董海君 馬榕鍵 陳 騫 張士龍

(1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150000)

1 引言

隨著城市化進程的加快，國內(nèi)高層建筑數(shù)量飛速增長，相應(yīng)的深大基坑工程越來越多。日趨緊張的施工用地使基坑工程對于地質(zhì)條件的選擇性更少，土方開挖與支護所面臨的問題也更加復(fù)雜。在淤泥質(zhì)粘土地區(qū)基坑工程中，由于淤泥質(zhì)粘土的內(nèi)摩擦角和粘聚力等力學(xué)指標很低，含水量高、壓縮性大、強度低[1]，容易造成圍護結(jié)構(gòu)變形、地基不均勻沉降、坑底隆起、邊坡失穩(wěn)等安全問題。因此，對于存在深厚淤泥質(zhì)粘土的基坑工程，采用一種最為合理有效的支護方式顯得尤為關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外學(xué)者基于各種方法對深基坑的變形控制進行了研究。吳昌將等[2]通過分析上海軟土地區(qū)兩個典型深基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地下連續(xù)墻基坑變形性狀展開研究，發(fā)現(xiàn)開挖面積及軟土層厚度是影響基坑變形的關(guān)鍵因素。陳曉慶等[3]針對珠海橫琴某淤泥地層深基坑工程，分析了淤泥層厚度、大直徑樁插入比對基坑變形的影響，得出采用超大直徑灌注樁圍護結(jié)構(gòu)能較好控制最大側(cè)移量的結(jié)論。馮春蕾等[4]基于天津20個軟土地鐵站基坑實測數(shù)據(jù)，通過有限元計算，對比分析了隔斷墻主要設(shè)計參數(shù)對基坑變形的控制效果。柴海博等[5]、徐至鈞等[6]、彭振斌等[7]、鄭榮躍等[8]和陳偉等[9]利用有限元建模，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了復(fù)雜地質(zhì)條件深基坑設(shè)計、施工及各項措施對基坑變形控制的影響。高雁等[10]、劉興旺等[11]、王國輝等[12]通過數(shù)值模擬、離心模型試驗等技術(shù)對軟土深基坑施工過程對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形造成的影響展開了研究。

然而，對于深基坑如何通過比選不同內(nèi)支撐平面布置方式，以減小深厚淤泥層對基坑變形帶來的影響鮮有研究。本文以湖北交投實業(yè)總部項目為依托，分析深厚淤泥質(zhì)粘土對基坑變形的影響，同時對比兩種不同的內(nèi)支撐布置方式對圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降的變化規(guī)律[5-7]。

2 工程概況

本項目位于武漢市漢陽區(qū)江城大道與四新大道交叉口以南，由一棟35層總部辦公樓A和一棟41層總部辦公樓B組成，基坑面積約21 038 m2，開挖深度17.95～22.5 m。根據(jù)勘察結(jié)果，基坑工程施工區(qū)域內(nèi)土層主要有:雜填土、粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、角礫混礫砂-粘性土、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等，其中淤泥質(zhì)粘土層最大厚度達17 m。

基坑采用排樁和內(nèi)支撐支護體系，根據(jù)區(qū)域不同，采用不同直徑的鉆孔灌注樁(?1200 ～?1300)，立柱樁直徑為900 mm?；庸苍O(shè)置2道C40鋼筋混凝土內(nèi)支撐，典型圍護結(jié)構(gòu)斷面型式如圖1所示。

由于基坑開挖面積較大，同時基坑南側(cè)淤泥質(zhì)粘土層較深，為滿足變形控制要求，保障周邊環(huán)境安全，擬采用兩種不同平面支撐方案，如表1所示。

表1 兩種內(nèi)支撐平面布置方案比選

3 有限元模擬分析

3.1 模型建立

本模型采用MIDAS GTS NX進行數(shù)值模擬，確定本項目整體三維有限元模型尺寸為320×320×50 m(X×Y×Z)。

分析采用地層-結(jié)構(gòu)法，充分考慮土層-結(jié)構(gòu)相互作用。模型中地層均采用三維實體單元，其對應(yīng)的土層主要物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

灌注樁等1D單元按抗彎剛度等效原理將其等效為一定厚度的地下連續(xù)墻(板單元)，得出對應(yīng)的2D板單元內(nèi)力與變形，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

模型的邊界設(shè)置為:沿X軸方向上的模型左右邊界，約束X向的平動自由度；沿Y軸方向上的模型前后邊界，約束Y向的平動自由度；約束模型底部的Z向平動自由度；模型頂部為地表面，不施加任何約束。將基坑開挖過程按5個施工工況進行分解，如表4所示。

表4 施工工況

3.2 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分析

由于基坑屬于異形基坑，圍護結(jié)構(gòu)會以某一方向(X或Y方向)的變形為主，提取兩種內(nèi)撐布置方案下圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位總變形值，模型及變形值如圖2～圖4所示。

對比兩方案可發(fā)現(xiàn)二者共性點:當開挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時，其整體變形表現(xiàn)為懸臂梁式變形形態(tài)，即圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移最大，而結(jié)構(gòu)深部變形趨于0；隨開挖深度增大和內(nèi)支撐逐步施作，圍護結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為中部位置向坑內(nèi)凸出的“鼓肚形”變形形態(tài)；每一次開挖均會使圍護結(jié)構(gòu)變形的最大值出現(xiàn)較大增幅，且最大值分布位置逐步下移。

以角部設(shè)置兩道支撐的1號測點位置為例，第二次開挖深度為10.25 m時，圍護結(jié)構(gòu)總位移為20 mm；當?shù)谌伍_挖深度為16.8 m時，圍護結(jié)構(gòu)總位移為43.2 mm，較開挖2增幅53.7%。可見，基坑第三次開挖由于受淤泥質(zhì)粘土層的存在，圍護結(jié)構(gòu)變形顯著增加[8-10]。

兩方案不同之處在于，開挖至坑底時，角部設(shè)置內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)變形最大值位于1號測點，即地面以下0.77H位置(H為基坑開挖深度)，最大值為43.2 mm；軸對稱處設(shè)置內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)變形最大值位于1號測點，即地面以下0.70H位置處，最大值為47.48 mm。同時，前者4號測點與后者的3號測點位置相近，4號測點圍護結(jié)構(gòu)最大位移為37.25 mm，3號測點位置為40.57 mm。

綜上所述，在圍護結(jié)構(gòu)變形控制方面，在角部設(shè)置兩道支撐方案優(yōu)于軸對稱處設(shè)置一道支撐方案。此外，基坑進行兩次拆換撐操作時，圍護結(jié)構(gòu)的變形值有一定幅度增大；尤其在第一道支撐拆除后，由于上部位置結(jié)構(gòu)剛度較小，故圍護結(jié)構(gòu)頂部水平變形有明顯增大。因此，在施工過程中，應(yīng)加強對應(yīng)位置的變形監(jiān)測，如實測變形過大，則需采取相關(guān)控制措施。

3.3 地表沉降分析

由于在角部設(shè)置內(nèi)支撐的4號測點與在軸對稱處設(shè)置內(nèi)支撐的3號測點位置相近，因此選取兩測點位置作為典型位置，繪制不同工況下地表沉降曲線(沉降為負、隆起為正)，如圖5所示。對比兩方案，其共同點為:當開挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時，其整體表現(xiàn)為“三角形”變形形態(tài)。

隨著開挖深度的增大及內(nèi)支撐逐步施作，地表沉降表現(xiàn)為“拋物線形”變形形態(tài)。由地表沉降曲線可知，基坑開挖對周邊土體的主要影響區(qū)為(0～2.0)H，次要影響區(qū)為(2.0～3.0)H。當間距大于3.0H后，基坑開挖對周邊土體影響非常微弱。當基坑進行兩次拆換撐操作時，地表沉降的變形值有一定幅度增大。以4號測點位置為例，第二次開挖深度為10.25 m時，地表沉降最大值為11.46 mm；第三次開挖深度為16.8 m時，地表沉降最大值為31.50 mm，較開挖2增幅63.6%。可見，基坑第三次開挖挖深范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土層是造成地表沉降顯著增大的主要因素。

當基坑開挖至坑底后，兩種方案沉降最大值基本穩(wěn)定在0.6H位置處，分別為31.50 mm與31.24 mm?？梢?，二者對于地表沉降的控制效果相差不大[11-12]。

4 結(jié)束語

本文通過有限元數(shù)值模擬，分析了深厚淤泥質(zhì)土層對于基坑變形特性的影響，對比了兩種內(nèi)支撐方案圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降的變化規(guī)律。

(1)當開挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時，圍護結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為“懸臂梁式”變形形態(tài)。隨著開挖深度增大及內(nèi)支撐逐步施作，圍護結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為中部向坑內(nèi)凸出的“鼓肚形”變形形態(tài)。受淤泥質(zhì)粘土層的存在，圍護結(jié)構(gòu)變形顯著增加。在角部設(shè)置兩道內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)變形最大值位于地面以下0.77H位置，為42.3 mm；在軸對稱處設(shè)置一道內(nèi)支撐其最大值位于地面以下0.70H位置處，最大值為47.48 mm。因此，在圍護結(jié)構(gòu)變形控制方面，在角部設(shè)置兩道內(nèi)支撐優(yōu)于在軸對稱處設(shè)置一道內(nèi)支撐方案。

(2)當開挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時，其整體變形表現(xiàn)為“三角形”變形形態(tài)。隨著開挖深度的增大及內(nèi)支撐逐步施作，地表沉降表現(xiàn)為“拋物線形”變形形態(tài)。挖深范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土層是造成地表沉降顯著增大的重要因素。兩種方案的最大值均基本穩(wěn)定在0.6H位置，最大沉降變形分別為31.50 mm、31.24 mm，因此二者對于地表沉降的控制效果相差不大。

(3)受深厚淤泥質(zhì)土層影響，當基坑進行兩次拆換撐操作時，尤其是拆除第一道支撐時，圍護結(jié)構(gòu)及地表沉降變形值均有一定幅度增大。因此，拆換撐過程應(yīng)做好實時監(jiān)控量測工作，如變形過大，需采取相關(guān)控制措施。