胡春杰，程 樺，曹廣勇

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥　230022）

數(shù)值分析逆作法深基坑差異沉降規(guī)律

胡春杰，程 樺，曹廣勇

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230022）

地連墻和柱作為最重要的基坑支護結(jié)構(gòu)，在深基坑開挖施工過程中，地連墻與柱的差異沉降將直接影響到整個深基坑的安全。本文采用MIDAS/GTS有限元分析軟件模擬分析了基坑的整個逆作法開挖過程，分析了地連墻與立柱的沉降規(guī)律。研究表明：地連墻與柱之間的最大差異沉降大于相鄰柱之間的沉降，地連墻與柱之間最大沉降差異值為4.09 mm，小于規(guī)范20 mm以及1/400柱距；隨著開挖的進行地連墻與柱是先隆起再沉降。計算結(jié)果對基坑施工中地連墻與立柱的沉降控制提供了寶貴的依據(jù)，有助于提高整個基坑施工的安全。

差異沉降；逆作法；深基坑；有限元分析

0　引　言

隨著大型建筑在中國各大城市的崛起，建筑深基坑工程呈現(xiàn)出在規(guī)模和深度上逐漸增大的趨勢。采用傳統(tǒng)的順作法施工技術(shù)難以滿足工程施工的要求，而采用逆作法施工技術(shù)就具有獨特的優(yōu)勢。相比順做法，逆作法具有縮短施工總工期、對相鄰建筑物影響小、保護環(huán)境等優(yōu)勢［1］。

逆作法施工早已受到許多專家學(xué)者的關(guān)注，目前主要研究的問題有：逆作法施工對周圍建筑的影響，地連墻的變形規(guī)律，立柱與地連墻的差異沉降等。劉洋運用PLAXIS軟件通過對超深基坑支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，分析了基坑開挖、土體卸載、支撐安裝對基坑變形的影響［2］。孫楊波采用ANSYS數(shù)值分析軟件分析了基坑開挖過程地下連續(xù)墻隨著施工進展的水平位移變化［3］。謝小松、游建平等通過數(shù)值模擬分析，得出立柱的隆沉與基坑土體的回彈有密切的關(guān)系，距地連墻越遠，立柱的沉降量越?。?］。目前，逆作法在東部沿海地區(qū)應(yīng)用較廣泛，而在合肥應(yīng)用較少。合肥地區(qū)土質(zhì)多為膨脹土，與東部地區(qū)軟土有較大差別，施工過程中差異沉降規(guī)律也會不同。本文以合肥某緊鄰地鐵車站的大型深基坑為背景，采用MIDAS/ GTS有限元分析軟件對基坑的整個開挖過程進行了數(shù)值模擬，分析了基坑在開挖過程中地連墻與柱以及相鄰兩柱之間的差異沉降規(guī)律。

1　工程實例

1.1工程概況

本工程基坑西側(cè)、北側(cè)與軌道1、2號線地鐵站圍護結(jié)構(gòu)緊鄰，地下結(jié)構(gòu)與2號線地鐵車站基坑深度基本相同，比1號線地鐵車站基坑淺約6 m?；优c西北向高29層的大樓相距約46 m，與東側(cè)的高18層建筑的凈距12 m，與南側(cè)4層、7層居民樓近點相距5-8 m。圍護結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻、十字鋼板接頭，蓋挖逆作法施工?；幽蟼?cè)地下連續(xù)墻內(nèi)、外側(cè)采用三軸攪拌樁加固，東側(cè)地下連續(xù)墻樁間采用高壓旋噴樁止水帷幕加固，地鐵1號線與2號線地連墻緊密相連，在接合面均采用注漿加固?？傉嫉孛娣e為8468 m2，總平面布置圖如圖1所示。

1.2工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場的鉆探，原位測試及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，按地層沉積年代，成因類型，將勘察最大深度60 m范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層，第四紀(jì)全新世沖洪積層和白堊紀(jì)基巖層共3層地層。各土層的巖土巖性如表1所示。

表1　巖土巖性參數(shù)

1.3圍護結(jié)構(gòu)

該大廈基坑的地連墻深約34.6 m，墻厚1 m，地連墻材料為C40混凝土；基坑開挖深度約23.6 m；水平支撐為各層澆筑的樓板，B0板厚度為400 mm，B1—B4板厚均為250 mm，底層底板厚為1000 mm；梁截面主要為800 mm×900 mm、900 mm×1000 mm；樁主要為直徑為2 000 mm和直徑為1400 mm圓柱樁；柱主要為直徑為550 mm壁厚20 mm和直徑為550 mm壁厚16 mm的鋼管柱。

2　數(shù)值模擬

2.1計算假定

①：所用材料都認為是均質(zhì)、各向同性的

②：地連墻、樓板、樁、柱都處于理想的彈性工作狀態(tài)。

③：每次降水都在開挖面以下，忽略降水對模型計算的影響。

④：忽略支護結(jié)構(gòu)施工對土體的擾動作用。

⑤：用在地連墻內(nèi)增加內(nèi)墻的方式來替代攪拌樁的加固效果。

2.2模型建立

根據(jù)該基坑工程的實際情況，以及相關(guān)的理論資料可知，基坑開挖的影響深度為開挖深度的2-4倍，影響寬度為開挖深度的3-4倍［5-6］。據(jù)此，取數(shù)值模型的長為300 m，寬為250 m，高為90 m。土體采用實體單元，梁、柱、樁采用梁單元，地連墻、樓板采用板單元。模型的地表面為自由面，底面采用三個方向（x、y、z）的約束，四周只在水平方向添加約束，由于基坑周圍分布著大量的建筑，所以在基坑外還施加20 kPa的均布荷載。數(shù)值模型如圖2所示。

圖2　數(shù)值分析模型

2.3開挖過程模擬

在模擬基坑開挖過程中，MIDAS/GTS NX軟件主要通過“激活”與“鈍化”功能，主要的開挖模擬步驟如下：

（1）：采用明挖法開挖覆土層和負一層，覆土層層厚約1.5 m，負一層開挖深度為5.3 m，挖至負一層底時，施作負一層和負二層的頂板和梁。

（2）：暗挖負二層，負二層開挖深度為5.3 m，挖至負二層底時，施作負三層的頂板和梁。

（3）：暗挖負三層，負三層開挖深度為5.3 m，挖至負三層底時，施作負四層的頂板和梁。

（4）：暗挖負四層，負四層開挖深度為3.9 m，挖至負四層底時，施工負五層的頂板和梁。

（5）：暗挖負五層，負五層開挖深度為4.9 m，挖至負五層底時，施作負五層的底板。

3　數(shù)值計算結(jié)果分析

整個開挖過程可分為六個工況，工況一為覆土層開挖，工況二為負一層開挖，工況三為負二層開挖，工況四為負三層開挖，工況五為負四層開挖，工況六為負五層開挖，隨著基坑的開挖以及圍護結(jié)構(gòu)的施工，土體和圍護結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生變化，柱與地連墻的豎向位移也發(fā)生變化，其豎向位移云圖如圖3-8所示。

圖3　工況一

圖4　工況二

圖5　工況三

圖6　工況四

圖7　工況五

圖8　工況六

根據(jù)數(shù)值模擬計算的結(jié)果選取其中一條軸線的地連墻和柱作為分析對像，所選的地連墻與柱如圖9所示。

圖9　所選立柱的位置

表2　墻柱隆沉量/mm

圖10　墻柱沉降量

由表2和圖10可知：

（1）立柱的隆沉曲線呈現(xiàn)兩種形狀，在覆土層開挖階段呈現(xiàn)為帽子狀，在隨后的施工階段均呈現(xiàn)出“W”狀。

（2）在覆土層開挖階段，地連墻與柱均表現(xiàn)為隆起，且越接近基坑中心處柱的隆起越大，這是由于土體開挖造成了坑底土體的隆起，且基坑中心處的土的隆起比基坑周邊大。同時，柱5和柱6都最靠近取土口，在取土口處，柱的密度低，對土的隆起限制作用較小，這就是覆土層開挖墻柱隆沉曲線呈帽狀的原因。

（3）隨著基坑的開挖以及樓板的澆筑，開挖負一層到負四層時，地連墻與柱均變現(xiàn)為沉降狀態(tài)，可見上部的施工荷載和樓板的重力荷載在施工過程中對地連墻與柱的隆起阻礙作用明顯，由上部荷載引起的柱的下沉量大于土體卸載引起的柱的隆起量，同時由于基坑中心處的土的隆起偏大，所以在上部荷載的作用下柱5與柱6的總沉降值相比于其他柱偏小，這就是負一層到負五層墻柱隆沉曲線呈“W”狀的原因。

（4）開挖負五層時，柱3的沉降量最大，為12.88 mm，在立柱的隆沉曲線中，可以明顯的看出在負五層開挖時，柱的沉降量增量相比于負四層偏大，這是因為負五層底板作用的效果，施做底板后可以有效地阻止底層土體的隆起。

由表3和圖11可知：

（1）相鄰柱之間的最大差異沉降發(fā)生在柱4與柱5之間，且隨著工程施工的進行，該沉降差異值也隨著增大，但在工況六時，該沉降差異值有所減小，最大的沉降差異發(fā)生在工況五，最大沉降差異值為1.8 mm，可見出土口的設(shè)置對相鄰兩柱之間的差異沉降產(chǎn)生了重要的影響。

表3　差異沉降值/mm

圖11　墻柱沉降差異

（2）在工況六，柱4與柱5之間的沉降差異值減小到1.56 mm，可見底板的施工有助于減小柱之間差異沉降。

（3）從工況一到工況六，地連墻與相鄰柱之間的差異沉降逐漸增大，地連墻與相鄰兩柱之間的差異沉降發(fā)生在墻9與柱8之間，為4.09 mm，遠小于20 mm及1/400柱距［7］。

（4）從工況二到工況六，墻1與柱2之間的差異沉降都小與墻9與柱8之間的差異沉降，主要是因為墻9后是地鐵基坑，墻9處的整體結(jié)構(gòu)的水平剛度低于墻1處，墻1處的土體對差異沉降起到調(diào)節(jié)作用。

4　結(jié)論

本文以合肥某緊鄰地鐵車站的大型深基坑為背景，采用有限元分析軟件MIDAS/GTS，用數(shù)值模擬的方法分析了深基坑開挖地連墻與柱以及相鄰兩柱之間的差異沉降情況，得出以下結(jié)論：

（1）采用逆作法施工時，地連墻與柱以及相鄰兩柱之間的差異沉降量都較小，最大差異沉降值也遠小于20 mm。可見逆作法的施工工藝對豎向結(jié)構(gòu)之間的差異沉降起到很好的控制作用。合肥地區(qū)多為膨脹土，與上海地區(qū)的軟土有明顯的差別，差異沉降規(guī)范限值仍需大量的工程實際數(shù)據(jù)作為參考。

（2）差異沉降與結(jié)構(gòu)剛度有密切的聯(lián)系，結(jié)構(gòu)剛度越小，則差異沉降量越大。施工過程中應(yīng)充分重視出土口處和地鐵基坑側(cè)的柱的沉降，必要時可適當(dāng)增加支護，有利于減小差異沉降。

（3）本文僅對該深基坑工程作了數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬與工程實際可能存在偏差，施工過程必須根據(jù)施工現(xiàn)場的實際工況采取相應(yīng)的施工措施，才能避免工程事故的發(fā)生。

［1］高廣臣.青島市地下街逆作施工過程及對周邊建筑影響分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

［2］劉洋.逆作法超深基坑支護體系有限元分析及應(yīng)用研究［D］. 天津：河北工業(yè)大學(xué),2007.

［3］孫洋波.軟土地區(qū)深基坑工程逆作法數(shù)值分析及實測研究［D］.上海：同濟大學(xué),2006.

［4］謝小松, 游建平, 徐偉. 超大型深基坑工程部分逆作法施工過程三維有限元模擬［J］. 巖土工程學(xué)報, 2008（S1）：46-49.

［5］李輝,楊羅沙,李征,等.基于MIDAS/GTS對地鐵車站超深基坑空間效應(yīng)的研究［J］.鐵道建筑,2011, （4）：83—85.

［6］劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

［7］DGTJ61—2010,上?；庸こ碳夹g(shù)規(guī)范［S］.

The Laws of Differential Settlement in Top-Down Construction Method of Deep Foundation Pit Analyzed with Numerical Simulation

HU Chunjie， CHENG Hua， CAO Guangyong
（School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu Univerity，Hefei,230022，China）

The diaphragm wall and upright column areconsidered as the most important supporting structures of foundation pit, and the safety of deep foundation pit was directly infuenced by the different settlement among diaphragm wall and upright column during the pit excavation. Finite element software MIDAS/GTShas been applied to conduct a simulation analysis of the pit excavation with Top-Down method and to research the settlement laws of diaphragm wall and upright column. Analysis shows that the maximum differential settlement between diaphragm wall and upright columnhas been larger than the one between columns. The maximum differential settlement was 4.09mm, which is smaller than 20mm or 1/400 column spacing in the code, and the diaphragm wall and columns are frst uplift and then settledas the excavation proceeds. The results provides a valuable basis for the control of settlement of the diaphragm wall and upright column and can help to improve the security in the construction of foundation pit.

Differential settlement；Top-Down method；deep foundation pit；simulation analysis

TU473.2

A

2095-8382（2016）04-040-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160409

2015-12-10

胡春杰（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向：地下結(jié)構(gòu)工程。