朱正東， 李濤濤

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

現(xiàn)代城市的快速發(fā)展使城市用地越來越緊張，在這種情況下對地下空間的探索與開發(fā)成為解決這一問題的重要方式[1]?；庸こ淌且豁椌C合性難題[2]，早些年我國基坑支護技術(shù)落后，多數(shù)項目采用放坡支護或其他簡單支護形式[3]。如今的深基坑工程施工條件更加復(fù)雜，施工與監(jiān)測緊密配合成為保證基坑工程質(zhì)量的重要手段[4]。本文以某狹隘場地項目深基坑工程為背景，利用數(shù)值模擬軟件分析該工程基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律[5]，對該工程開挖過程進行實時監(jiān)測。對比分析模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)，為同類型深基坑工程的支護方案設(shè)計與現(xiàn)場施工提出指導(dǎo)意見[6]。

1 項目介紹

1.1 工程概況

某狹隘場地項目建設(shè)用地面積約5 009 m2，建筑功能為酒店及其相關(guān)配套設(shè)施。主樓地上19層，地下3層，建筑高度74.4 m；裙樓地上4層，地下3層，建筑高度20.4 m，基坑開挖深度為12.5 m。

本工程場地平整，基坑?xùn)|側(cè)緊鄰市政主干道石臺路，南側(cè)緊鄰市政次干道月明路，2條市政干道相鄰規(guī)劃建筑物側(cè)下均埋設(shè)有城市各類管網(wǎng)和通訊光纜，北側(cè)為居民活動用地，西北側(cè)緊鄰一棟居民樓建筑，西南側(cè)與一棟8層酒店建筑相鄰，相隔一道沉降縫，裙房與酒店建筑相通。施工場地十分狹窄，周邊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，對變形控制要求較高。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程勘探深度范圍內(nèi)各巖土層分布情況如下：

(1)素填土層：色雜，稍濕～濕狀態(tài)，稍密～中密狀態(tài)，層厚0.80～3.50 m，層底埋深0.80～3.50 m。

(2)黏土層Ⅰ：黃褐色，可塑～硬塑狀態(tài)，斷面光滑有光澤，干強度和韌性高，含大量高嶺土團塊。層厚0.80～4.00 m，層底埋深3.50～5.70 m。

(3)黏土層Ⅱ：褐黃色，硬塑～堅硬狀態(tài)，含大量鐵錳結(jié)核及高嶺土，斷面光滑有光澤，干強度和韌性高。層厚15.20～17.30 m，層底埋深19.60～21.50 m。

(4)強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層：棕紅色，已風(fēng)化成土狀，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。層厚4.50～6.70 m，層底埋深24.60～27.50 m。

(5)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層：棕紅色，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。發(fā)育近垂直向的一組節(jié)理，節(jié)理面浸染鐵氧化物，層面傾角約15°。層厚20.50～36.70 m，層底埋深51.60～57.50 m。

1.3 深基坑工程支護方案概述

工程選用的深基坑支護方案為排樁+內(nèi)支撐支護。排樁樁徑0.9 m，樁長21.5 m，嵌固深度9 m，樁間距1.8 m，設(shè)置2道內(nèi)支撐，第一道內(nèi)支撐位于基坑深度-2.5 m位置處，第二道內(nèi)支撐位于基坑深度-6.9 m處。冠梁及圈梁尺寸均為0.9 m × 1.0 m。支護結(jié)構(gòu)信息如表1所示，支護結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示，支護結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。

表1 支護結(jié)構(gòu)信息表

圖1 支護結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 支護結(jié)構(gòu)平面圖

2 施工過程有限元模擬分析

2.1 模型建立

2.1.1 基本假定與本構(gòu)模型選取

在建模前做如下假設(shè)：

(1)所用材料均質(zhì)、連續(xù)且各向同性。

(2)由于混凝土和鋼材在力的作用下主要發(fā)生彈性變形，因此選用彈性模型[7]。

(3)工程現(xiàn)場各層土體稍有起伏，為建模方便，假設(shè)各層土體呈水平分布。

(4)忽略開挖過程中引起的土體、材料參數(shù)變化。

模擬現(xiàn)場根據(jù)土質(zhì)情況結(jié)合支護結(jié)構(gòu)特性，土體本構(gòu)模型選取修正莫爾-庫倫模型。

2.1.2 材料參數(shù)

將排樁等效為地下連續(xù)墻，主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

2.1.3 模型尺寸

本工程基坑模型南北方向最長處約110 m，東西方向最寬處約44 m，開挖深度為12.5 m，圍護樁嵌固深度為9 m。周邊建筑物一棟為酒店建筑(樁基礎(chǔ))，模型長度為66 m，寬度為28 m，高度為20 m。另一棟為居民樓建筑(條形基礎(chǔ))，模型長度為60 m，寬度為14 m，高度為18 m?？紤]到邊界效應(yīng)以及鄰近建筑物對計算結(jié)果的影響，本工程整個模型尺寸取330 m × 240 m × 55 m。有限元整體模型如圖3所示。

圖3 有限元整體模型

2.1.4 工況定義

本次模擬共劃分8個施工階段，均為應(yīng)力階段。具體劃分如下：

施工階段一：初始應(yīng)力平衡階段。

施工階段二：建筑物施作階段。

施工階段三：施工圍護樁、冠梁及支撐立柱。

施工階段四：開挖第一層土體，開挖土體至-2.5 m處。

施工階段五：施工第一道內(nèi)支撐與冠梁。

施工階段六：開挖第二層土體，開挖土體至-6.9 m處。

施工階段七：施工第二道內(nèi)支撐與冠梁。

施工階段八：開挖第三層土體，開挖土體至-12.5 m處。

將施工階段四～施工階段八設(shè)定為工況1～工況5。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移數(shù)值模擬分析

下文將排樁、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為圍護結(jié)構(gòu)。由于基坑?xùn)|側(cè)為市政主干道石臺路，車流量大，且出土口位于該側(cè)，這里選取基坑?xùn)|側(cè)長邊中點處圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果進行分析。工況1～工況5圍護結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖如圖4～圖8所示，基坑?xùn)|側(cè)長邊中點處圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果如圖9所示。

圖4 工況1圍護結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖 圖5 工況2圍護結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖

圖6 工況3圍護結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖 圖7 工況4圍護結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖

圖8 工況5圍護結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖 圖9 工況1～工況5圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果

由圖9可以得出，工況1中，基坑開挖至-2.5 m處，此時開挖深度較淺，基坑內(nèi)外土體壓力差較小，圍護結(jié)構(gòu)位移較小，最大位移出現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)頂部，為1.54 mm。工況2中，施工第一道內(nèi)支撐，無土體開挖，圍護結(jié)構(gòu)變形曲線與工況1中變形曲線相近，最大位移為1.59 mm，相比上階段位移僅增加0.05 mm，說明內(nèi)支撐的施加對圍護結(jié)構(gòu)變形影響較小。工況3中，開挖土體至-4.9 m處，此時圍護結(jié)構(gòu)最大位移為3.32 mm，相比較上階段，最大位移增加1.73 mm，最大位移位于基坑深度約-4m位置，從圍護結(jié)構(gòu)頂部至底部整體位移變化趨勢為“先增大，后減小”，這是由于基坑-2.5 m處有第一道內(nèi)支撐且圍護結(jié)構(gòu)整體嵌固深度較大，第一道內(nèi)支撐限制了圍護結(jié)構(gòu)上部的變形，圍護結(jié)構(gòu)嵌固部分限制了其下部變形。工況4中，施工第二道內(nèi)支撐，同樣無土體開挖，圍護結(jié)構(gòu)變形趨勢與工況3變形趨勢相近，最大位移為3.40 mm，相比上階段位移增加0.08 mm。工況5中，開挖土體至-12.5 m處，圍護結(jié)構(gòu)最大位移為7.02 mm，位于基坑深度-8.5 m處，從圍護結(jié)構(gòu)頂部至底部整體變化趨勢為“先增大，后減小”。此階段最大位移較上階段增加3.62 mm，變化較大，這是由于本階段開挖深度較深，達5.6 m，盡管基坑深度-6.9 m處布置了第二道內(nèi)支撐，但支撐的影響作用有限，最終在基坑深度約-8 m處產(chǎn)生了最大位移。

綜合來看，隨著基坑開挖的進行，圍護結(jié)構(gòu)變形逐漸增大[8-10]。開挖深度較淺時，圍護結(jié)構(gòu)頂部變形最大，開挖深度逐漸增加時，最大位移位置逐漸下移，最終穩(wěn)定在開挖深度的2/3處，圍護結(jié)構(gòu)變形從頂部至底部呈“先增大，后減小”的趨勢。

3 施圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測分析

由于基坑?xùn)|側(cè)為市政主干道石臺路，車流量大，且出土口也位于該側(cè)，這里選取基坑?xùn)|側(cè)長邊中點處監(jiān)測點在基坑開挖過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析?；娱_挖階段處圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測結(jié)果

由圖10可以得出，基坑開挖至-2.5m時圍護結(jié)構(gòu)最大位移為1.25 mm，距離頂部約3 m，此時圍護結(jié)構(gòu)變形較小。第一道內(nèi)支撐施工完成時，圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移變化規(guī)律與上階段較為接近，最大位移由1.25 mm增長至1.49 mm，增長了0.24 mm?；娱_挖至-6.9 m處時，圍護結(jié)構(gòu)最大位移位置距離圍護結(jié)構(gòu)頂部約6 m，最大位移為3.58 mm，相比上階段增加了2.09 mm。第一道內(nèi)支撐施工完成時，圍護結(jié)構(gòu)水平最大位移為4.28 mm，相比上階段增長了0.70 mm?；娱_挖至-12.5 m處時，圍護結(jié)構(gòu)最大位移為6.95 mm，較上階段增加2.67 mm，最大位移位置距離圍護結(jié)構(gòu)頂部約10 m，相比上階段仍繼續(xù)下移，接近于開挖深度的2/3處。此時圍護結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)“凹”的趨勢更加明顯，從圍護結(jié)構(gòu)頂部至底部的變形趨勢為“先增大，后減小”。

分析得知，在內(nèi)支撐施工過程中，圍護結(jié)構(gòu)變形不明顯，在土方開挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)變形增長迅速，這是由于土方開挖過程中，坑內(nèi)外土體壓力差迅速增大，使得圍護結(jié)構(gòu)承受側(cè)向土壓力增長迅速，圍護結(jié)構(gòu)整體位移增長明顯。綜合來看，應(yīng)當(dāng)對土方開挖工況重點監(jiān)測，各層土體開挖完成后，迅速進行內(nèi)支撐的架設(shè)。

4 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

將基坑?xùn)|側(cè)長邊中點處的圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果相對于監(jiān)測結(jié)果變化曲線更為平緩，變化趨勢基本吻合。隨著基坑開挖，圍護結(jié)構(gòu)水平位移逐漸增加，變形趨勢為從圍護結(jié)構(gòu)頂部到底部“先增大，后減小”?；娱_挖至-12.5 m時，圍護結(jié)構(gòu)水平位移模擬值達到最大，為6.95 mm，監(jiān)測值也達到了最大，為6.80 mm，最大模擬值與最大監(jiān)測值分別出現(xiàn)在距離圍護結(jié)構(gòu)頂部8 m和10 m處，均位于基坑開挖深度的約2/3處。

研究發(fā)現(xiàn)，圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測值總體略大于模擬值。因為在有限元模擬過程中做了一些簡化，如：假定土層呈水平均勻分布狀態(tài)、土層參數(shù)隨基坑開挖不發(fā)生變化等，再加上工程現(xiàn)場條件復(fù)雜，天氣情況、儀器精準(zhǔn)度等都影響著監(jiān)測結(jié)果。盡管存在偏差，但兩者變化趨勢較為吻合，模擬結(jié)果較為合理。

圖11 圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

5 結(jié) 語

以某狹隘場地深基坑工程為背景，利用Midas/GTS軟件模擬基坑工程開挖過程，研究基坑工程開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律，分析模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的差異性。結(jié)論如下：

(1)基坑工程開挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)水平位移不斷增大，從頂部至底部變形呈“先增大，后減小”的趨勢，最大變形位置逐漸穩(wěn)定在開挖深度的2/3處。開挖至坑底時，圍護結(jié)果水平位移最大模擬值與監(jiān)測值均未超過監(jiān)測報警值。

(2)針對基坑開挖工況下圍護結(jié)構(gòu)水平位移的較大增長，在土方開挖過程中，應(yīng)對圍護結(jié)構(gòu)水平位移重點監(jiān)測，當(dāng)開挖至設(shè)計標(biāo)高后迅速施工內(nèi)支撐，同時應(yīng)盡量對稱開挖，避免先開挖側(cè)產(chǎn)生較大位移影響圍護結(jié)構(gòu)安全。

(3)基本能夠反映現(xiàn)場實測圍護結(jié)構(gòu)變形的變化趨勢，基坑工程開挖過程模擬具有可行性，模擬結(jié)果較為可靠。