劉 楊

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518100)

0 引言

基坑開(kāi)挖通常會(huì)引起地表及支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)疠^大的工程事故。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的增多，涉及到基坑開(kāi)挖的工程也越來(lái)越多，因此深入研究基坑開(kāi)挖以及所引起的地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征具有重要的工程意義。既有許多的學(xué)者主用通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析手段對(duì)基坑開(kāi)挖引起的變形開(kāi)展研究。李淑[1]等統(tǒng)計(jì)了北京地區(qū)37個(gè)明挖順作法基坑開(kāi)挖引起的墻體變形規(guī)律表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移隨插入比、支護(hù)體系剛度的增大而減小。吳鋒波[2]等研究了北京市軌道交通80個(gè)明挖順作法基坑工程引起的地表變形表明，基坑工程周邊地表最大變形的實(shí)測(cè)結(jié)果分布形態(tài)為正態(tài)分布或半整體分布。徐中華[3]等研究了軟土地區(qū)80多個(gè)鉆孔灌注樁的變形規(guī)律表明，樁的最大側(cè)移等于0.1%～1.0%倍的基坑開(kāi)挖深度。王衛(wèi)東[4]等收集了上海35個(gè)基坑工程的地表沉降實(shí)例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，最大沉降值隨開(kāi)挖深度的增大而增大，平均值為0.38%倍的基坑開(kāi)挖深度。李方明[5]等采用理論和經(jīng)驗(yàn)公式法研究了懸掛式帷幕基坑變形規(guī)律。結(jié)果表明，懸掛式帷幕基坑地表沉降曲線呈凹槽形。喬亞飛[6]等分享了無(wú)錫軌道交通車站基坑的變形資料，表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形及平均側(cè)向變形分別為0.05%H～0.25%H和0.12%H。

綜合目前的研究成果發(fā)現(xiàn)，關(guān)于基坑開(kāi)挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地表變形規(guī)律沒(méi)有得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，工程技術(shù)人員對(duì)于基坑的變形特性有待提高。本文基于基坑的變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降規(guī)律，研究成果可為相關(guān)工程提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1 工程概況

研究區(qū)地處河漫灘和一級(jí)階地位置。地層特性明顯，上部以填土、粉質(zhì)黏土為主；下部主要由砂層構(gòu)成。由于砂層的厚度較大，在進(jìn)行維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用懸掛式止水帷幕進(jìn)行止水。

表1為研究區(qū)11個(gè)基坑的圍護(hù)設(shè)計(jì)形式及基坑開(kāi)挖深度等參數(shù)匯總結(jié)構(gòu)。表明，主體基坑的開(kāi)挖深度主要集中于17 m，最大開(kāi)挖深度為24 m。分析各基坑的嵌入比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入比平均值為0.5左右。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

基于MIDAS數(shù)值軟件的GTS模塊進(jìn)行建模與計(jì)算。計(jì)算采用二維平面模型進(jìn)行。開(kāi)挖深度游三種，分別為分11 m、17 m和24 m。每個(gè)深度設(shè)置的嵌入比分別為0.35/0.50和0.65。模型中黏性土采用修正的劍橋本構(gòu)模型[7]，砂土采用摩爾-庫(kù)倫模型[8]，土體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[9]。數(shù)值模擬中，土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及支撐分別采用面單元和梁?jiǎn)卧M。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐均為彈性體。其中混凝土彈模設(shè)為30 000 MPa，鋼材彈模設(shè)為200 000 MPa，泊松比為0.21。

計(jì)算過(guò)程中首先在重力作用下進(jìn)行迭代，模擬初始應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)工程的實(shí)際工程施工步驟設(shè)置不同工況為：(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；(2)基坑降水；(3)開(kāi)挖并設(shè)支撐；(4)澆筑混凝土砼底板。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

圖1給出基坑開(kāi)挖變形圖。其中，L、H、l、δhm、Hm、δvm、δv及d參數(shù)代表的含義見(jiàn)圖所示。

圖2匯總得到了不同模型中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果。表明，在開(kāi)挖深度分別為11 m(圖2(a))、17 m(圖2(b))及24 m(圖2(c))工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形最終呈現(xiàn)出典型的向坑內(nèi)的“凸型”。且頂部和底部側(cè)移較小。導(dǎo)致出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于開(kāi)挖順序引起的。如基坑工程的工序一般是先開(kāi)挖至某一標(biāo)高，在設(shè)支撐。隨著開(kāi)挖深度的增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸向坑內(nèi)側(cè)移，形成“凸型”。

圖1 基坑開(kāi)挖變形圖

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移圖

圖3(a)繪制出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移隨開(kāi)挖深度的關(guān)系。結(jié)果表明，在嵌入比相同的情況下，最大側(cè)向位移隨開(kāi)挖深度的增加不斷增大，且近似為線性關(guān)系。圖3(b)表明，當(dāng)基坑開(kāi)挖至一定深度時(shí)，嵌入比越大，最大側(cè)移越小。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，研究區(qū)的嵌入比為0.5時(shí)，δhm/H≤0.15%，可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，滿足規(guī)范安全性要求。

圖4匯總得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形對(duì)應(yīng)的深度與基坑開(kāi)挖深度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在相同的嵌入比情況下，隨基坑開(kāi)挖深度的增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移對(duì)應(yīng)的最大深度也隨之增大。當(dāng)嵌入比等于0.5時(shí)，Hm/H介于0.68～0.75。當(dāng)開(kāi)挖深度一定時(shí)，嵌入比越大，Hm/H越小。

圖3 不同嵌入比下最大側(cè)向位移量與基坑開(kāi)挖深度關(guān)系

圖4 不同嵌入比下最大側(cè)移的深度與基坑開(kāi)挖深度關(guān)系

2.2.2 地表變形規(guī)律

圖5匯總得到基坑周圍地表沉降曲線。結(jié)果表明，在開(kāi)挖深度分別為11 m(圖5(a))、17 m(圖5(b))及24 m(圖5(c))工況下，沉降曲線呈現(xiàn)典型的“凹型”，沉降范圍介于基坑外側(cè)0～3.5 H，地表沉降隨距離增大而迅速減小。當(dāng)1.0

圖5 地表沉降曲線示意圖

圖6得到了地表的最大沉降值隨基坑開(kāi)挖深度間的相互關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)開(kāi)挖深度一定時(shí)，嵌入比越大，沉降量越小，也即約束作用越強(qiáng)。對(duì)本文研究區(qū)而言，當(dāng)嵌入比等于0.35、0.5和0.65時(shí)，δvm/H分別等于0.24%、0.16%和0.1%。

圖6 地表最大沉降值與開(kāi)挖深度關(guān)系

3 統(tǒng)計(jì)分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

統(tǒng)計(jì)了11個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到最大側(cè)向位移與基坑開(kāi)挖深度的關(guān)系如圖7所示。結(jié)果表明；(1)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形與開(kāi)挖深度的比值一般介于0.06%～0.18%；(2)最大側(cè)向位移于開(kāi)挖深度的關(guān)系基本呈線性增大的趨勢(shì)；(3)在所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，大于

90%以上數(shù)據(jù)的δvm/H≤0.15%，因此研究區(qū)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變心控制最大值可建議為0.15%H。

圖8匯總得到了圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形對(duì)應(yīng)的深度與開(kāi)挖深度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，Hm/H介于0.6～1.1。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移對(duì)應(yīng)的深度一般為位于基坑底部以上的1～3 m處。

圖7 最大側(cè)移與開(kāi)挖深度擬合式 圖8 最大側(cè)移深度與開(kāi)挖深度擬合式

圖9 地表最大沉降量與基坑開(kāi)挖深度擬合式

3.2 地表沉降

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本文匯總得到了基坑周邊地表沉降值與基坑開(kāi)挖深度間的相關(guān)關(guān)系如圖9所示。結(jié)果表明：(1)隨開(kāi)挖深度增大，地表最大沉降量呈線性增大趨勢(shì)；(2)最大沉降量與開(kāi)挖深度比值一般為0.11%～0.33%；(3)在所有的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，δvm/H≤0.25%的數(shù)據(jù)占全部的90%以上。因此，研究區(qū)地表沉降最大控制值為0.25%H。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜合采用數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，開(kāi)展了某地基坑開(kāi)挖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性研究，得到如下結(jié)論：

(1)統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)11個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)級(jí)地表沉降結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的的最大側(cè)向位移δvm/H一般介于0.06%～0.18；基坑周圍地表最大沉降量δvm/H約為0.11%～0.33%。

(2)根據(jù)嵌入比的相關(guān)統(tǒng)計(jì)值，研究區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入比取0.5比較經(jīng)濟(jì)。

(3)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)的分析表明，研究區(qū)基坑的最大變形控制指標(biāo)可按照δvm/H≤0.15%，δvm/H≤0.25%進(jìn)行控制。