劉　波　席培勝　章定文

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京210096)(3安徽建筑大學(xué)建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 合肥230601)

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偏壓作用下非等深基坑開挖效應(yīng)數(shù)值分析

劉波1,3席培勝3章定文1,2

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京210096)(3安徽建筑大學(xué)建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 合肥230601)

采用考慮基坑分層開挖與支護的三維有限元計算模型,研究偏壓非等深基坑的開挖效應(yīng),并評價基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的合理性．分析結(jié)果表明:偏壓荷載下,基坑上部一定深度內(nèi)的圍護墻和內(nèi)支撐發(fā)生向非偏壓側(cè)的整體偏移,進而使得基坑上部支撐的撓度遠小于中下部支撐．地下3層開挖引起的墻體向坑內(nèi)側(cè)移量是地下2層開挖引起的側(cè)移量的3倍,且最大側(cè)移均發(fā)生在各自坑底標高附近．坑底隆起和地表沉降表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng),地下3層開挖引起坑底最大隆起值約為地下2層開挖引起坑底最大隆起值的2倍．基坑中間斷面外側(cè)地表最大沉降約為基坑角點處地表最大沉降的1.4倍．本工程采用的基坑支護體系設(shè)計參數(shù)可滿足變形控制要求．

偏壓基坑;開挖深度;數(shù)值模擬;空間效應(yīng)

近年來,隨著我國城市地下空間開發(fā)的迅速發(fā)展,工程中出現(xiàn)了大量復(fù)雜的基坑問題．例如,部分基坑臨近公路、鐵路、高層建筑等設(shè)施,導(dǎo)致基坑兩側(cè)存在不對稱荷載,還有部分基坑由于對地下空間的利用深度不同,坑內(nèi)開挖深度不一致,形成坑中坑[1]．與傳統(tǒng)基坑相比,由于偏壓或者開挖深度不同,基坑的受力變形模式、開挖引起的環(huán)境效應(yīng)等將發(fā)生很大改變[2-4]．

針對偏壓基坑問題,石鈺鋒等[5]和姚愛軍等[6]基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析了某偏壓基坑圍護結(jié)構(gòu)的受力和變形特征,指出偏壓對基坑穩(wěn)定性的影響不容忽視．張學(xué)民等[7]研究了列車振動條件下某偏壓基坑的動力響應(yīng)特性,并從減震角度考慮給出了列車行駛速度上限值．林剛等[8]采用數(shù)值分析方法模擬基坑兩側(cè)不同荷載組合條件下的開挖效應(yīng),指出應(yīng)根據(jù)基坑兩側(cè)荷載情況分別設(shè)計兩側(cè)支護結(jié)構(gòu)參數(shù)．針對非等深開挖基坑工程,龔曉南[1]提出了坑中坑的概念,并指出設(shè)計人員應(yīng)重視坑中坑對基坑穩(wěn)定性和變形的影響．徐為民等[9]分析了某坑中坑失事原因,提出了坑中坑的設(shè)計方法．豐土根等[10]研究了坑中坑不同開挖位置、深度及大小對懸臂式支護結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律,并探討了相應(yīng)的變形控制措施．申明亮等[11]研究了面積比、坑趾系數(shù)、深度比、插入比4個參數(shù)對坑中坑基坑應(yīng)力場的影響．鄭剛等[12]和蔡袁強等[13]也指出非等深開挖對圍護結(jié)構(gòu)受力變形有顯著影響,基坑設(shè)計中應(yīng)考慮開挖深度因素對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計．然而,針對偏壓和坑中坑共同影響下的基坑開挖效應(yīng)研究還鮮有報道．

本文以某個受高速公路路基偏壓作用且坑內(nèi)開挖深度懸殊的基坑工程為例,建立能考慮基坑分層開挖與支護的三維有限元計算模型,研究基坑的開挖效應(yīng),并據(jù)此給出工程指導(dǎo)建議,以便為類似工程提供參考．

1　工程簡介

1.1工程概況

基坑與高速公路相鄰,基坑南側(cè)外邊線侵入路基邊坡范圍,距離路肩僅6.5 m,公路路面較基坑頂面高5.4 m,使基坑兩側(cè)處于嚴重偏壓狀態(tài)(下文中稱路基一側(cè)為偏壓側(cè),另一側(cè)為非偏壓側(cè)),如圖1所示．基坑長73.5 m,寬14.3 m,設(shè)計為地下3層結(jié)構(gòu),局部為地下2層結(jié)構(gòu),支護體系采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的形式．基坑中部地下3層開挖深度為26.22 m,圍護結(jié)構(gòu)采用直徑1.2 m、間距1.5 m的鉆孔灌注樁,其中偏壓側(cè)樁長45 m,非偏壓側(cè)樁長為44 m,豎向采用1道鋼筋混凝土支撐加7道鋼管支撐．基坑兩端地下2層開挖深度為16.92 m,圍護結(jié)構(gòu)采用直徑1.0 m、間距1.3 m的鉆孔灌注樁,兩側(cè)樁長均29 m,豎向采用1道鋼筋混凝土支撐加4道鋼管支撐．坑內(nèi)開挖深度相差9.3 m,為典型的非等深開挖基坑．

圖1　基坑與土層位置關(guān)系剖面圖(單位：m)

1.2場地工程地質(zhì)條件

2　數(shù)值模擬

2.1模型建立

圖2為基坑整體有限元計算模型,模型長253.5 m,寬194.3 m,高90 m．土體采用實體單元模擬,混凝土支撐和鋼管支撐采用梁單元模擬,鉆孔灌注樁按照等剛度原則等效為圍護墻,采用板單元模擬．模型底部設(shè)置為固定約束,四周為水平單向約束,上表面為自由邊界．為考慮施工機械、材料堆放及交通荷載的影響,基坑北側(cè)地面上施加10 kPa荷載,基坑南側(cè)路基上施加20 kPa荷載．

圖2　基坑整體有限元計算模型(單位：m)

基坑支護體系有限元模型如圖3所示．X,Y,Z分別代表基坑寬度、長度和深度方向．

2.2計算參數(shù)選取

圖3　基坑支護體系有限元模型(單位：m)

表1　HS模型參數(shù)取值

注：γ為土的重度.

圍護樁、混凝土支撐和鋼支撐采用線彈性模型．基坑圍護樁按照下式等效為厚度為h的圍護墻：

(1)

式中,D為樁體直徑;L為樁間距．直徑1.2m、樁間距1.5m的圍護樁等效成厚度為0.934m的圍護墻．直徑1.0m、樁間距1.3m的圍護樁等效成厚度為0.768m的圍護墻．

第1道支撐為鋼筋混凝土支撐,容重取24kN/m3,泊松比取0.2,彈性模量取31.5GPa,截面尺寸為1 000mm×800mm;第2～8道支撐為鋼支撐,容重取78.5kN/m3,泊松比取0.28,彈性模量取200GPa,外徑為609mm,壁厚為16mm．

2.3模擬步驟

通過設(shè)定網(wǎng)格單元的生死來模擬施工步驟．具體工序如下:① 平衡初始應(yīng)力場;② 圍護墻施工;③ 開挖土方至第i道支撐設(shè)計標高以下0.5m,并架設(shè)第i道支撐(i=1，2,…,8);④ 開挖土方至坑底設(shè)計標高．平衡初始應(yīng)力場和圍護墻施工后均將位移清零．為方便表述,下文用開挖1表示開挖土方至第1道支撐設(shè)計標高以下0.5m,其余以此類推．

3　模擬結(jié)果分析

3.1結(jié)果可靠性驗證

為了驗證本文模擬結(jié)果的可靠性,選取開挖至坑底時非偏壓側(cè)圍護墻水平位移計算值與現(xiàn)場實測值進行對比,結(jié)果如圖4所示．由圖可見,計算曲線與實測曲線變形趨勢基本吻合,樁體向坑內(nèi)的最大水平位移值基本相等．由于數(shù)值模擬中把鉆孔灌注樁等效成圍護墻,增加了圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性,故開挖深度范圍內(nèi)位移計算值略小于現(xiàn)場實測值．總體而言,模擬結(jié)果可反映偏壓作用下基坑的受力變形特性及基坑開挖對周圍環(huán)境的影響．

圖4　墻體水平位移計算值與實測值對比曲線

3.2圍護墻變形分析

圖5為基坑中間斷面(Y=36.5 m)圍護墻水平位移歷時曲線．由圖可見,兩側(cè)圍護墻的水平位移均隨著基坑開挖深度的增大而逐漸增大,且位移最大值所在位置隨開挖逐漸向下移動,曲線整體呈弓形．偏壓側(cè)圍護墻向基坑內(nèi)偏移,地表下23 m處偏移量最大(32.8 mm),墻頂處向坑內(nèi)偏移了12.3 mm．非偏壓側(cè)墻體上部5 m范圍內(nèi)向基坑外整體偏移,墻頂向坑外最大偏移了10.3 mm,墻體向坑內(nèi)的最大偏移點為地表下24 m,偏移量為30.1 mm．偏壓側(cè)與非偏壓側(cè)墻體水平位移存在顯著差別．現(xiàn)場兩側(cè)圍護樁成樁質(zhì)量較好,施工工藝相同,因此可以排除因成樁質(zhì)量、施工工藝不同而引起的兩側(cè)變形差異．基坑偏壓側(cè)荷載(5.4 m高路基)使基坑處于偏壓狀態(tài),基坑開挖過程中偏壓側(cè)的土壓力大于非偏壓側(cè),通過支撐傳遞作用, 使非偏壓側(cè)圍護結(jié)構(gòu)上部一定范圍內(nèi)發(fā)生了向坑外的整體偏移．這是偏壓基坑圍護結(jié)構(gòu)變形區(qū)別于兩側(cè)荷載對稱基坑的一個顯著特點．

圖5　基坑中間斷面圍護墻水平位移歷時曲線

圖6為開挖至坑底時,沿基坑長度方向(Y方向)不同位置處的圍護墻水平位移曲線．由圖可見,基坑兩側(cè)圍護墻的水平位移具有明顯的空間效應(yīng),隨著基坑角點向基坑中部移動,圍護墻的側(cè)移逐漸增大,地下3層開挖(開挖26.22 m)引起的墻體向坑內(nèi)側(cè)移量明顯大于地下2層開挖(開挖16.92 m)引起的側(cè)移量,前者最大側(cè)移量約為后者的3倍,最大側(cè)移發(fā)生的位置均位于各自坑底標高附近．因此,對于非等深開挖基坑,基坑中部及開挖深度最大處是整個圍護墻變形最大的地方,施工中應(yīng)格外重視．

圖6　不同Y值處圍護墻水平位移曲線

3.3內(nèi)支撐變形分析

圖7為開挖至坑底時,沿基坑長度方向(Y方向)不同位置處各道支撐的水平位移曲線．由圖可見,與上述圍護墻水平位移變形規(guī)律一致,偏壓側(cè)支撐均向坑內(nèi)偏移,且從上至下支撐向坑內(nèi)側(cè)移越來越大,而非偏壓側(cè)第1～2道支撐向坑外偏移,第3～8道支撐向坑內(nèi)偏移．上部支撐(第1～5道)的水平位移沿Y方向分布比下部支撐(第6～8道)位移分布更加平緩．這與支撐所在平面圍護墻的水平位移有關(guān)．由圖5可知,第6～8道支撐所在平面的圍護墻水平位移比第1～5道支撐所在平面的圍護墻水平位移大得多,由于圍護墻與內(nèi)支撐通過鋼圍檁相連接,因此第6～8道支撐所在平面的支撐體系水平位移也較大．

圖7　支撐體系水平位移曲線

圖8為開挖結(jié)束時各道支撐的最大擾度值．由圖可見,從上到下支撐的撓度越來越大．第1～2道支撐由于發(fā)生了向非偏壓一側(cè)的整體偏移,支撐內(nèi)力被大幅削弱,所以支撐撓度較小．第6～8道支撐由于水平位移均指向坑內(nèi)且數(shù)值較大,兩端同時受壓,因此內(nèi)力很大,支撐發(fā)生明顯的豎向撓曲,如第8道支撐的豎向撓度達到了7.4 cm．這表明在內(nèi)撐式基坑中,中下層支撐對控制基坑側(cè)向變形發(fā)揮了關(guān)鍵作用,其架設(shè)和拆除對基坑穩(wěn)定性影響較大,在施工中應(yīng)予以重視．由于本次模擬并未考慮立柱樁及中立柱對支撐變形的約束作用,弱化了支撐體系的整體剛度和穩(wěn)定性,因此支撐的豎向撓曲變形略偏大．

圖8　支撐最大撓度

3.4坑底隆起分析

圖9為該基坑坑底隆起歷時曲線．由圖可見,坑底隆起值隨著開挖深度的增加而逐漸增大,同一施工步時基坑中部負3層坑底隆起值大于基坑兩端負2層坑底隆起值．坑底隆起值呈現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)．開挖至坑底時負2層坑底(開挖16.92 m)最大隆起分別為91.4和81.3 mm,負3層坑底(開挖26.22 m)最大隆起為183.1 mm,后者約為前者的2倍．產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是:一方面,負2層坑底的卸荷量小于負3層坑底的卸荷量,故負3層坑底回彈值大于負2層坑底回彈值；另一方面,這與圍護結(jié)構(gòu)水平位移有關(guān)．由圖6可知,負3層范圍內(nèi)的圍護墻向坑內(nèi)側(cè)移量大于負2層范圍內(nèi)墻體側(cè)移量,其引起的坑底被動區(qū)土體剪切變形量也會大于負2層范圍內(nèi)墻體側(cè)移所引起的土體剪切變形量．

圖9　基坑坑底隆起歷時曲線

坑底不均勻隆起還會引起支護結(jié)構(gòu)的不均勻上抬,如果存在中間柱,中間柱與圍護墻或圍護樁的變形差異會使內(nèi)支撐由軸心受壓變?yōu)槠氖軌?若變形差異過大甚至?xí)斐芍蚊撀?對于逆作法施工的基坑,這種隆起還會引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的開裂．對于這種超深基坑尤其是內(nèi)部開挖深度懸殊的基坑而言,控制坑底的隆起和差異隆起是一個不容忽視的問題,實際工程中可通過在坑底施打工程樁、加固坑底被動區(qū)土體、及時澆筑墊層或底板、盡量減少坑底暴露時間、防止雨水浸泡和坑底滲流等措施把坑底隆起控制在一個合理的范圍內(nèi)．

3.5地表沉降分析

圖10為基坑中間斷面兩側(cè)地表沉降歷時曲線．由圖可見,基坑兩側(cè)地表沉降值均隨著開挖深度的增加而增大,曲線呈凹槽形．偏壓側(cè)地表最大沉降為34.0 mm,發(fā)生在距基坑邊緣約30 m處;非偏壓側(cè)土體最大沉降為12.3 mm,發(fā)生在距基坑邊緣約10 m處．偏壓側(cè)最大地表沉降值和距坑邊距離約為非偏壓側(cè)的3倍．偏壓側(cè)地表沉降影響范圍(約80 m)比非偏壓側(cè)(約60 m)大,偏壓側(cè)的影響范圍約為3倍基坑開挖深度,非偏壓側(cè)的影響范圍約為2倍基坑開挖深度．因此,偏壓基坑建模時可適當(dāng)加大偏壓側(cè)的模型尺寸,以消除邊界效應(yīng)的影響．

圖10　基坑中間斷面兩側(cè)地表沉降歷時曲線

圖11為非偏壓一側(cè)基坑長度方向(Y方向)不同位置處的墻后地表沉降曲線．由圖可見,墻后地表沉降也表現(xiàn)出明顯的三維空間效應(yīng),由基坑角點向基坑中部移動,墻后地表沉降越來越大,靠近基坑角點處(Y=1.26 m)的地表最大沉降為8.7 mm,基坑中部附近(Y=31.6 m)的墻后地表最大沉降為12.3 mm,約為角點處的1.4倍,但地表最大沉降均發(fā)生在距坑邊10 m附近．

圖11　不同Y值墻后地表沉降曲線

3.6支護體系設(shè)計參數(shù)評價

根據(jù)上述模擬結(jié)果,基坑開挖變形情況如表2所示．表中,δhm為圍護墻最大水平側(cè)移,δvm為墻后地表最大沉降,H為基坑開挖深度．由表2可見,偏壓側(cè)圍護墻水平側(cè)移和地表沉降略大于非偏壓側(cè)的相應(yīng)值,開挖結(jié)束時,偏壓側(cè)δhm/H=0.125%,δvm/H=0.13%,滿足設(shè)計提出的圍護墻體最大水平側(cè)移和最大地表沉降不大于0.15%H的要求．

表2　基坑變形參數(shù)

此外,現(xiàn)場監(jiān)測顯示,基坑開挖引起的路基沉降未造成瀝青混凝土面層開裂破壞,未影響車輛正常行駛,基坑開挖變形滿足環(huán)境保護要求．

4　結(jié)論

1) 偏壓荷載下,基坑兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形明顯不對稱,基坑圍護墻上部一定范圍內(nèi)發(fā)生向非偏壓側(cè)的整體偏移．

2) 由于基坑圍護墻上部向非偏壓側(cè)整體偏移,基坑中下部支撐的內(nèi)力和變形遠大于上部支撐．偏壓基坑的中下部支撐對基坑穩(wěn)定性的影響較上部支撐大．

3) 由于開挖深度不同,地下3層開挖引起的墻體向坑內(nèi)側(cè)移量是地下2層開挖引起的側(cè)移量的3倍,且最大側(cè)移均發(fā)生在各自坑底標高附近．

4) 坑底隆起和地表沉降具有明顯的空間效應(yīng)．地下3層開挖引起坑底最大隆起值約為地下2層開挖引起坑底最大隆起值的2倍．基坑中間斷面外側(cè)地表最大沉降約為基坑角點處地表最大沉降的1.4倍．

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[14]徐中華, 王衛(wèi)東. 敏感環(huán)境下基坑數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型的選擇[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(1):258-264,326. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2010.01.044.

Xu Zhonghua, Wang Weidong. Selection of soil constitutive models for numerical analysis of deep excavations in close proximity to sensitive properties[J].RockandSoilMechanics, 2010, 31(1): 258-264, 326. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.01.044. (in Chinese)

Numerical analysis of excavation effect of unsymmetrical loaded foundation pit with different excavation depths

Liu Bo1,3Xi Peisheng3Zhang Dingwen1,2

(1School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, China) (3State and Local Joint Engineering Laboratory of Structure Health Monitoring and Disaster Prevention, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

A three-dimensional finite element model, which considers the stratified excavation and supporting, is adopted to investigate the excavation effects of the unsymmetrical loaded foundation pit with different excavation depths, and evaluate the reasonability of the supporting system design parameters. The results indicate that the diaphragm wall and inner supports have an obvious lateral displacement towards the opposite side of load at a certain depth due to the unsymmetrical load, which makes the deflection of upper supports be far less than that of middle-lower supports. The maximum wall deflection induced by three-story underground excavation is 3 times that induced by two-story underground excavation, and the maximum deflection both occurs near the bottom elevation. The bottom heave and the ground settlement show an obvious spatial effect, and the maximum bottom heave induced by three-story underground excavation is 2 times that induced by two-story underground excavation. The maximum outside ground settlement in the middle section of foundation pit is 1.4 times that at the corner of foundation pit. The supporting system design parameters adopted in this project can meet the requirements of the deformation control.

unsymmetrical loaded foundation pit; excavation depth; numerical simulation; spatial effect

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.030

2015-11-08.作者簡介: 劉波(1989—)，男，博士生；章定文(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，zhangdw@seu.edu.cn.

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ01B02)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2242014R30020)、江蘇省高?！扒嗨{工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)對象資助項目.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.030.

TU473.2

A

1001-0505(2016)04-0853-07

引用本文: 劉波,席培勝,章定文.偏壓作用下非等深基坑開挖效應(yīng)數(shù)值分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(4):853-859.