胡建偉, 邵振臣, 陳學(xué)龍

(中冶武勘工程技術(shù)有限公司, 湖北武漢 430080)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展,基坑工程規(guī)模也越來(lái)越大,深度越來(lái)越深?；娱_(kāi)挖往往會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成明顯的擾動(dòng),導(dǎo)致基坑變形失穩(wěn)以及周圍地表和其他建筑物開(kāi)裂等工程問(wèn)題?？紤]到基坑工程對(duì)于基礎(chǔ)建設(shè)的重要性,因此基坑開(kāi)挖的相關(guān)研究顯得尤為必要?；娱_(kāi)挖深度和寬度之比是基坑變形的重要影響因素。

李宇熙[1]采用數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了基坑尺寸效應(yīng)對(duì)基坑變形影響。結(jié)果表明,基坑分部開(kāi)挖和開(kāi)挖結(jié)束后支護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂變形的最小點(diǎn)和最大點(diǎn)分別位于坑角和基坑中部,基坑尺寸接近或大于臨界長(zhǎng)寬比時(shí)最大位移接近穩(wěn)定。吳兵等[2]深入研究了基坑空間形狀對(duì)基坑變形的影響。結(jié)果表明,當(dāng)基坑長(zhǎng)寬比小于2時(shí),基坑長(zhǎng)邊方向支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑底部隆起變形具有明顯的變化。羅欣[3]采用數(shù)值模擬研究了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地表建筑物沉降影響。結(jié)果表明,基坑長(zhǎng)邊鄰近的建筑物采取的水泥漿加固措施是有效的。王梅[4]采用數(shù)值模擬研究了基坑尺寸對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響。結(jié)果表明,在開(kāi)挖面以上,隨著基坑長(zhǎng)寬比增大,擋墻上主動(dòng)土壓力隨長(zhǎng)寬比增大而減小,在基坑開(kāi)挖面以下,擋墻上的主動(dòng)土壓力隨基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比增大而增大。葛曉永等[5]綜合采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了狹長(zhǎng)型地鐵基坑的空間效應(yīng),定量分析了基坑長(zhǎng)寬比對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道的變形影響。俞建霖等[6]采用三維有限元研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、土壓力的空間分布及基坑的幾何尺寸效應(yīng),驗(yàn)證了三維分析的合理性。楊劍維等[7]基于桿系有限元法研究了排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型,分別考慮了基坑長(zhǎng)×寬×深尺寸對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。梁艷等[8]基于極限平衡法研究了基坑開(kāi)挖尺寸效應(yīng)對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,在其他條件不變的情況下,基坑開(kāi)挖尺寸越小,基坑的抗隆起安全系數(shù)越大,影響也更為顯著。李凱等[9]基于理論解析方法研究了基坑降水開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道附加變形和內(nèi)力影響。結(jié)果表明,隧道附加變形和內(nèi)力隨初始水位和開(kāi)挖深度的增大而顯著。張?chǎng)魏５萚10]基于理論解析手段研究了基坑開(kāi)挖尺寸對(duì)下方隧道橫向受力的影響。結(jié)果表明,基坑開(kāi)挖引起的圍壓卸載效應(yīng)主要作用于隧道拱頂和拱底。

本文基于三維數(shù)值模擬,建立基坑開(kāi)挖模型,研究了基坑長(zhǎng)寬比變化的情況下地表變形規(guī)律。本文的研究對(duì)于相似工程的施工及設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

研究區(qū)位于某軟土地區(qū),根據(jù)鉆孔資料,基坑地層巖性由上到下依次為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土夾粉砂。具體巖層厚度如圖1所示。擬建隧道開(kāi)挖深度為16 m,基坑開(kāi)挖過(guò)程中為了保證基坑穩(wěn)定性,采用0.8 m厚的地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù),地連墻縱向長(zhǎng)度約為32 m。此外,基坑共設(shè)置4道內(nèi)支撐,主撐的截面尺寸為1 m×0.7 m,對(duì)撐的截面尺寸為0.8 m×0.7 m,聯(lián)系桿的截面尺寸為0.6 m×0.6 m。

圖1 基坑典型斷面(單位:m)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及材料參數(shù)

采用MIDAS/GTS建立典型三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。其中基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度為120 m,兩側(cè)延伸長(zhǎng)度為80 m。計(jì)算中假定基坑長(zhǎng)度保持120 m不變,長(zhǎng)寬比變化主要通過(guò)基坑寬度變化控制,開(kāi)挖寬度取值分別為40 m、60 m、80 m、100 m和120 m 5種。數(shù)值模型的邊界條件為:底部約束3個(gè)方向的自由度,4個(gè)側(cè)邊約束水平方向的位移,頂部為開(kāi)挖自由邊界。襯砌結(jié)構(gòu)采用板單元模擬,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,容重為25 kN/m3。支撐采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土。為模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用,本文在地下連續(xù)墻與土體之間設(shè)置Goodman界面單元。

圖2 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算中采用的巖土體材料參數(shù)主要基于鉆孔取樣的室內(nèi)土工試驗(yàn)和參考既有相關(guān)研究獲得,最終使用的材料參數(shù)匯總見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算工況

為了深入分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中,長(zhǎng)寬比對(duì)基坑變形的影響,本文數(shù)值模擬施工工況與實(shí)際開(kāi)挖情況完全相同,模擬共13步:第一步為地應(yīng)力平衡;第二步為隧道開(kāi)挖,并施加襯砌結(jié)構(gòu);第三步為地下連續(xù)墻施工;第四步為施加第一道支撐;第五步為施加第二道支撐;第六步為施加第三道支撐;第七步為施加第四道支撐;第八步為開(kāi)挖結(jié)束,提取計(jì)算結(jié)果。注意的是,基坑在開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程中,排水是連續(xù)進(jìn)行的。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 基坑開(kāi)挖寬度對(duì)地表沉降影響

本文計(jì)算了基坑開(kāi)挖深度為16 m時(shí),側(cè)方存在隧道和不存在隧道工況下,基坑長(zhǎng)寬比變化對(duì)地表沉降的影響見(jiàn)圖3和圖4。結(jié)果表明,在基坑寬度增大過(guò)程中,地表沉降值先增大后減小隨后趨于穩(wěn)定,地表沉降值在距地下連續(xù)墻12 m位置處出現(xiàn)最大值,不同的基坑開(kāi)挖寬度對(duì)應(yīng)的最大值分別為54 mm、68 mm、82 mm、84 mm和88 mm。此外,不同基坑開(kāi)挖寬度的地表沉降值大于3 mm的范圍為距地下連續(xù)墻40 m位置,這也證明基坑開(kāi)挖過(guò)程中,對(duì)地表影響的范圍約為2.4倍的基坑開(kāi)挖深度。

圖3 無(wú)隧道側(cè)地表沉降曲線

圖4 有隧道側(cè)地表沉降曲線

圖4為有隧道側(cè)基坑開(kāi)挖深度對(duì)地表沉降的影響。結(jié)果表明,當(dāng)基坑寬度增大過(guò)程中,地表沉降值先增大后減小隨后趨于平衡,地表沉降值在距地下連續(xù)墻12 m位置處出現(xiàn)最大值,不同的基坑開(kāi)挖寬度對(duì)應(yīng)的最大值分別為30 mm、46 mm、60 mm、66 mm和70 mm。與無(wú)隧道側(cè)相比,存在隧道側(cè)的地表位移明顯小于無(wú)隧道側(cè)地表沉降。

3.2 基坑開(kāi)挖寬度對(duì)地表沉降影響

圖5匯總得到基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比對(duì)地表沉降的影響。結(jié)果表明,當(dāng)長(zhǎng)寬比增大,沉降與開(kāi)挖深度比值逐漸增大,但當(dāng)長(zhǎng)寬比增大到0.6以上時(shí),沉降與開(kāi)挖深度比值增大速度有所減小。總體來(lái)看,當(dāng)基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比分別為0.35、0.5、0.7、0.85和1.0時(shí),沉降與開(kāi)挖深度比值分別為0.33、0.41、0.51、0.52和0.55;0.15、0.27、0.35、0.38和0.41。因此,如果基坑側(cè)方存在隧道時(shí),地表沉降值與開(kāi)挖深度的區(qū)間值會(huì)減小。

圖5 基坑長(zhǎng)寬比對(duì)地表沉降影響

圖6匯總得到有隧道側(cè)地表沉降最大值與無(wú)隧道側(cè)沉降最大值的比值隨基坑長(zhǎng)寬比的變化趨勢(shì),結(jié)果表明,當(dāng)長(zhǎng)寬比小于0.8時(shí),沉降最大值的比值隨基坑長(zhǎng)寬比增大而線性增大,當(dāng)長(zhǎng)寬比大于0.8時(shí),沉降最大值的比值隨基坑長(zhǎng)寬比增大而保持不變。

圖6 無(wú)隧道側(cè)和有隧道側(cè)地表沉降比較

4 結(jié)論與建議

本文依托某軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道變形影響工程案例,基于MIDAS建立三維數(shù)值模型,研究了基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比對(duì)地表變形的影響,得到幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)基坑在開(kāi)挖過(guò)程中,對(duì)地表影響的范圍約為2.4倍的基坑開(kāi)挖深度;此外,基坑側(cè)方是否存在隧道對(duì)地表變形影響不顯著。

(2)基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比的變化對(duì)地表位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移影響趨勢(shì)基本一致,即兩者均隨基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比增大而顯著增大。

(3)當(dāng)基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比小于0.8時(shí),地表沉降最大值的比值隨基坑長(zhǎng)寬比增大而線性增大,當(dāng)長(zhǎng)寬比大于0.8時(shí),沉降最大值的比值隨基坑長(zhǎng)寬比增大而保持不變。

根據(jù)本文的研究結(jié)果,實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)充分考慮基坑長(zhǎng)寬比對(duì)臨近建筑的影響,通常需估算基坑長(zhǎng)寬比對(duì)臨近結(jié)構(gòu)影響范圍,合理利用基坑開(kāi)挖長(zhǎng)寬比對(duì)基坑及周圍環(huán)境的影響,節(jié)省工程材料和降低工程造價(jià)。