俞 榮，呂紫君，張安琪

(1.南京振高建設(shè)有限公司，南京 211300； 2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210006)

1 概 述

地下連續(xù)墻是保持深基坑開挖穩(wěn)定性的重要技術(shù)之一，在地下連續(xù)墻澆筑與基坑開挖過程中，如何確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是巖土工程界十分關(guān)注的問題[1-2]。在施工中做好動態(tài)的監(jiān)控量測工作，是保障維護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、降低工程風(fēng)險的有效方式，同時采用數(shù)值模擬方法作為變形預(yù)測研究也具有重要意義。

為此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。Gordon等[3]研究認(rèn)為，使用常規(guī)的土體模型在軟土地質(zhì)環(huán)境下研究地鐵基坑周邊地表沉降以及圍護結(jié)構(gòu)的水平位移會存在較大的誤差，提出了新的簡化半經(jīng)驗軟土模型。LoKY[4]通過二維有限元模型，對多倫多市某地鐵工程的監(jiān)測進(jìn)行了模擬。Zdravkovic等[5-6]研究認(rèn)為，有限差分法和三維有限元模擬法較二維有限元模擬法更可靠。江軼華[7]等基于小應(yīng)變硬化土(Hardening soil small strain)模型，采用在單元表面施加荷載邊界條件的方法模擬泥漿護壁，建立三維數(shù)值模型，模擬地下連續(xù)墻施工過程。王進(jìn)等[8]基于布里淵光頻域分析(BOFDA)技術(shù),進(jìn)行地下連續(xù)墻變形現(xiàn)場監(jiān)測的方法與技術(shù)研究, 給出依據(jù)分布式光纖監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)換算地下連續(xù)墻變形的計算方法。余平等[9]采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護方式，采取詳細(xì)的基坑監(jiān)測方案。此外，還有學(xué)者通過現(xiàn)場測試，采用有限差分軟件FLAC3D對基坑變形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析[10-12]。

本文以南京市區(qū)某基坑項目為例，通過測斜儀分析開挖過程中地下連續(xù)墻的變形趨勢，采用數(shù)值軟件對基坑開挖進(jìn)行模擬，對比分析莫爾-庫侖本構(gòu)(M-C)模型和硬化土體模型(HS)的計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的差異，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

本次分析的基坑開挖區(qū)域位于南京市區(qū)，距離街道約30 m,最近的建筑物在20 m以內(nèi)。由于地下水位較高，根據(jù)工程勘察報告，建議基坑開挖時采用厚60 cm的地下連續(xù)墻技術(shù)。在項目實施期間，這些地下連續(xù)墻構(gòu)成了開挖的擋土結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)計文件使用墻體設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行靜態(tài)計算。由圖1的巖土工程勘察結(jié)果表明，在基坑開挖處，土層的頂層(1 m)由人工填土組成，下一層是有機粉土(約5.1 m，分為兩個亞層(厚3.3和1.8 m))，強度和剛度參數(shù)略有不同)，第三層是砂礫石(約7.3 m)，而墻底部存在黏土層。開挖是分期施工進(jìn)行的，并在地下連續(xù)墻和鋼筋混凝土蓋梁完工后開始。

施工時，建造了厚度60 cm、深度16 m的地下連續(xù)墻，安裝了臨時支撐結(jié)構(gòu)，并使用CFA樁為塔式起重機的深基礎(chǔ)架設(shè)了臨時柱，使建筑的其他部分能夠按照既定的工作計劃在干燥和安全的開挖范圍內(nèi)施工。最終開挖深度約為10.5 m，地下水位在地形標(biāo)高以下約3 m處。在施工的第一階段，在地下連續(xù)墻內(nèi)進(jìn)行挖掘。地下連續(xù)墻作為一個擋土結(jié)構(gòu)一直延伸至停車場的一樓，在樓板完工并安裝臨時支撐結(jié)構(gòu)后，采用自上而下的方法進(jìn)行開挖。在開挖期間，對地下連續(xù)墻進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并通過測量安裝在墻體內(nèi)的測斜儀套管來監(jiān)測其變形。工程完工后，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的實測位移低于設(shè)計階段的估計值，這表明與深基坑相關(guān)的整個過程所采用的假設(shè)是正確的，并且工程計劃得到正確執(zhí)行。

圖1 基坑開挖橫截參數(shù)及施工步驟

3 基坑變形監(jiān)測

測斜測量的目的是在涉及地下三層地下連續(xù)墻內(nèi)部開挖的施工期間，確定地下連續(xù)墻的變形程度。隨著基坑工程的開展，地下連續(xù)墻逐漸承擔(dān)由地壓引起的荷載，從而導(dǎo)致其發(fā)生位移和變形，這些變化通過觀察安裝在墻體內(nèi)的測斜儀套管進(jìn)行監(jiān)測。本次使用傾斜儀測量每個套管中探頭的兩個位置，以便能夠計算測斜儀偏差和測量誤差不超過0.8 mm。每個套管的測量方向A+是朝向開挖的方向，方向B+是沿著監(jiān)測墻的方向。將測斜儀套管安裝在地下連續(xù)墻面板內(nèi)，深度為地面以下15 m，位于預(yù)計變形最大的位置。外殼的布置和數(shù)量見圖2。傾斜監(jiān)測測量計劃在施工的每個階段結(jié)束時進(jìn)行，第一次在地下第一層開挖完成后進(jìn)行，第二次在第二層開挖完成后進(jìn)行，第三次在開挖至最終深度后進(jìn)行。

圖2 測斜儀的布置及數(shù)量

圖3為不同施工步驟下地下連續(xù)墻累積位移。

圖3 不同施工步驟下地下連續(xù)墻累積位移

由圖3可知，在基坑未開挖時，地連墻未發(fā)生位移變形，保持穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谝淮伍_挖后，整個地基深度內(nèi)出現(xiàn)明顯的位移，在底部14 m處，向右傾斜4 mm，在高程0 m處累計位移最大為8.1 mm；當(dāng)?shù)诙伍_挖后，底部14 m處累計位移增大至8.1 mm，而最大累計位移發(fā)生位置轉(zhuǎn)移至地基中部，達(dá)到11 mm；最后，當(dāng)?shù)鼗_挖至底部時，地下連續(xù)墻整體累積位移最大，其中在地基底部14 m處，地連墻整體累積位移為17 mm，最大位移在地基深度9 m處，達(dá)到21 mm。

4 數(shù)值模型建立

本文使用Plaxis 2D軟件對擋土系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。平面應(yīng)變有限元數(shù)值模型包括3個施工階段，其中包括3個開挖步驟，每步開挖深度與施工時的開挖深度保持一致，還包括安裝兩個支柱的分析階段。計算中，采用重力荷載來確定底土的初始應(yīng)力。土體采用兩種本構(gòu)模型進(jìn)行計算：一種為具有小應(yīng)變剛度的硬化土體模型(HS)進(jìn)行建模；一種為莫爾-庫倫本構(gòu)模型。對于混凝土和鋼構(gòu)件，采用彈性模型。與彈性模型相比，使用硬化土(HS)的優(yōu)勢在于控制剛度參數(shù)，包括切線固結(jié)儀模量、割線三軸模量E50、卸載-再加載模量。圖4為本次建立的數(shù)值模型。數(shù)值計算參數(shù)見表1。

圖4 數(shù)值模型

表1 巖土計算參數(shù)

5 監(jiān)測與數(shù)值結(jié)果分析

圖5、圖6分別為莫爾-庫侖模型本構(gòu)和硬化土本構(gòu)下，地基開挖引起地連墻位移變化規(guī)律。

圖5 莫爾-庫倫本構(gòu)下地連墻位移變化

圖6 HS本構(gòu)下地連墻位移變化

由圖5可知，對于莫爾-庫侖本構(gòu)(M-C)模型，數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果具有明顯的差異。當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束時，二者地墻頂部和底部的位移相差不大，但M-C模型地墻中部的位移不到1 mm，而實測值為4 mm左右；當(dāng)?shù)诙伍_挖結(jié)束后，二者除地墻底部的位移相差不大以外，其余部分有明顯差異，在地墻中部二者最大位移相差5 mm以上；當(dāng)開挖結(jié)束后，數(shù)值模擬值與實測值相差最大，達(dá)到10 mm左右。因此，使用莫爾-庫侖模型計算的結(jié)果會高估墻體的水平位移。

從圖6中可知，對于HS模型同樣可以看到二者的巨大差異，且隨著開挖步驟的深入，差異越明顯。當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束后，數(shù)值模擬與實測的地墻最大位移之差為5 mm；第二次開挖結(jié)束后，最大位移之差達(dá)到8 mm；當(dāng)開挖結(jié)束后，二者的最大位移之差達(dá)到18 mm。由圖6可知，墻的數(shù)值計算位移和實際測量位移之間有強相關(guān)性，因為二者的變化趨勢十分相似。HS模型傾向于低估墻體底部的水平運動，這種差異的主要來源是巖土工程勘察的可靠性不高。因此，對于復(fù)雜問題(如深基坑)，數(shù)值模擬方法建議采用硬化土體模型(HS)進(jìn)行建模，可以用來作為基坑開挖地連墻的初步變形趨勢判斷。而對于土壤參數(shù)的初步估計，建議采用更復(fù)雜的方法(例如三軸試驗)，以便更好地估計土壤參數(shù)，以此來提高計算位移和測量位移之間的相關(guān)性。因此，不建議使用莫爾-庫侖模型估算墻體位移，即使巖土參數(shù)的可靠度不是很高，使用硬化土模型也可以獲得與監(jiān)測結(jié)果更為一致的結(jié)果。

6 結(jié) 論

本文以南京市區(qū)某基坑項目為例，通過測斜儀分析了開挖過程中地下連續(xù)墻的變形趨勢，采用數(shù)值軟件對基坑開挖進(jìn)行模擬，對比分析了莫爾-庫侖本構(gòu)(M-C)模型和硬化土體模型(HS)的計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的差異。研究成果表明，M-C模型會高估地連墻體底部的水平運動，而HS模型會低估地墻底部位移，這種差異的主要來源是巖土工程勘察的可靠性不高。因此，對于復(fù)雜問題(如深基坑)，數(shù)值模擬方法建議采用硬化土體模型(HS)進(jìn)行建模，可以用來作為基坑開挖地連墻的初步變形趨勢判斷。而對于土壤參數(shù)的初步估計，建議采用更復(fù)雜的方法(例如三軸試驗)，以便更好地估計土壤參數(shù)，以便提高計算位移和測量位移之間的相關(guān)性。