李 程, 賈戰(zhàn)磊, 徐成皓

(1.江蘇省巖土工程勘察設計研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212021; 2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

地下空間的開發(fā)利用是拓展城市空間、解決城市土地資源緊張的最有效途徑[1]。隨著城市地下空間開發(fā)的不斷深入,深基坑工程設計時難免面臨復雜的地域條件、不良的地質條件和不規(guī)則的地下結構等難題[2]。尤其是沿海城市,其地質條件較差,地下水豐富,軟土層深厚,若基坑支護結構設計不合理,在開挖施工及運營期間,極易發(fā)生支護結構破壞、基坑坍塌和地表沉降等災害,給基坑施工質量和安全帶來了隱患[3-6]。因此對深基坑開挖施工中的變形規(guī)律進行研究具有重要意義。

目前,針對軟土地區(qū)深基坑支護,主要通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬以及二者結合的方法進行研究。王衛(wèi)東等[7]對上海國際金融中心重大項目基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,研究了順逆作法交叉施工下基坑的變形特性。顧禎雪等[8]通過對深基坑現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,研究了地連墻的變形規(guī)律。劉杰等[9]以天津市某深基坑工程實例為研究對象,通過FLAC3D分析了樁錨混合圍護結構的變形規(guī)律。趙凌云等[10]以某沿海深基坑為例,介紹了分級卸荷、重力擋墻和樁錨組合的開敞式基坑支護型式,并結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了組合圍護結構水平位移和錨桿力的變化規(guī)律。吳瑞拓等[11]基于HSS模型,結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),探討了地下連續(xù)墻的側移和坑外地表沉降的空間效應。于至海等[12]依托軟土區(qū)深基坑工程,通過FLAC3D研究了被動區(qū)超前加固的變形控制效果。郁志偉等[13]以上海某深基坑為背景,通過數(shù)值模擬探討了不同規(guī)格的地下連續(xù)墻變形特征。陳曉鵬等[14]通過對比數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果,分析了紹興市地鐵一號線深基坑支護結構體系的位移變化。

以上是諸多學者對常規(guī)深基坑的變形規(guī)律研究,但對于階梯式深基坑的變形特性少有研究。因此,以鎮(zhèn)江市某基坑工程為例,通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得到支護結構的變形規(guī)律,并將監(jiān)測結果與Midas GTS數(shù)值模擬結果進行對比分析。

1 工程概況

1.1 場地概況

基坑位于鎮(zhèn)江丹陽市新民路南側,擬建項目由5幢9、10層住宅樓、2幢6層住宅樓和3幢3、4層商業(yè)樓組成,下設1座2層大底盤地下室。建筑總用地面積約22 677 m2,地上建筑面積約45 355 m2,地下建筑面積34 531 m2,總建筑面積79 886 m2,底板設計底標高-2.2 m。

1.2 工程地質及水文條件

場地位于丹陽市城區(qū)內,場地地貌為太湖水網(wǎng)平原區(qū),地貌單元為水網(wǎng)平原。場地現(xiàn)為露天停車場。地面高程6.16～8.33 m,相對高差約2.0 m,地形較平坦。場地從上至下巖土層依次為:①層素填土、②層粉土、③層淤泥質粉質黏土夾粉土、④層淤泥質粉質黏土、⑤層粉質黏土、⑥層粉質黏土夾粉土和⑥-1層粉質黏土。

勘察期間,測得孔隙潛水初見水位埋深0.91～2.25 m,穩(wěn)定水位埋深0.82～2.15 m。水位為5.90～6.18 m。水位受季節(jié)性變化及附近河水位影響較大,年變化幅度一般在1.2 m左右。場地內3～5 a及歷史最高地下水位可按整平后室外地坪下埋深0.5 m考慮。

1.3 工程特點

開挖深度范圍內①層填土松軟、透水,②層粉土及③層淤泥質粉質黏土夾粉土開挖后易滲水,引起坑壁坍塌,并且③層淤泥質粉質黏土夾粉土和④層淤泥質粉質黏土為軟土,流塑狀態(tài),強度低、壓縮性高,抗剪強度低,具觸變性,滲透性較小,中靈敏性,基坑開挖后易發(fā)生局部崩塌或整體滑移破壞等不良地質現(xiàn)象。另一方面,地下室形狀不規(guī)則,在2層地下室的南側存在逆錯層,基坑開挖時會形成階梯式深基坑,基坑開挖深度為6.2～10.0 m。因此,在進行基坑開挖時應采取相應的支護措施,確保基坑施工安全。

2 支護結構設計及監(jiān)測

2.1 支護結構方案

施工場地工程地質條件特殊,填土層和淤泥質土層天然狀態(tài)強度較低,基坑開挖后容易在該層發(fā)生坍塌?；又苓吘鶠槔吓f居民樓,距離基坑較近,基坑開挖對其穩(wěn)定性有較大影響,故圍護結構需要嚴格控制變形。結合地質條件和周邊環(huán)境情況,本著安全、經(jīng)濟的原則,基坑的圍護結構整體采用控制變形較好的鉆孔灌注樁支護,灌注樁直徑為900 mm,基坑內部設置2道700 mm×700 mm的鋼筋混凝土支撐,圍護樁外部設置三軸深層攪拌樁止水帷幕。支護體系具體如下:基坑北側、東側及西側范圍,上部放坡處理,下部采用直徑為900 mm的鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐;基坑南側為逆錯層,采用階梯式支護,即階梯上部采用鉆孔灌注樁支護,下部采用水泥土墻+復合土釘墻,形成組合支護結構,如圖1所示。

2.2 監(jiān)測方案

為了確?；庸こ?、周邊建筑物及地下管線的正常運行,對基坑支護結構、建筑物及管線進行監(jiān)測。監(jiān)測內容包括支護樁的深層水平位移、支護樁頂水平位移與豎向位移、支撐軸力等項目,具體監(jiān)測點布置如圖2所示。監(jiān)測項目的控制要求為:支護樁的水平位移報警值為35 mm,水平位移變化速率≥2 mm/d時報警,支護樁豎向位移報警值為15 mm,豎向位移變化速率≥2 mm/d時報警;建筑物位移報警值為20 mm,變化速率≥2 mm/d,整體傾斜度累計值達到2/1 000時報警;基坑深層水平位移絕對累計值為45 mm,變化速率≥2 mm/d時報警。

圖2 基坑監(jiān)測點布置平面圖

圖3 支護樁頂水平位移隨施工時間的變化關系

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測結果分析

2.3.1 支護樁頂水平位移分析

隨著基坑內部土方的逐步開挖,坑內土壓力逐漸減小,在支護樁后的土壓力作用下,支護樁發(fā)生側向位移,其值的變化可直接反映基坑的變形情況,因此,支護樁頂?shù)乃轿灰剖侵笇Щ庸こ淌┕ひ约昂饬炕又ёo結構是否安全的關鍵指標。選取典型監(jiān)測點進行統(tǒng)計分析,選取監(jiān)測點為ZQC2、ZQC8、ZQC13、ZQC16、ZQC21、ZQC25、ZQC31和ZQC34的實測結果進行統(tǒng)計,分析支護樁頂水平位移隨施工時間的變化趨勢,如圖3所示。

由圖3可知,不同支護樁頂?shù)乃轿灰谱兓厔莼疽恢?都是先增大,最終趨于平穩(wěn),從土方開挖到基坑回填整個過程中支護樁頂?shù)睦塾嬎轿灰浦禐?3.4 mm,滿足監(jiān)測要求。在前期支護樁頂?shù)乃轿灰谱兓^小,這是由于土方開挖深度較淺,作用在樁外側的土壓力較小。隨著開挖深度逐漸增加,作用在樁體的土壓力急劇增大,樁體產(chǎn)生較大位移,變形速率也明顯增加。然而,在第2道鋼筋混凝土內支撐施工之后,與第1道鋼筋混凝土內支撐以及支護樁形成穩(wěn)定的框架結構,水平位移得到了有效控制,隨著開挖深度增加,其變化速率逐漸減小。同時,可以觀察到施工時間超過120 d時,支護樁頂水平位移顯著增大,這是因為拆除第1道鋼筋混凝土內支撐之后,支護樁受到的支撐作用削弱。

另外,通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn),監(jiān)測點ZQC21、ZQC25、ZQC31的水平位移值明顯小于其他監(jiān)測點的數(shù)值,這是由于基坑南側采用了階梯式支護,階梯下部的水泥土墻和復合土釘墻加固了支護樁內側被動區(qū),削弱了支護樁內側的坑底隆起。并且,可以發(fā)現(xiàn)點ZQC16的變形明顯小于點ZQC13,說明同一支護結構條件下基坑長邊的變形大于短邊的變形,即具有長邊效應。

圖4 支護樁頂豎向位移隨施工時間的變化關系

2.3.2 支護樁頂豎向位移分析

支護樁作為深基坑的圍護結構,其沉降關系著深基坑的安全,沉降過大時會直接破壞結構的整體性,引發(fā)基坑失穩(wěn)安全事故,因此,支護樁的沉降監(jiān)測是重點。根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制支護樁頂沉降隨施工時間變化的關系曲線,如圖4所示。

由圖4可以看出,支護樁頂豎向位移隨著施工時間的增加而增大,最終趨于平穩(wěn)。支護樁頂部不同位置的豎向位移隨著基坑開挖深度增大而增大。對比南北兩側不同部位的豎向位移可知,北側支護樁的頂部豎向位移明顯小于南側的位移值,主要原因在于南側基坑階梯下部采用水泥土墻聯(lián)合土釘支護形式。此外,可以發(fā)現(xiàn)曲線的增長趨勢為非線性,曲線局部的斜率減小,即沉降速率減小,這是因為在內支撐施工之后,立柱樁與內支撐形成整體,且立柱樁嵌入土體深度較大,其側壁摩阻力減小支護樁的豎向位移。

2.3.3 深層土體水平位移分析

基坑的開挖會導致基坑周圍深層土體發(fā)生水平位移,位移過大會導致支護樁破壞引發(fā)事故。深層土體水平位移可以直接反映樁身的水平位移情況,因此,對深層土體水平位移進行監(jiān)測是十分必要的。

圖5為基坑回填時不同監(jiān)測點深層土體發(fā)生的水平位移,觀察圖5發(fā)現(xiàn):①不同位置監(jiān)測點的深層土體水平位移均呈現(xiàn)沿深度方向先增大后減小,整體表現(xiàn)為兩端位移小、中間大的“弓形”變形模式;②深層土體水平位移值最大為44.9 mm,位于基坑的北側中部深度為6 m的位置,即臨近第2層地下室坑底的位置;③由于南側坑內設置了水泥土墻和土釘,其水平位移明顯小于北側,最大水平位移位于基坑的南側中部深度為3.5 m的位置,即臨近第1層地下室坑底的位置。

為了進一步分析不同工況下深層土體水平位移,選取位于基坑北側中部的SWC2號監(jiān)測點進行分析。由圖6可以看出,基坑開挖較淺時,由于未設置內支撐,支護樁為懸臂狀態(tài),此時深層土體水平位移較小。隨著基坑繼續(xù)開挖,深層土體水平位移逐漸增大,曲線的趨勢更加明顯。

圖5 基坑回填時不同監(jiān)測點深層土體的水平位移

圖6 不同施工階段下深層土體水平位移與深度的關系曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

本模型采用Midas GTS NX來模擬,得到不同施工階段支護樁的變形特性。根據(jù)圣維南原理,基坑開挖邊線外地層的平面尺寸及其深度取開挖深度的5倍,模型平面尺寸為348 m×173 m,地層深度取40 m, 基坑的三維幾何模型如圖7所示。模型主要包括地層、排樁支護結構、土釘、內支撐以及立柱樁。地層采用修正摩爾-庫倫本構,內支撐、排樁、立柱樁、水泥土墻和土釘?shù)戎ёo結構采用彈性本構。建立支護結構模型時將排樁等效為地下連續(xù)墻。假設地層均勻分布,周邊道路荷載取12 kN/m3,周邊建筑荷載取每層15 kN/m3。模型的邊界采用自動約束,并對立柱設置旋轉約束。

圖7 有限元模型

3.2 模型參數(shù)選擇

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料選取巖土參數(shù),基坑支護結構參數(shù)根據(jù)實際工況選取經(jīng)驗值(見表1)?；又ёo結構的具體屬性與尺寸見表2。

表1 土層及材料參數(shù)

表2 基坑支護結構屬性

3.3 施工階段組設置

為了與現(xiàn)場實際工況一致,在模型計算時進行了相同工況的劃分,首先進行初始應力分析,消除模型自重對開挖過程的影響,然后進行基坑支護施工和土方開挖。由于支護結構主要為鉆孔灌注樁和重力式水泥土墻,其施工對周邊環(huán)境影響較小,故模擬工況設置時也需要進行位移清零?；邮┕つM采用施工階段進行模擬,施工階段組結合施工工藝關鍵節(jié)點進行設置,土方分7次開挖。

3.4 數(shù)值計算結果對比分析

采用Midas GTS NX 進行計算,獲得基坑支護結構在土方開挖完成時的水平變形結果,如圖8所示。圖8(a)為X方向支護樁的水平位移,通過觀察發(fā)現(xiàn)支護樁均向坑內方向發(fā)生側移,X方向水平位移最大為34.7 mm。由圖8(b)可知,支護樁的最大水平位移為44.87 mm,側移方向為坑內。同時,可以發(fā)現(xiàn)支護樁樁身水平位移主要集中在樁身中上的部位,呈現(xiàn)出中間大、兩端小的“弓形”變形特點。

圖8 支護樁水平位移

圖9 支護樁頂水平位移模擬值與監(jiān)測值對比曲線

3.4.1 支護樁頂水平位移對比分析

為了進一步分析支護結構的變形特點,在模型計算結束后選取實際監(jiān)測點相同位置的支護樁頂水平位移計算結果與實測值進行對比分析,如圖9所示。

由圖9可知,模擬結果與監(jiān)測值不完全一致,這是因為在數(shù)值模擬建模時簡化了土層,而實際土層分布不均勻;其次,模型的邊界條件和受力條件比較理想, 沒有考慮施工時場地內的臨時堆載和活荷載。此外,可以發(fā)現(xiàn)模擬結果曲線的變化趨勢與監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線基本一致,支護樁的位移隨著施工時間的增加逐漸增大,最終趨于穩(wěn)定。在拆除第1道內支撐之前,各工況模擬結果基本小于監(jiān)測值。 然而,在第2道內支撐拆除時,模擬結果大于監(jiān)測值,這是由于實際工程中,內支撐拆除時會進行換撐,而在數(shù)值模擬時沒有考慮換撐。雖然第2道拆除時數(shù)值模擬結果較大,但未超過預警值,基坑支護結構處于安全狀態(tài)。

圖10 支護樁頂豎向位移模擬值與監(jiān)測值對比曲線

3.4.2 支護樁頂豎向位移對比分析

在模型計算結束后選取實際監(jiān)測點相同位置的支護樁頂沉降計算結果與實測值進行對比分析,如圖10所示。

通過觀察圖10發(fā)現(xiàn),支護樁頂豎向位移的模擬結果與監(jiān)測值的增長趨勢基本一致。實際工程中,基坑開挖之前需要進行降排水處理,土層失去自由水,孔隙水壓力消散,在土體自重作用下發(fā)生沉降,而數(shù)值模型計算時假設降排水已完成,故其模擬結果均小于監(jiān)測值。但兩者的最大值僅為12.01 mm,小于預警值15 mm,表明基坑支護結構的穩(wěn)定性較好。

4 結論

依托鎮(zhèn)江軟土地區(qū)某階梯式深基坑工程,對基坑施工過程中支護樁的位移進行了全面分析,通過有限元模型對典型剖面的監(jiān)測結果與數(shù)值模擬計算結果進行分析,主要得到以下結論:

(1)在階梯式基坑開挖過程中,基坑中部支護樁的位移最大,樁頂實測位移最大值達到33.4 mm,樁身最大水平位移為44.9 mm,均小于監(jiān)測報警值。其變形規(guī)律與數(shù)值模擬結果基本一致,驗證了數(shù)值模擬的準確性。

(2)通過實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果對比,發(fā)現(xiàn)支護樁水平位移沿樁身呈“弓形”分布。隨著基坑開挖深度增加,支護樁的水平位移不斷增大,樁身最大位移的位置向下部移動,均位于開挖面附近。

(3)基坑南側支護樁的水平位移明顯大于北側支護樁的水平位移,表明采用階梯式支護可以有效地控制支護樁和周圍土體的變形。