孫海忠 鄧捷程

1. 上海市建工設(shè)計研究總院有限公司 上海 200235；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系 上海 200092

上海作為國際性大都市，擁有近2 500萬的常住人口，合理開發(fā)利用地下空間不僅可以促進(jìn)城市建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還能緩解城市用地緊張、交通擁擠、環(huán)境惡化等問題，對于構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。上海地區(qū)地下管線密布、地鐵線路交錯縱橫、地下綜合體比比皆是，因此上海的深基坑工程尤其要注意基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，在環(huán)境分析時選用合適的本構(gòu)模型顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

擬建場地分為南北2個地塊，北地塊位于真江北路以北、滬寧鐵路以南、盛源科技園以東、祁連山南路以西（圖1），南地塊位于真江北路以南、未來島公園以北、北上海航天電器大廈以東、祁連山南路以西。

圖1 擬建項目北地塊位置

基坑平面尺寸為136 m×120 m，擬建場地北地塊地下室邊線距北側(cè)滬寧鐵路中心線約35 m，距南側(cè)真江北路約8 m，距東側(cè)祁連山南路約45 m，距西側(cè)盛源科技園地塊已有建筑約25 m，南地塊地下室邊線距北側(cè)真江北路約10 m，西側(cè)距上海航天電器大廈約35 m，南側(cè)及東側(cè)為空地，真江北路、祁連山路地下管線較多。

1.2 場地地質(zhì)條件

鉆探勘探資料揭示，場地土層從上至依次為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、黏土。

在勘探范圍內(nèi)，擬建廠區(qū)地下水類型為潛水，補(bǔ)給來源主要為大氣降水與地表徑流，在勘測期間實測得地下水埋深在地表以下1.37～2.25 m，平均埋深為－0.50 m。

2 基坑開挖支護(hù)方案

根據(jù)上海地區(qū)現(xiàn)有的施工狀況及經(jīng)驗、場地土層分布條件和土性特征以及周邊的環(huán)境情況，對于開挖深度7.9 m左右的基坑，周邊采用灌注樁支護(hù)。第1次開挖至－2.5 m，在－1.9 m處設(shè)置第1道橫截面0.8 m×0.8 m混凝土支撐，并設(shè)置一圈橫截面為1.2 m×0.8 m的頂圈梁，在坑內(nèi)降水至－8.4 m處，第2次開挖至坑底－7.9 m處。支撐平面設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 支撐平面設(shè)計

3 數(shù)值模型建立

3.1 土體模型計算參數(shù)確定

為了控制基坑開挖對周邊環(huán)境的不利影響，選用HSS小應(yīng)變模型對變形進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

土體模型按照實體模型劃分，頂圈梁和混凝土支撐用桿單元模擬，板單元模擬混凝土面層、建筑物板?；酉鄬卧W(wǎng)格尺寸為1.5 m，全局比例因子設(shè)為1.2，總共劃分為35 205個單元和57 424個單元節(jié)點，如圖3所示。

圖3 基坑網(wǎng)格劃分示意

表1 土體HSS模型計算參數(shù)

3.3 施工工況

本基坑模型的相關(guān)施工工況較為簡單，具體主要分為4個工況。

1）初始工況：初始滲流分析，初始應(yīng)力分析，建筑物施工。

2）工況1：灌注樁圍護(hù)，降水至－3.0 m，開挖至－2.5 m。

3）工況2：在－1.9 m位置處布置混凝土支撐，支撐＋頂圈梁。

4）工況3：降水至－8.4 m，開挖至－7.9 m。

4 結(jié)果分析

4.1 基坑變形分析

通過Plaxis 3D有限元軟件對基坑進(jìn)行計算，得到基坑水平和豎直方向的變形結(jié)果。

x方向的位移云圖顯示，基坑在開挖至－7.9 m時，基坑西側(cè)變形最大處位于陽角與邊界的中間位置，最大變形為11.26 mm，東側(cè)變形最大位于中間位置處，最大變形為12.1 mm，這是由于在設(shè)計基坑支撐時，陽角位置容易發(fā)生應(yīng)力集中，故在陽角處設(shè)置了1道對撐，有效降低了陽角處的側(cè)方向變形。

y方向的位移云圖顯示，基坑在開挖至－7.9 m時，基坑北側(cè)與南側(cè)變形最大處位于基坑中間位置，南側(cè)最大變形為11.6 mm，北側(cè)最大變形為11.32 mm。z方向的位移云圖顯示，基坑在開挖至－7.9 m時，基坑沉降最大變形位于陽角處，最大變形值為12.76 mm，基坑陽角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致了基坑陽角處變形增大，穩(wěn)定性降低，故在建設(shè)施工時需要特別注意陽角處的變形。

綜上所述，最大變形值均小于DG/T J08-61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》變形控制要求，故通過使用國內(nèi)外學(xué)者提出的HSS參數(shù)經(jīng)驗計算公式計算基坑變形是可靠的[9-11]。

4.2 基坑開挖對周邊環(huán)境的影響

如圖4所示，基坑西面23 m存在建筑物和北面24 m存在既有鐵路南翔環(huán)線，建筑物為實體單元，混凝土框架結(jié)構(gòu)；鐵路礫石路基高度50 mm。當(dāng)基坑開挖至坑底－7.9 m時，建筑物變形最大值發(fā)生在靠近基坑方向的墻角處，最大累計位移為5.306 mm。北面南翔環(huán)線變形最大值發(fā)生在靠近基坑方向的鐵路線上，其累計變形最大值為1.317 mm，其余鐵路幾乎無變形。

圖4 建筑物及鐵路變形

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

圖5為基坑圍護(hù)墻隨深度變化側(cè)移圖，其模擬變形模式與Ou等[12]提出的“內(nèi)凸型”變形模式類似。HSS模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移隨著深度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在開挖面附近取得最大值。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移

本基坑的施工工況為先開挖土體1.9 m，再設(shè)置支撐和頂圈梁，此時圍護(hù)墻在沒有支撐的情況下已經(jīng)開始發(fā)生變形，變形值為5 mm左右，所以在基坑施工至坑底時，圍護(hù)墻頂部的位移達(dá)到了7 mm，與傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移圖有些不同。陽角處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移值與其他邊界圍護(hù)結(jié)構(gòu)對比發(fā)現(xiàn)，陽角處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移變化規(guī)律并不明顯，且側(cè)移值均遠(yuǎn)小于邊界側(cè)移值。將HSS模型與DG/T J08-61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，兩者的變化趨勢一致，均在1倍挖深附近取得最大值，基坑技術(shù)規(guī)范計算結(jié)果比HSS模型都更大，尤其在支撐薄弱的東面，規(guī)范值比HSS模型大10 mm左右；造成這一現(xiàn)象的原因為HSS模型2個小應(yīng)變參數(shù)初始剪切模量Gr0ef和剪應(yīng)變γ0.7嚴(yán)格限制了土體的變形，這一結(jié)論與華明杰[13]的相關(guān)研究結(jié)論一致。

4.4 基坑周邊沉降變形分析

圖6是基坑四周土體的沉降變形曲線，隨著離基坑邊界距離增加，土體沉降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且均在距離基坑邊界1倍挖深左右取得最大值。

圖6 坑外地表沉降

北面、東面和南面的最大沉降值為10 mm，由于西面有陽角存在2個方向上的臨空開挖面，其穩(wěn)定性和變形遠(yuǎn)較平面應(yīng)變問題更復(fù)雜且不利，西面最大沉降值為12 mm，沉降隨距離的增加，其下降速率更低。在距離基坑4～5倍的挖深時，土體沉降值趨近于0。通過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)與基坑最近的建筑物距離為26 m，土體沉降在2 mm以下，符合設(shè)計規(guī)范，故本次基坑的施工基本不會影響到周圍建筑物。

5 結(jié)語

本文通過對上海軟土地區(qū)某基坑開挖過程，采用了國內(nèi)外學(xué)者HSS參數(shù)經(jīng)驗公式進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，得出以下結(jié)論：

1）HSS模型是基于地勘報告和國內(nèi)外學(xué)者的參數(shù)計算經(jīng)驗公式上進(jìn)行計算的，得到的變形值與同類型的基坑變形值差異不大，可認(rèn)為使用這些經(jīng)驗公式取值對于上海地區(qū)軟土基坑是可靠的。

2）HSS模型圍護(hù)墻和坑外地表沉降都是隨圍護(hù)墻深度和與基坑邊界的距離呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，均在1倍挖深附近取得最大值，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，HSS模型比基坑技術(shù)規(guī)范計算值要小，在支撐薄弱的東面，可相差10 mm以上。

3）開挖至坑底時，基坑對周邊建筑物及鐵路累計最大變形量很小，均符合施工技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4）本文使用HSS小應(yīng)變模型的模擬結(jié)果良好，所選擇的參數(shù)可以作為上海地區(qū)典型土層參照取值供其他基坑工程參考。