譚 貴

(中山翠亨新區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)事務(wù)中心,廣東 中山 528437)

0 引言

隨著國(guó)家的高速發(fā)展,基礎(chǔ)建設(shè)推進(jìn)得十分迅速,與日俱增的工程建筑給空間利用帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為充分利用地下空間,綜合管廊在國(guó)內(nèi)逐步得到推廣與建設(shè)。地下綜合管廊的工程建設(shè)難度與地層地質(zhì)條件息息相關(guān)。在沿海地區(qū),海相軟土地層分布廣泛,由于工程性質(zhì)較差,海相軟土是地基處理過(guò)程中需要重點(diǎn)處理和研究的對(duì)象。

軟土地基目前存在許多處理方式,海相軟土地層在綜合管廊基坑工程開展作用下的變形特征分析對(duì)相關(guān)控制技術(shù)的研究具有指導(dǎo)作用,對(duì)綜合管廊在軟土地區(qū)的建設(shè)發(fā)展具有重要意義。

近年來(lái),學(xué)者們針對(duì)軟土區(qū)基坑建設(shè)展開了不少研究。鄭剛[1]分析了基坑施工全過(guò)程各階段的變形特征、機(jī)理以及對(duì)環(huán)境的影響,將基坑變形及其對(duì)環(huán)境影響的控制劃分為“基于基坑支護(hù)體系的變形控制”和“基于鄰近基坑保護(hù)對(duì)象的變形控制”兩類方法;黃劍等[2]在工程設(shè)計(jì)和施工中,采取有效措施解決了深厚淤泥場(chǎng)地中長(zhǎng)線形地下工程的沉降控制問(wèn)題,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)方案的合理性。宋許根[3]通過(guò)對(duì)廣州南沙某基坑進(jìn)行理論計(jì)算和數(shù)值模擬,結(jié)合對(duì)監(jiān)測(cè)資料的詳細(xì)分析,探討了廣州南沙某深厚軟土區(qū)綜合管廊基坑破壞發(fā)生的成因和變形特征;陳永華[4]基于工程實(shí)例,建立了三維有限元模型,對(duì)施工過(guò)程中各施工步的基坑沉降與支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行了分析,為海相軟土地層綜合管廊在鋼板樁支護(hù)體系下施工提供了參考。吳晨[5]通過(guò)有限元數(shù)值分析軟件Midas GTS對(duì)跨泗河城市綜合管廊深基坑工程進(jìn)行建模,并分別對(duì)該城市綜合管廊深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊土體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析,對(duì)深基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證;張海松等[6]采用FLAC3D軟件模擬深基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值,結(jié)合該地鐵施工區(qū)域的實(shí)際土質(zhì)情況,完成深基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析,為實(shí)際施工工況提供指導(dǎo)參考;姚丙生[7]采用MIDAS數(shù)值軟件進(jìn)行深基坑開挖支護(hù)數(shù)值模擬,結(jié)合地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,得到了深基坑開挖地表范圍內(nèi)地層的沉降變形特征。

目前,在綜合管廊深基坑建設(shè)工程中鋼板樁支護(hù)得到了廣泛的應(yīng)用。但在鋼板樁支護(hù)體系下海相軟土地層變形的作用機(jī)理、變形特征、理論計(jì)算分析仍缺乏系統(tǒng)性的研究。本文結(jié)合中山馬鞍島地下綜合管廊工程,采用Midas GTS NX數(shù)值模擬軟件對(duì)鋼板樁支護(hù)體系下海相軟土地區(qū)綜合管廊基坑建設(shè)各施工步進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)鋼板樁支護(hù)體系下海相軟土地層變形特征進(jìn)行分析,為相關(guān)工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 海相軟土地層綜合管廊工程概況

1.1 工程概況

本文所依托中山市馬鞍島地下綜合管廊工程位于科學(xué)城片區(qū),屬市政路網(wǎng)建設(shè)工程。該項(xiàng)目處于富含淤泥土的淺海灣地區(qū),位于珠江口西部。

分析段取建設(shè)線路中寧?kù)o路段,該段地下綜合管廊總長(zhǎng)1.403 2 km,地下綜合管廊尺寸為5.4 m×3.3 m。

地下綜合管廊采取18SP-IV鋼板樁進(jìn)行支護(hù),在其間施加兩道鋼管作為內(nèi)支撐,鋼管尺寸為:直徑609.0 mm,厚度14.0 mm。三腳架連接腰梁,施作于基坑底部位置作為鋼板樁支護(hù)體系,以此加固內(nèi)支撐鋼管的穩(wěn)定。分析段地下綜合管廊基坑普遍開挖至7.0 m左右,基坑寬度為5.4 m～5.8 m。本文基于實(shí)際情況對(duì)基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化,基坑具體布設(shè)如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

涉及工程中地層主要包含素填土、淤泥土和粉質(zhì)黏土以及相關(guān)復(fù)合地層,各地層和基坑結(jié)構(gòu)布設(shè)對(duì)應(yīng)位置如圖1所示。

各地層描述如下:

素填土:由碎石、黏土組成,包含少量塊石,粒徑分布為0.45 cm～0.55 cm。淤泥質(zhì)土層厚2.36 m～33.56 m不等,易壓縮,含水率高,呈流塑狀態(tài)。碎石塊主要由混凝土土塊、花崗巖塊等組成,棱狀,厚度1.56 m～15.89 m。

淤泥土:呈黑色、灰黑色,工程性質(zhì)差,高壓縮性,含有生物碎屑,厚度1.23 m～33.12 m。

粉質(zhì)黏土:呈褐黃色,含水較高,飽和,主要包含長(zhǎng)石、石英等礦物,厚度0.53 m～15.55 m。

全風(fēng)化花崗巖:呈白色略帶灰色,巖石風(fēng)化程度較高,礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,組成礦物中云母幾乎完全風(fēng)化,主要包含長(zhǎng)石、石英等礦物,工程性質(zhì)一般,極易發(fā)生破碎,厚度0.56 m～8.23 m。

2 理論計(jì)算與分析模型

2.1 Peck經(jīng)驗(yàn)公式

Peck分析了大量的實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)后提出地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線,目前地層沉降預(yù)測(cè)主要采用Peck法進(jìn)行預(yù)測(cè),Peck法計(jì)算公式見式(1)—式(3):

(1)

(2)

(3)

其中,s(x)為地表沉降量,m;σmax為地表沉降最大值,m;V為單位長(zhǎng)度地層損失值,m3/m;i為地表沉降槽的寬度系數(shù)值,m。

2.2 GTS NX模型概況

文中采用Midas GTS NX有限元分析軟件對(duì)地下綜合管廊基坑開挖施工進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2.1 模型概況

建模過(guò)程中考慮到整體實(shí)際工程路線較長(zhǎng),故根據(jù)實(shí)際施工分段截取一段進(jìn)行數(shù)值建模分析,分段兩側(cè)支護(hù)采取整體綜合管廊首尾的支護(hù)方法進(jìn)行模型構(gòu)建。對(duì)實(shí)際地層情況進(jìn)行簡(jiǎn)化,各地層厚度及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)取值

如圖2所示,模型尺寸為150 m×65 m×20 m。對(duì)模型四周水平方向采用單向位移約束,模型底部采用水平、豎向以及旋轉(zhuǎn)約束。模型采用的是摩爾庫(kù)侖模型,基坑尺寸為50.0 m×5.60 m,在基坑-0.60 m,-4.10 m分別設(shè)置一道鋼管支撐,支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)基本屬性

2.2.2 施工步驟

根據(jù)實(shí)際施工工況,該地下綜合管廊的具體施工步驟設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 施工步驟設(shè)計(jì)

3 結(jié)果分析

3.1 模型沉降計(jì)算

該節(jié)主要針對(duì)兩次基坑開挖后軟土地層變形特征進(jìn)行分析,第一次內(nèi)支撐施作、基坑開挖施工后周邊地層TX水平橫向變形如圖3(a)所示,周邊地層TY水平橫向變形如圖3(b)所示,豎向變形見圖3(c);第二次內(nèi)支撐施作、基坑開挖施工后周邊地層TX水平橫向變形如圖4(a)所示,周邊地層TY水平橫向變形如圖4(b)所示,豎向變形見圖4(c)。

由圖3,圖4可知,在第一次基坑開挖完成后,基坑四周土體最大水平變形位移為3.387 mm,出現(xiàn)在地表,基坑四周土體,豎向最大沉降值為5.054 mm?？涌趦蓚?cè)土體呈現(xiàn)出向坑內(nèi)位移的趨勢(shì),隨著距離坑口越遠(yuǎn),沉降值越小,坑底存在卸荷隆起效應(yīng)。第二次基坑開挖完成后,基坑最大水平位移變形值增加至4.593 mm,周邊地層豎向最大位移值增加至9.923 mm。

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖5展示了在不同施工步下基坑周邊地層水平位移隨著距基坑遠(yuǎn)近的變化趨勢(shì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和地層水平位移實(shí)際測(cè)量值之間的擬合關(guān)系。從圖5中可以看出,在各個(gè)施工步下,隨著土層與基坑間的距離逐步增加,地層水平位移發(fā)生了顯著減小,水平位移減小速率與土層距坑口的距離成反比關(guān)系,隨著距離的增加,減小速率逐漸減小,最后趨于平緩。在基坑前后兩次開挖過(guò)程中,實(shí)際測(cè)量得到第一次基坑開挖引起最大水平位移變形值為3.153 mm,第二次基坑開挖完成后最大水平位移達(dá)到4.258 mm,最大水平位移相對(duì)增加了1.105 mm,數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:第一次基坑開挖引起最大水平位移變形值為3.387 mm,第二次基坑開挖完成后最大水平位移達(dá)到4.593 mm,最大水平位移相對(duì)增加了1.206 mm,數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量值擬合良好,說(shuō)明鋼板樁支護(hù)體系很大程度上限制了海相軟土的地層變形,工程安全性良好。

圖6描繪了不同施工步下基坑周邊地層豎向變形隨著距基坑距離遠(yuǎn)近的變化趨勢(shì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和地層豎向位移實(shí)際測(cè)量值之間的擬合關(guān)系?？梢缘玫?隨著地層距基坑距離的逐漸增加,其沉降量逐漸減小,在前后兩次基坑開挖施工中,地層沉降量最大值由4.513 mm增加至9.113 mm,數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示地層沉降量由5.054 mm增加至9.923 mm,數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量值擬合較好。相對(duì)于地層的水平位移值變化更明顯,變形滿足控制要求。

從圖7可以看出,基坑開挖至-4.10 m時(shí),基坑周邊地層沉降量和坑口距離呈正態(tài)分布曲線關(guān)系,根據(jù)Peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出最大沉降量出現(xiàn)在坑口附近,值為4.503 mm,隨著距離坑口越遠(yuǎn),地層沉降量越小,距離坑口15 m處地層沉降量接近為零,Midas GTS NX數(shù)值模擬結(jié)果得到了和Peck法相類似的結(jié)果,其最大沉降量為5.054 mm,沉降量隨距離坑口變化趨勢(shì)和Peck法幾乎一致。

與此類似的,如圖8所示,當(dāng)基坑開挖完成時(shí),基坑周邊地層沉降量和坑口距離呈正態(tài)分布曲線關(guān)系,根據(jù)Peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出最大沉降量為9.056 mm,數(shù)值模擬結(jié)果為9.923 mm。數(shù)值結(jié)果和Peck法擬合較好。

4 結(jié)論

本文結(jié)合中山馬鞍島地下綜合管廊工程,采用Midas GTS NX數(shù)值模擬軟件對(duì)鋼板樁支護(hù)體系下海相軟土地區(qū)綜合管廊基坑建設(shè)各施工步進(jìn)行模擬計(jì)算,對(duì)鋼板樁支護(hù)體系下海相軟土地層變形特征進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:

1)在海相軟土地區(qū)地下綜合管廊基坑工程中采用了鋼板樁支護(hù)體系,通過(guò)數(shù)值計(jì)算,得到每個(gè)施工步完成后,地層最大變形值均小于10.0 mm,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求,安全性良好,說(shuō)明了鋼板樁支護(hù)體系在該工程中起到了重要作用。

2)分析了不同施工步下基坑周邊地層水平和豎向位移隨其距基坑距離的變化趨勢(shì),在基坑前后兩次開挖過(guò)程中,第一次基坑開挖引起最大水平位移變形值3.153 mm,第二次基坑開挖完成后最大水平位移達(dá)到4.258 mm,最大水平位移相對(duì)增加了1.105 mm,在前后兩次基坑開挖施工中,地層沉降量最大值由4.513 mm增加至9.113 m,相對(duì)于地層的水平位移值變化更明顯,說(shuō)明鋼板樁支護(hù)體系很大程度上限制了海相軟土地層的水平變形,工程安全性良好。

3)通過(guò)Midas GTS NX數(shù)值軟件計(jì)算得到基坑先后兩次開挖工況下地層水平位移和豎向位移,將計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好,證明了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。

4)基坑先后兩次開挖后,通過(guò)將Midas GTS NX軟件模擬的數(shù)值結(jié)果與Peck法所得結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比,計(jì)算結(jié)果擬合度高,得到了基坑周邊地層沉降量和坑口距離之間的正態(tài)分布關(guān)系曲線,為相關(guān)工程提供了可靠經(jīng)驗(yàn)。