摘要:為更好探明近海潮汐對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響問題,本文采用以實測墻邊地下水位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的模型邊界潮汐地下水位振幅反演分析方法,反演得到適宜的不同潮差分析工況,研究了各振幅潮汐地下水作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及響應(yīng)機理。研究結(jié)果表明:(1)潮汐作用下,背海側(cè)圍護(hù)墻體側(cè)移振幅沿深度增大逐漸降低,但靠海側(cè)圍護(hù)墻體側(cè)移振幅分布與地層透水性密切相關(guān),表現(xiàn)為與強透水層接觸區(qū)域側(cè)移振幅往往明顯更大,故而基坑設(shè)計時應(yīng)盡量避免靜力工況最大側(cè)移位置與強透水層位置重合;(2)若圍護(hù)墻體彎矩峰值出現(xiàn)在強透水層區(qū)域,潮汐作用下的彎矩增量會遠(yuǎn)大于其他區(qū)域,加劇受力不均情況,但該現(xiàn)象隨潮汐振幅增大而減弱;(3)同型內(nèi)撐軸力振幅隨豎向位置遠(yuǎn)離強透水層逐漸減小,并且由于結(jié)構(gòu)形式和所處位置不同,各鋼管撐軸力振幅隨潮汐振幅增大平緩增長,而各砼撐軸力振幅隨潮汐振幅增大呈突變式增長。
關(guān)鍵詞:基坑;潮汐;圍護(hù)結(jié)構(gòu)
中圖分類號:TU43""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號:1673?6478(2023)03-0033-08
Study on the Mechanical Response Law of Offshore Deep and Large Foundation Pit Retaining Structure under Different Tidal Ranges
JI Fan GAO Junhan
(1. China Railway Southern Investment Group Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)
Abstract: In order to better explore the influence of offshore tide on the mechanical response of foundation pit retaining structure, the model boundary tidal groundwater level amplitude inversion analysis method based on the measured groundwater level data near the wall is adopted to obtain suitable different tidal range analysis conditions, and the mechanical response law and response mechanism of foundation pit retaining structure under the action of tidal groundwater with different amplitudes are studied. The results show that: (1) Under the action of tide, the lateral displacement amplitude of the retaining wall at the sea side decreases gradually with the increase of depth, but the distribution of the lateral displacement amplitude of the retaining wall at the sea side is closely related to the permeability of the stratum, which shows that the lateral displacement amplitude of the contact area with the strong permeable layer is often significantly larger, so the maximum lateral displacement position of the static working condition should be avoided to coincide with the position of the strong permeable layer when designing the foundation pit; (2) If the peak value of the bending moment of the retaining wall occurs in the area of strong permeable layer, the increment of the bending moment under the action of tide will be much greater than that in other areas, which will aggravate the poor stress situation, but this phenomenon will weaken with the increase of the amplitude of tide; (3) The axial force amplitude of the same type of internal brace decreases gradually with the vertical position away from the strong permeable layer, and due to the different structural form and location, the axial force amplitude of each steel pipe brace increases slowly with the increase of the tidal amplitude, while the axial force amplitude of each concrete brace increases abruptly with the increase of the tidal amplitude.
Key words: foundation pit; tide; enclosure structure
0 引言
隨著近海深基坑工程逐年增多,潮汐效應(yīng)對深基坑工程的潛在影響也開始受到業(yè)內(nèi)的關(guān)注,相較于一般富水區(qū)域內(nèi)深基坑工程,近海深大基坑的周邊滲流場受潮汐效應(yīng)向內(nèi)陸傳遞影響,可能存在周期性非穩(wěn)態(tài)特點,進(jìn)而對基坑降水和圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力造成不利影響。在潮汐環(huán)境基坑抗?jié)B防突涌問題上應(yīng)宏偉及其團(tuán)隊展開了較為豐富的研究[1?6]。在近海潮汐非穩(wěn)態(tài)滲流條件下的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)方面,陳從睿[7]、寇強[8]利用了不同方法對潮汐荷載進(jìn)行簡化模擬,分別研究了圍堰在潮汐作用下的響應(yīng)規(guī)律和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在潮汐變化過程中的響應(yīng)情況。而現(xiàn)有針對潮汐環(huán)境下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)研究的模擬方法還存在地質(zhì)制約條件過多、計算連續(xù)性不足或未考慮潮汐水流在土體中存在衰減過程,機械地將海洋潮汐數(shù)據(jù)引入模型邊界等問題,難以對潮汐作用進(jìn)行真實模擬,在工程中的實際運用也較為困難。
故在此背景下,本文以廣東省深圳市濱海大道(總部基地段)交通綜合改造項目深基坑工程為依托,通過實測數(shù)據(jù)反演得到多組動態(tài)水位邊界條件,以此為基礎(chǔ)研究了不同潮差下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律,以期為各類近海基坑工程設(shè)計工作提供參考依據(jù)。
1 工程概況
濱海大道(總部基地段)交通綜合改造項目位于深圳市南山區(qū)、福田區(qū)規(guī)劃超級總部片區(qū)及附近,由現(xiàn)狀濱海大道(總部基地段)進(jìn)行下沉擴容改造,為滿足后期城際列車線路規(guī)劃要求,在基坑北側(cè)K1 747.3~K2 139.1里程段預(yù)留穂莞深城際站。下沉改造段西起深灣一路,東至深灣五路,總長約1.5km(圖1),其中主線隧道暗埋段長約1"057m,兩側(cè)分設(shè)268m及235m敞開段;南、北兩側(cè)輔線隧道暗埋段各長1"270m和1"137m,兩側(cè)敞開段長度約140~188m,敞開段為U型槽結(jié)構(gòu),暗埋段為“L”型箱式結(jié)構(gòu),主線、北輔道位于地下一層主坑,平均開挖深度13.7m,南輔道位于地下二層坑中坑,平均開挖深度20.7m,基坑大部分區(qū)域開挖寬度為69~72m?;颖笨砍壙偛浚蟼?cè)毗鄰深圳灣海域,與海洋最近直線距離僅55m,基坑區(qū)域地層由淺至深主要為填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、含黏性土礫砂、礫質(zhì)黏性土以及全風(fēng)化至微風(fēng)化花崗巖,基坑暗埋段典型斷面圖、地層位置關(guān)系圖如圖2及圖3所示。
場地歷史最高地下水位為 2.4m,其中④2含黏性土礫砂層為場地主要強透水層且與深圳灣海域連通,致使基坑與海洋潮汐具有強烈水力聯(lián)系。如圖3所示,其地層厚度達(dá)10.8m,主要位于坑中坑及坑底附近深度區(qū)域,該深度范圍內(nèi)坑中坑主要受力構(gòu)件為上、下兩道鋼管撐,由于強透水層位置位于基坑下部,地層傳遞持續(xù)周期性潮汐波動極可能對基坑受力造成不良影響,加劇圍護(hù)結(jié)構(gòu)“踢腳”變形等不利現(xiàn)象。據(jù)現(xiàn)場地下水位測試數(shù)據(jù)顯示(圖4),基坑靠海側(cè)坑外地下水位明顯受潮汐影響呈波動變化態(tài)勢,觀測期內(nèi)(為期42天)最高地下水位 5.03m,最低地下水位 5.82m,差值0.79m,平均水位 5.376m。進(jìn)一步收集與深圳灣最近的蛇口港水文監(jiān)測站潮汐記錄數(shù)據(jù)與場地地下水位波動數(shù)據(jù),如圖5(a)、(b)。由于深圳灣海域潮汐類型屬于不規(guī)則半日潮型,部分日期范圍內(nèi)潮汐曲線明顯呈一大一小兩次高潮,且兩次高潮水位差異較大,相差約1m,如圖5(a)。而此時地下水位曲線同樣表現(xiàn)為單日水位一大一小兩次抬升,且存在明顯滯后現(xiàn)象(峰值約滯后潮位頂點3.5~4小時)。而圖5(b),潮汐曲線每日兩次潮水水位均較高且數(shù)值相近,同樣從圖中可觀測出與圖5(a)相似的滯后波動。而地下水位峰值到來時間約滯后潮位頂點3.5~4小時。同時可以看到,以2020年10月21日—2020年10月24日時間段內(nèi),潮汐升高曲線和與之對應(yīng)的地下水位曲線為例,潮位差為2.2m,但地下水位差僅為0.46m,其他時間段內(nèi)規(guī)律類似,地下水位振幅明顯小于潮汐振幅,表明潮汐經(jīng)過一定距離傳播后,對地下水位造成的波動現(xiàn)象衰減明顯。
2 潮汐反演方法及數(shù)值模型
2.1 反演方法提出
目前的針對潮汐的工程影響研究多在極近海工程中運用,此類工程一般具有距海岸線極近,海岸具有一定坡度,海底地質(zhì)情況調(diào)研清晰,地層性質(zhì)均勻等特點,如人工規(guī)范吹填、拋填或地質(zhì)條件相對簡單區(qū)域的基坑、圍堰工程等。而對于僅受地下水升降荷載影響的基坑工程案例(離海岸線稍遠(yuǎn)、區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜且海灘坡度較緩等),其方法準(zhǔn)確性就受到了考驗,且也無必要探明結(jié)構(gòu)至海岸線的全部地質(zhì)信?息。
故對于僅受地下水升降荷載的基坑工程案例,潮汐作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律應(yīng)僅與墻邊的土體分布和水位變化情況緊密相關(guān),基坑周邊的地下水位變化情況才是準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵。因此,通過地連墻周邊水位觀測孔獲得大量實測數(shù)據(jù)后,將模型按坑周地質(zhì)信息進(jìn)行水平簡化并延伸建模后,僅需按經(jīng)驗預(yù)選多組邊界條件試算工況對模型的地層潮汐衰減規(guī)律進(jìn)行分析擬合,再以圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊的實測地下水位數(shù)據(jù)作為評判標(biāo)準(zhǔn)反演模型邊界應(yīng)當(dāng)輸入的動態(tài)水位振幅大小,即可進(jìn)行準(zhǔn)確的圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)計算分?析。
2.2 求解流程、反演及分析工況
在潮汐動態(tài)水位邊界的處理上,首先結(jié)合潮汐時變特征可近似用三角函數(shù)描述的特點,將反演和后續(xù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算中的動態(tài)水位邊界簡化為周期12小時的余弦函數(shù),如式(1),并借鑒“微積分”的思想對函數(shù)進(jìn)行“離散化”處理。
? = [cos(π/21600) ? 1] ? "(1)
式中,?為模型邊界處t時刻潮汐水位,m;為邊界潮汐振幅,m;為計算時間,s;為場地最高水?位。
在進(jìn)行反演中,首先擬定幾組邊界潮汐振幅(A)工況進(jìn)行試算,提取分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)旁各地層中間厚度處孔壓測點振幅響應(yīng)情況,并與模型邊界輸入水位振幅擬合出關(guān)系函數(shù)曲線,隨后將實測的墻邊地下水位振幅代入函數(shù)中,求得能夠讓墻邊模擬水位振幅與實測水位振幅取得一致的數(shù)值計算中需要的邊界潮汐振幅,并以此潮汐邊界振幅開展相應(yīng)力學(xué)響應(yīng)分析。顯然,如此即可在包含基坑的小范圍分析區(qū)域內(nèi)對地下水位動態(tài)條件進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬,從而保證潮汐環(huán)境下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的可靠性。
試算反演工況為:動態(tài)水位邊界振幅2.0m、2.5m、3.0m、3.5m和4.0m。
欲得到的分析工況為:墻邊水位振幅0.4m(與地下水位監(jiān)測獲得的最大潮差數(shù)據(jù)0.79m接近),0.6m和0.8m。
2.3 數(shù)值模型
由于濱?;有螤瞠M長,截面特征變化不大,故選取長度為24m的部分區(qū)段,采用FLAC 3D有限差分軟件依據(jù)實際結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模分析,如圖6所示。模型尺寸選取為320m 24m 90m,基坑單元預(yù)建于模型中部,寬72m,考慮邊界效應(yīng)和計算時間,靠海側(cè)地連墻距動水位邊界124m,計算網(wǎng)格隨著遠(yuǎn)離基坑,其尺寸逐漸加大[9?10]?;庸采婕皣o(hù)結(jié)構(gòu)3道,分別為wall1,背海側(cè)地連墻,厚0.8m;wall2,靠海側(cè)地連墻,厚1.0m;wall3,坑中坑灌注樁加旋噴止水,按剛度等效公式換算為0.48m厚地連墻[11?12]。
=("+ )3/12=π4/64 (2)
式中,為鉆孔灌注樁直徑;d為樁的凈間距;為地下連續(xù)墻的折算厚度。
涉及橫撐結(jié)構(gòu)5道,分別為主坑砼撐1?3,坑中坑鋼管撐4?5。模型中地連墻、砼撐、格構(gòu)柱以及立柱樁均采用彈性實體單元模擬,鋼管撐采用beam單元模擬,土體采用服從Mohr?Coulomb屈服準(zhǔn)則的實體單元建模。模型的力學(xué)邊界條件設(shè)置為約束模型邊界側(cè)向水平位移和底部豎向位移,模型的水力邊界條件按靠海側(cè)邊界透水、其余邊界不透水進(jìn)行設(shè)置。模型涉及相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。
3 潮汐反演分析
通過計算可知,由于本工程地層僅含單層強透水層,除該地層外其余地層孔壓波動不明顯,故可近似以墻邊強透水層孔壓對觀測孔中的水位波動進(jìn)行反演。提取各工況靠海側(cè)邊界與強透水層孔壓振幅數(shù)據(jù)做散點圖并進(jìn)行擬合(限于篇幅僅給出距靠海側(cè)地連墻2m、60m和100m數(shù)據(jù)),如圖7所示,可知強透水層內(nèi)部孔壓振幅與邊界孔壓振幅均具有強線性關(guān)系,各擬合曲線的決定系數(shù) 均趨于1,同時各曲線均經(jīng)過原點附近,即靠海側(cè)邊界為定水頭邊界時,強透水層內(nèi)部孔壓不發(fā)生波動,符合客觀規(guī)律。本工程中,圍護(hù)墻邊觀測孔位于距靠海側(cè)地連墻2m距離處,單獨給出此處強透水層內(nèi)部孔壓振幅與模型邊界輸入振幅擬合函數(shù)關(guān)系式如下:
即若欲得到墻邊水位振幅分析工況0.4m、0.6m和0.8m,邊界水位振幅應(yīng)為1.46m、2.20m和2.96m。
為進(jìn)一步驗證設(shè)置的邊界振幅工況的準(zhǔn)確性,以各邊界水位振幅進(jìn)行數(shù)值計算,均獲得了與實測值對應(yīng)的墻邊水位振幅。以1.46m邊界水位振幅計算得到的靠海側(cè)強透水層沿程孔壓時程曲面圖(圖8)為例??梢钥吹?,該計算工況下地下水滲流過程中的衰減特征與反演試算工況一致,測量其靠海側(cè)地連墻外2m處強透水層峰谷水位差值為0.8m,即振幅0.4m,表明擬合得到的線性函數(shù)可靠。故在后續(xù)分析中,以1.46m、2.20m和2.96m作為邊界潮波振幅進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析。
4 潮汐振幅變化對結(jié)構(gòu)的影響分析
4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移
圖9為各工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度與潮汐荷載位移差絕對值的關(guān)系曲線??梢钥吹?,各工況下不同位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移差曲線規(guī)律保持不變,具體規(guī)律如下:(1)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部土體對圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在明顯約束作用;(2)同深度下越遠(yuǎn)離海岸線的圍護(hù)結(jié)構(gòu)振幅越?。唬?)非靠海側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受傳遞的潮汐作用類似“懸臂梁受多個同向集中荷載”的模式,擺幅沿深度逐漸減小;(4)強透水層位置將直接決定了靠海側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)擺幅最大位置。
而隨著潮汐振幅增大,各圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體位移振幅均呈非線性增長趨勢。以各圍護(hù)結(jié)構(gòu)在潮汐振幅0.4m下最大側(cè)移差為基礎(chǔ)進(jìn)行說明。潮汐振幅0.4m工況下,wall1、wall2、wall3最大側(cè)移差分別為1.71mm、2.03mm、1.86mm;振幅為0.6m時,wall1最大位移差升至2.25mm,增大31.6%;wall2最大位移差升至2.70mm,增大33.7%;wall3最大位移差升至2.51mm,增大34.9%。振幅為0.8m時,wall1最大位移差升至3.06mm,增大78.9%;wall2最大位移差升至3.76mm,增大86.1%;wall3最大位移差升至3.48mm,增大87.1%。可以看到,振幅由0.4m增至0.6m時,各圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大位移差增長比為31.6%~34.9%,振幅由0.6m增至0.8m時,增長比為47.3%~52.4%。
因此,在面對較大潮汐影響時,設(shè)計施工過程中應(yīng)注意靠海側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線與強透水層的位置關(guān)系,盡量避免側(cè)移最大位置與強透水層位置重合產(chǎn)生疊加,進(jìn)而造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移進(jìn)一步增?長。
4.2 地連墻彎矩
由于各工況下wall1 彎矩增量變化較小,故僅對靠海側(cè)wall2 地連墻相對于滿潮時刻最大彎矩增量(圖10)展開分析。圖10 中左側(cè)為wall2 最大彎矩增量曲線,右側(cè)為各工況0 時刻wall2 墻體彎矩,由圖10 可知,各工況下強透水層深度范圍內(nèi)14m 和17.5m 深度處存在兩處彎矩增量凸起,正好與其負(fù)彎矩峰值點位置重疊。隨潮汐振幅增大,地連墻各點的振幅正負(fù)彎矩增量均增大,但最值取得位置并未改變,且墻整體的正負(fù)彎矩增量增速降低明顯。以最明顯的各工況下墻體最大彎矩增量為例,工況下增量分別為41.4kN ?m ? m?1(0.4m),71.0kN ?m ? m?1(0.6m)和93.3kN ?m ? m?1(0.8m),即相較于0.4m 工況,0.6m 工況增長71.5%;相較于由0.6m 工況,0.8m 工況增長53.9%,增長率降低17.6%。
? 雖然墻體彎矩曲線線性受墻背土壓力、內(nèi)撐和坑底土體的共同作用,但上述分析表明,若地連墻彎矩峰值出現(xiàn)在強透水層區(qū)域,潮汐作用下的彎矩增量會相較于其他區(qū)域更大,其彎矩不利將進(jìn)一步加劇,但隨著潮汐差增加,影響將會減小。
4.3 ?內(nèi)撐軸力
圖11為0.4m潮汐振幅下,各道橫撐最大軸力隨潮汐響應(yīng)曲線。由于各工況下軸力變化特征規(guī)律基本一致,故以0.4m工況進(jìn)行特征分析。各橫撐軸力波動范圍、差值以及軸力差占最大軸力比例均在圖中進(jìn)行了標(biāo)注,并用與各道橫撐軸力曲線具有相同線條樣式的箭頭標(biāo)明了對應(yīng)關(guān)系。
通過觀察發(fā)現(xiàn),同種內(nèi)撐軸力振幅排序與受力排序無對應(yīng)關(guān)系,與內(nèi)撐和強透水層的對應(yīng)位置關(guān)系顯著。結(jié)合圖12可更好地對該現(xiàn)象進(jìn)行說明,砼撐軸力排序為砼撐3 砼撐1 砼撐2,而砼撐3、2、1在豎向位置上逐漸遠(yuǎn)離強透水層,即軸力振幅排序為砼撐3 砼撐2 砼撐1;鋼管撐軸力排序為鋼管撐4 鋼管撐5,而鋼管撐5相較于鋼管撐4更靠近強透水層中部,相應(yīng)軸力振幅排序為鋼管撐5 鋼管撐4。
而圖13則為各道內(nèi)撐軸力振幅隨潮汐振幅變化曲線??梢钥吹?,同型內(nèi)撐軸力振幅隨豎向位置遠(yuǎn)離強透水層逐漸減小。隨著潮汐振幅的增長,各橫撐軸力振幅增大,但砼撐與鋼管撐的軸力增幅隨潮汐振幅上升的增長形式有所不同。各鋼管撐軸力振幅隨潮汐振幅增大平緩增長,前后增長率比值僅為129%和120%,而各砼撐軸力振幅隨潮汐振幅增大明顯表現(xiàn)呈折線上升的非線性突變增長特點,三工況前后增長率比值分別可達(dá)540%,708%和799%。
其原因可能與內(nèi)撐結(jié)構(gòu)形式和所處位置有關(guān),其中鋼管撐為桿系結(jié)構(gòu),軸力主要靠鋼材線彈性形變抵抗,且兩道鋼管撐均位于強透水層區(qū)域,其潮汐振幅的線性變化對其影響較大,故其增長方式偏線性。而砼撐結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,又與非強透水層區(qū)域地連墻連接,在前述分析中將地連墻近似看作“懸臂梁”結(jié)構(gòu),則當(dāng)潮汐作用增大時,位于上側(cè)的砼撐需要抵抗結(jié)構(gòu)整體傳遞的更大變形,故其軸力最終呈現(xiàn)出非線性變化特征。
? 5 結(jié)語
本文針對近海基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在潮汐荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)問題,采用以實測墻邊地下水位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的模型邊界潮汐地下水位振幅反演分析方法,反演得到適宜的不同潮差分析工況,研究了各振幅潮汐地下水作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及響應(yīng)機理。通過研究,得到了如下結(jié)論:
參考文獻(xiàn):