顯看出，基坑頂部受錨索約束，排樁的頂部位移小于中上部的最大位移，說(shuō)明錨索起到了控制變形的作用。模型2中的最大位移位置比其他工況下的最大位移位置均靠下，約在基坑8 m深處。采取降水措施對(duì)基坑和排樁頂部的位移有很明顯的減小作用。

圖4 排樁變形對(duì)比

4.3 周邊土體沉降分析

圖5為不同工況下同一位置的土體沉降變形情況?？梢钥闯?，模型1和模型3土體沉降影響范圍小于50 m，而模型2一次性降水對(duì)周邊土體產(chǎn)生的影響最大，周邊土體沉降最大、影響范圍最廣。分次連續(xù)降水與無(wú)水位時(shí)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體沉降的影響相近，但分步降水對(duì)周邊土體仍有一點(diǎn)影響。分步降水對(duì)比一次性降水明顯更有利于對(duì)基坑周邊土體的變形控制。由于降水是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，降水過(guò)快導(dǎo)致土體中的孔隙水壓并未及時(shí)恢復(fù)到平衡，因此分步降水考慮了孔壓的變化，比一次性降水更有利于基坑與周邊土體的變形控制。

圖5 周邊土體沉降對(duì)比

4.4 錨索軸力分析

模型1的錨桿軸力最大值為1.54×104kN，模型2的錨桿軸力最大值為1.62×104kN。兩者錨桿軸力相差不大，降水對(duì)基坑土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的作用力，因此降水工況下的錨索應(yīng)力值略微偏大。錨索僅小部分邊角位置局部軸力偏大以外，其余位置受力分布較為均勻，未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。可見(jiàn)，大面積使用錨索支護(hù)也可以充分發(fā)揮錨索的軸力，并且支護(hù)效果良好。

5 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑未降水、一次降水、分次降水三種不同工況下的基坑開(kāi)挖模型進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

(1)根據(jù)工程特點(diǎn)采用的大面積錨桿＋排樁圍護(hù)＋局部?jī)?nèi)支撐支護(hù)＋局部土體加固的支護(hù)方法和防止變形的措施，對(duì)基坑變形的控制起到了有效作用。

(2)由于場(chǎng)地水位較高，實(shí)際采用一次降水的方法有利于施工和變形控制，但如果條件與工期允許，建議分次進(jìn)行降水，可減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)變形，減小基坑整體與局部變形。

(3)三個(gè)模型的邊角位置變形均較大，由于此處空間狹小、邊角不規(guī)則，不方便全部采取錨索施工，因此采取了排樁和內(nèi)支撐支護(hù)形式。由于內(nèi)支撐和排樁支護(hù)均為被動(dòng)支護(hù)，因此變形較大，但均在允許范圍內(nèi)。而錨索為主動(dòng)支護(hù)構(gòu)件，因此有錨索的位置基坑整體和頂部位移控制較好。

(4)對(duì)于排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，未降水工況下位移最大位置位于排樁頂部，降水工況下的位移減小，且最大位移位置下移至排樁中上部?；哟蟛糠治恢缅^索受力分布較為均勻，未發(fā)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。可見(jiàn)，大面積使用錨索支護(hù)也可以充分發(fā)揮錨索的軸力，并且支護(hù)效果良好。