張 程

（重慶市勘測院，重慶 401120）

0 引言

針對深基坑開挖的變形特性與應(yīng)力分布規(guī)律研究一直是學(xué)者與工程師關(guān)注的重點與焦點問題[1,2]。眾多研究[3-4]表明基坑工程由于地域性與巖土體的變異性，即使是同種開挖方案與支護(hù)方案，不同基坑也會出現(xiàn)不同的變形與受力。因此，基坑開挖過程存在諸多不確定性，對周圍環(huán)境變形的影響因素多且復(fù)雜。為了掌握基坑工程支護(hù)開挖中地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，本文以蘇州市某商業(yè)建筑基坑工程為研究對象，基于FLAC3D 有限差分軟件，對基坑支護(hù)開挖全過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析了其變形與應(yīng)力分布特征，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

蘇州市吳江區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)龐金路東側(cè)、云梨路南側(cè)地塊，主要建設(shè)3 棟高層及地下附屬車庫，基坑支護(hù)總周長約594.39m，總開挖面積約為19818.24m2，采取分區(qū)開挖形式，基坑開挖深度為13m?；邮┕きh(huán)境條件復(fù)雜，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求較高[1]。擬建場地的地層，主要由黏性土及粉土、粉砂組成，呈水平成層分布?；痈魍翆游锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 基坑開挖模擬計算模型

2.1 模型建立

結(jié)合上述基坑環(huán)境、平面布置圖及場地水文地質(zhì)資料，取1#基坑接近廠房大門的角落位置呈“L”形狀，采用Rhino 軟件建立數(shù)值計算模型，再使用FLAC3D 有限差分軟件進(jìn)行開挖過程模擬計算。本次計算模型長寬高分別為42m、42m、22m，模型共203009 個節(jié)點，1198979 個單元，361 個組；采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，截取建立的基坑模型中，共有21 根樁，每根樁直徑為0.8m，樁芯之間間隔2m，數(shù)值計算的土層、樁及擋墻的三維模型見圖1所示。

圖1 三維數(shù)值計算模型

為了獲得基坑附近的地表沉降值，在基坑圍護(hù)樁施工之前，分別在基坑?xùn)|側(cè)與南側(cè)的1m、10m處向基坑外馬路方向1m、2m、5m、10m、15m 處布置監(jiān)測點監(jiān)測周圍地表沉降，為了方便描述，分別對4 條監(jiān)測點所在的直線命名為監(jiān)測線1、監(jiān)測線2、監(jiān)測線3、監(jiān)測線4，其每條線上監(jiān)測點離基坑由近到遠(yuǎn)分別為監(jiān)測點1、監(jiān)測點2、監(jiān)測點3、監(jiān)測點4、監(jiān)測點5。

2.2 施工工況及計算步驟

該工程立柱樁采用鉆孔灌注樁，直徑800mm。在數(shù)值計算過程中，對施工工藝進(jìn)行簡化。模擬中先對基坑南側(cè)的樁及擋墻進(jìn)行開挖施工，再對東側(cè)樁與擋墻進(jìn)行開挖。為了方便表述，對樁進(jìn)行1~21#依次編號，如圖1 所示，圖中部分樁號省略。整個基坑開挖計算過程步驟多，必須把握以下幾點：

（1）施加地層自重，建立初始地應(yīng)力平衡；

（2）保留土層自重應(yīng)力，消除位移場；

（3）對樁位置土體進(jìn)行開挖，計算平衡；

（4）將樁開挖位置采用彈性本構(gòu)恢復(fù)實體單元，模擬樁基澆筑混凝土，再次計算平衡；

（5）進(jìn)行基坑內(nèi)部土體開挖，開挖至-12m，分5 層開挖。前兩層每層2m，后三層每層開挖3m。

3 結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

根據(jù)上述模擬步驟分別獲得了每步施工過程中的位移及位移等值云圖。由于篇幅限制原因，本文在樁基礎(chǔ)開挖施作工藝過程的位移云圖僅給出了1#、4#、7#、10#樁開挖施作以及11#樁兩側(cè)擋墻開挖施作完成后的X、Y方向的位移云圖，如圖2所示。由圖2可以看出，在最開始進(jìn)行樁開挖及澆筑過程中，對地層的位移擾動很??；隨著樁、擋墻的不斷開挖與澆筑地層向樁孔中心變形不斷增大，表明樁開挖過程中易形成塌孔的風(fēng)險，在成孔過程中應(yīng)及時進(jìn)行泥漿護(hù)壁并及時澆筑混凝土[2]。

圖2 樁、擋墻開挖過程部分位移云圖（10#樁后完成X方向位移云圖）

3.2 地表沉降分析

圖3 為樁、擋墻結(jié)構(gòu)開挖與施工過程中Z 方向的沉降曲線。由圖3 可知，在1#、4#、7#、10#樁開挖與澆筑施工過程中，監(jiān)測線1 離樁中心1m 和2m 有隆起現(xiàn)象，同樣監(jiān)測線2 離樁中心1m 處也有部分隆起，但隆起高度與范圍均小于監(jiān)測線1；分析其原因是在初始開挖時突然的擾動造成樁孔周圍土體隆起，而監(jiān)測線1 離1#、4#、7#、10#樁位置更近，所以隆起更加明顯。在整個樁、擋墻施工過程中，離樁中心1m 處與2m 處的沉降比較明顯，但始終小于監(jiān)測點3 處土體沉降，是因為監(jiān)測點3 此次施工擾動影響范圍在5m 左右，而離樁越近沉降越小，是因為樁、擋墻澆筑混凝土之后變形較小或幾乎不變，同時對周圍土體起到了約束作用，土體越近約束作用越明顯，地表沉降變形越小。而超過5m 范圍之外，地表沉降均減小，離樁中心越遠(yuǎn)，沉降越小。

圖3 樁、擋墻結(jié)構(gòu)施工過程中Z方向的沉降

圖4 為基坑開挖過程中Z方向的沉降曲線。由圖4 可知，監(jiān)測線1 與監(jiān)測線3，監(jiān)測線2 與監(jiān)測線4 沉降變形值與趨勢大致相同，表明在基坑開挖過程中基坑?xùn)|側(cè)與南側(cè)距離基坑角落相同的位置，地表沉降變形具有對稱的規(guī)律[3]。各監(jiān)測點沉降變形與樁、擋墻施工期間的沉降變形規(guī)律一致，均出現(xiàn)5m 范圍內(nèi)離基坑越近變形越小且離基坑1m 處與2m 處位置沉降有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，是因為樁、擋墻的存在使基坑5m 范圍內(nèi)的土體被壓縮至極限逐漸無法壓縮；5m 范圍以外離基坑越遠(yuǎn)變形越小。在前兩層開挖時，基坑周圍地表沉降并不明顯，在第3、4、5 層開挖時，周圍土體沉降變形明顯增大，分析其原因，由于第一層為素填土，土質(zhì)較好且前面兩層每層開挖厚度要小于后三層開挖。

圖4 基坑開挖過程中Z方向的沉降

圖5 為基坑開挖完成模型的應(yīng)力云圖。由圖5 可知，基坑開挖完成后基坑樁、擋墻受到的最大主應(yīng)力為4.67MPa，出現(xiàn)在基坑角落處樁、擋墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因此在基坑轉(zhuǎn)角應(yīng)加強(qiáng)配筋避免出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致的破壞[4]。Z方向受到的最大應(yīng)力值為5.35MPa，出現(xiàn)在樁、擋墻中部位置，由于中部地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，屬于不良地質(zhì)，在施工過程中極易坍塌導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)失效，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，樁墻施工時及時支護(hù)。

圖5 基坑開挖完成后模型應(yīng)力云圖（Z方向應(yīng)力云圖）

4 結(jié)束語

本文基于FLAC3D 有限差分?jǐn)?shù)值計算軟件模擬了某樁、擋墻支護(hù)基坑開挖的全過程，分析了開挖過程中地表沉降及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，得出以下主要結(jié)論：

（1）在圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁、擋墻施工過程中，開挖易造成周圍土體向孔內(nèi)坍塌，在鉆孔時可提高護(hù)壁強(qiáng)度等級，及時清孔澆筑混凝土。

（2）無論是樁、擋墻施工過程，還是基坑開挖過程，基坑周圍地表沉降均呈現(xiàn)出5m 范圍內(nèi)離基坑越近變形越小且離基坑1m 處與2m 處位置沉降有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，5m 范圍以外離基坑越遠(yuǎn)變形越小?；臃謱娱_挖厚度越大，地表沉降變形越明顯。

（3）基坑轉(zhuǎn)角處樁、擋墻受到集中應(yīng)力影響，應(yīng)加強(qiáng)配筋避免出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞；在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層中的樁與擋墻受力較大，在施工過程中及時監(jiān)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，當(dāng)變形較大時可向基坑附近的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層采用壓力注漿的方式改變周圍地層情況，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力。