■ 廣東省地質(zhì)局第十地質(zhì)大隊(duì) 陶波

廣東省環(huán)境地質(zhì)勘查院 謝晟

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，高速發(fā)展的城市工程建設(shè)與城市緊張的土地資源之間的矛盾日益凸顯，工程建設(shè)中基坑的深度也越來越大?；庸こ讨袥Q定工程安全性的最重要因素為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，這不僅影響自身建筑物的安全，而且與周邊環(huán)境的安全也密切相關(guān)。學(xué)者對(duì)基坑支護(hù)工程的研究越來越深入。劉國彬等[1]研究了開挖卸載條件下土體的強(qiáng)度變化規(guī)律及對(duì)主、被動(dòng)區(qū)土壓力的影響；李景林等[2]通過離心模型試驗(yàn)?zāi)M基坑開挖的應(yīng)力路徑變化過程。

本文以廣州市某深基坑為例，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，采用有限單元法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，確定支護(hù)方案的合理性，對(duì)基坑安全性、經(jīng)濟(jì)性研究方面具有積極意義。該深基坑地質(zhì)環(huán)境條件較差，從上至下巖性依次為雜填土、淤泥和淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂、粉質(zhì)黏土，均為厚層狀，且基坑深度最深達(dá)21m，在廣州市具有較強(qiáng)的代表性。

1.工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該深基坑項(xiàng)目位于廣州市番禺區(qū)，項(xiàng)目占地5000m2，初定擬設(shè)置地下室4層（—17.90m）、群樓4層設(shè)計(jì)，塔樓高36層（H=159.55m），采用核心筒混合結(jié)構(gòu)，2層連接天橋2座，屬一級(jí)工程。項(xiàng)目東南側(cè)道路距離基坑開挖邊線約為35m，北側(cè)、東側(cè)和西側(cè)為空地，有規(guī)劃路。場地周圍未發(fā)現(xiàn)地面塌陷、滑坡等現(xiàn)象，地勢(shì)平坦，屬海沖積平原形成的河流階地，現(xiàn)已經(jīng)過人工堆土填平，較為平坦開闊?；庸こ痰钠矫媸疽鈭D如圖1所示。

圖1 場地平面位置示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

該基坑場地范圍內(nèi)，根據(jù)勘察鉆孔所揭露的地層資料，按照地質(zhì)成因、巖土體性質(zhì)將區(qū)內(nèi)地層由上至下分為：第四系人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層、白堊系下統(tǒng)泥質(zhì)砂巖。各巖土層性質(zhì)如下：

第四系人工填土層（Qml）：雜填土，層厚1.90m～4.40m，褐灰色、灰黃色、雜色等，松散，主要由砂、黏性土及少量碎石磚塊、塊石堆填而成，塊石最大直徑大于130mm，屬新近堆填；

第四系海沖積層（Qal）：淤泥和淤泥質(zhì)土，層厚0.80m～4.70m，灰黑色、灰色、飽和，流塑，夾淤泥質(zhì)砂薄層，具臭味，手捻具滑膩感；

第四系海沖積層（Qal）：淤泥質(zhì)砂，層厚1.90m～10.90m，灰黑色及灰色，飽和，松散為主，局部中密，以中砂為主夾淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，級(jí)配良好，分選性較差；

第四系殘積層（Qel）：粉質(zhì)黏土，層厚0.60m～6.90m，泥質(zhì)砂巖風(fēng)化殘基而成，呈灰白色～灰黃色雜色，硬塑為主，局部可塑；

白堊系下統(tǒng)地層（K1）：泥質(zhì)砂巖（全～強(qiáng)風(fēng)化帶），層厚0.30m～5.70m，褐紅色、磚紅色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈半巖半土狀、碎塊狀、塊狀等，巖塊手折易斷；

白堊系下統(tǒng)地層（K1）：泥質(zhì)砂巖（中風(fēng)化帶），層厚1.50m～9.60m，棕紅色、灰色，巖芯多呈塊狀、短柱狀、長柱狀，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)稍軟，錘擊聲啞。

1.3 水文地質(zhì)概況

該場地地下水賦存狀態(tài)主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系海沖積層中淤泥質(zhì)細(xì)砂為弱含水層。人工填土層下部為上層滯水的主要儲(chǔ)水層；人工填土層下部和淤泥質(zhì)細(xì)砂層中賦存孔隙潛水，水量較少。

1.4 基坑支護(hù)方案

該基坑工程采用排樁+2道內(nèi)支撐+1道預(yù)應(yīng)力錨索和排樁+4道錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，止水帷幕采用兩排Φ550@350攪拌樁，局部采用兩排Φ550@350攪拌樁+Φ600@1350/Φ600@1550旋噴樁止水。內(nèi)支撐采用C30混凝土支撐，支撐間距6m。排樁采用鉆（沖）孔灌注樁Φ1200@1350/Φ1400@1550，嵌固段4.0m～6.0m。基坑支護(hù)段總長為273m，共分7個(gè)支護(hù)剖面段。

在養(yǎng)顏方的調(diào)理下，黃婉秋經(jīng)歷了歲月，卻留住了青春：“真的，很多年輕人都比不過我，每天加演4場也好，6場也好，8場也好，我總不覺得累?！?/p>

1.5 監(jiān)測方案

根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，綜合考慮現(xiàn)場調(diào)查情況，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降、水平位移觀測點(diǎn)埋設(shè)在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的冠梁上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移觀測點(diǎn)埋設(shè)采用鉆機(jī)成孔，孔徑110mm，孔深14m，垂直下放高精度測斜管，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位圖

2.圍護(hù)樁監(jiān)測結(jié)果及變形分析

圖3為樁+內(nèi)支撐段CX—4測斜點(diǎn)的測斜曲線。第一次開挖，圍護(hù)樁的最大水平位移出現(xiàn)在圍護(hù)樁頂部；在第二道內(nèi)支撐施工完成后，變形減?。婚_挖到第三排錨索位置時(shí)，圍護(hù)樁最大水平向位移在第二道支撐底部；在第三排錨索施工之后，圍護(hù)樁最大水平位移點(diǎn)向下移動(dòng)；隨著基坑開挖到底，圍護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)向基坑外部移動(dòng)，由于第二道內(nèi)支撐的作用，位移曲線在其下部有明顯的變化。

圖3 CX-4測斜曲線

根據(jù)CX—4的變化可以發(fā)現(xiàn)，在樁撐支護(hù)段，第二道內(nèi)支撐未設(shè)置時(shí)，圍護(hù)樁體的位移變形多為線性變化，最大位移點(diǎn)基本出現(xiàn)在基坑頂部。當(dāng)?shù)诙纼?nèi)支撐架設(shè)之后，頂部的位移減小，最大水平位移點(diǎn)介于兩道內(nèi)支撐之間。在開挖至錨索深度時(shí)，最大水平位移以第二道內(nèi)支撐位置為起點(diǎn)向兩邊減小?；娱_挖到底時(shí)，最大水平位移點(diǎn)介于第二道內(nèi)支撐與錨索之間。這一現(xiàn)象說明內(nèi)支撐對(duì)基坑位移的變化限制作用較明顯，兩道內(nèi)支撐之間的變形較小。

圖4為樁錨支護(hù)段 CX—10測斜點(diǎn)的測斜曲線。第一次開挖后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移，最大水平位移出現(xiàn)在基坑頂部，之后每次開挖后，水平位移總會(huì)變大，在錨索設(shè)置之后，位移又會(huì)減小。最大水平位移點(diǎn)隨著開挖深度增加，位置也隨之下移。

圖4 CX-10測斜曲線

根據(jù)CX—10的變化，確認(rèn)錨索起到了控制基坑變形的作用，由于錨索的錨固力存在，在基坑外部土壓力小于錨固力時(shí)，圍護(hù)樁體甚至?xí)a(chǎn)生向外部變形的現(xiàn)象。隨著開挖深度增加，最大變形位置也隨著下降，總體呈現(xiàn)彎“弓”形弧線。而樁體底部由于處于巖層之中，位移變化較小。同時(shí)，根據(jù)樁錨段與樁撐段的測斜曲線的表現(xiàn)，也表明了在錨索支護(hù)下的支護(hù)樁對(duì)地層的變化更加敏感，也即錨索支護(hù)體系對(duì)地層的要求要高于內(nèi)支撐支護(hù)體系。

3.有限元模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

對(duì)于模型影響范圍，水平方向取3倍開挖深度，基坑開挖面以下取1.5倍開挖深度，即模型的計(jì)算尺寸為175m×167m×40m。對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)，均采用彈性模型，其中，混凝土支撐、冠梁、圍檁、立柱所采用的類型為梁單元，預(yù)應(yīng)力錨索采用植入式桁架單元，圍護(hù)樁則按照等剛度理論轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻。該模型將場地巖土層簡化為均質(zhì)層。整體的模型如圖5、圖6所示。

圖5 基坑模型示意圖

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征

根據(jù)不同的視角可以看出，內(nèi)支撐支護(hù)段的總體變形要小于錨索支護(hù)段。在兩支護(hù)段的頂部位置變形差距更為明顯。從整個(gè)支護(hù)段的方向看，支護(hù)段的兩端變形量要小于支護(hù)段的中部，也即變形由中間向兩邊逐漸減小。雖然支護(hù)體系為兩種方式，但是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形在不同支護(hù)段出現(xiàn)的位置也基本相同，在內(nèi)支撐支護(hù)段，最大變形出現(xiàn)在第二道內(nèi)支撐下方；在錨索支護(hù)段，最大變形出現(xiàn)在第三排錨索位置。

3.3 計(jì)算與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

在內(nèi)支撐支護(hù)區(qū)段，以CX—4為對(duì)比對(duì)象，取開挖深度到第二道內(nèi)支撐梁、第四排錨索、開挖至基坑底部三個(gè)階段各深度所對(duì)應(yīng)的實(shí)測與模擬水平位移值進(jìn)行對(duì)比。

在樁—內(nèi)支撐支護(hù)段，數(shù)值模擬方式雖然在數(shù)值上與實(shí)際變化有偏差，但是總體變形趨勢(shì)基本相同，并且在一些施工的關(guān)鍵位置，模擬結(jié)果比較實(shí)際結(jié)果來說，具有一定的可靠性。

在錨索支護(hù)段，以CX—10為對(duì)比對(duì)象，取開挖至第二排錨索位置、第三排錨索位置、第四排錨索位置、基坑底部四個(gè)階段作對(duì)比。

在錨索支護(hù)段，在變量的具體數(shù)值方面，模擬值能做到與實(shí)測值相差較小的程度，并且總體變形趨勢(shì)也十分接近，在底部基巖位置，模擬的結(jié)果要相對(duì)保守。

4.結(jié)論

利用Midas gts NX有限元軟件建立三維模型，對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化，數(shù)值模擬可以比較直觀地展現(xiàn)其變化，如最大變形位置，各工況下的位移變形特點(diǎn)。

根據(jù)數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，說明有限元的計(jì)算結(jié)果可以為基坑的設(shè)計(jì)以及施工提供一定的依據(jù)，在工程咨詢、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)與施工驗(yàn)證方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

由于巖土體的復(fù)雜性，假定的計(jì)算條件與實(shí)際工程條件存在的差異性及施工過程和巖土參數(shù)的變異性等原因，數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)測值會(huì)存在一定的差別，在計(jì)算分析過程中，要根據(jù)監(jiān)測結(jié)果反演土體參數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果不斷接近真實(shí)值。