張劍濤

(1.中國建筑科學研究院地基基礎研究所，北京 100013；2.建研地基基礎工程有限責任公司，北京 100013)

0 引言

地鐵車站大多修建在繁華地帶，地鐵車站施工鄰域內(nèi)存在大量的商業(yè)、住宅、公共、交通等建(構(gòu))筑物。地鐵車站施工造成建(構(gòu))筑物鄰域地基土體的卸荷，深基坑土方開挖，改變了鄰域土體原有的應力狀態(tài)，誘發(fā)建筑物產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形，進而造成建筑物的沉降或傾斜[1-3]。

近年來，國內(nèi)外不少學者對基坑土卸荷作用下，鄰域建筑物的變形破壞機理進行了研究，為地鐵建設過程中鄰域建筑物的保護積累了大量的有益經(jīng)驗。徐代宏等[4]、王成華等[5]應用理論分析、數(shù)值模擬的方法，對樁基礎建筑物側(cè)方基坑開挖卸荷作用下，樁基礎建筑物的變形機理進行了研究；張治國等[6]、程聰[7]、田志強等[8]等應用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等方法，對基坑施工開挖過程中，淺基礎建筑物的沉降規(guī)律、變形控制方法等進行了分析；韓偉[9]基于實測數(shù)據(jù)，對基坑施工過程中鄰近深基礎建筑物的變形特征進行了研究。

鋼管樁基礎作為新興的基礎形式，在國內(nèi)外被大量應用，但目前缺乏鄰域基坑土方開挖卸荷作用下鄰域鋼管樁基礎變形響應的研究。鋼管樁基礎建筑物不同于一般混凝土樁基礎建筑物，具有承載力較高、自重輕、材質(zhì)均勻、施工工藝簡單、工程質(zhì)量易保證等優(yōu)點[10-12]。基于此，本文以廈門市軌道交通1號線某典型地鐵車站及其鄰域的鋼管樁基礎建筑物工程為例，應用工程實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對鄰域深基坑土方開挖卸荷作用下，側(cè)方鋼管樁基礎建筑物的變形響應進行了研究，并將其與混凝土樁基礎建筑物的變形差異進行了分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

廈門市軌道交通1號線某地鐵車站為地下二層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基坑施工鄰域內(nèi)某鋼管樁基礎建筑物為本工程重要風險源。地鐵車站基坑長272.5m，寬度為20.7m，盾構(gòu)井段寬24.8m，基坑深度20.05m，采用Φ1000mm鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護形式。基坑水平支護結(jié)構(gòu)設置三道內(nèi)支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，1200×1000mm(寬×高)，第二、三道支撐為Φ609、t=16鋼管支撐。該鋼管樁基礎建筑物采用框架結(jié)構(gòu)，高度34.03m，其中地下1層層高5.4m；地上4層，首層層高7.63m、2～4層層高7.0m，Φ500鋼管樁基礎，地下室邊線與車站側(cè)壁最近距離11.7m。建筑物現(xiàn)狀如圖1所示，地鐵車站與建筑物相對位置如圖2所示。

圖1 鋼管樁基礎建筑物現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of steel pipe pile foundation building

圖2 地鐵車站與鋼管樁基礎建筑物相對位置Fig.2 The relative position of subway station and steel pipe pile foundation building

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程范圍內(nèi)地形稍有起伏，以沖海積階地為主，局部為坡殘積臺地，地面高程0～25m。依據(jù)勘察報告，按巖土地層層序，地基土層自上而下依次為黏土質(zhì)素填土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖、碎裂狀強風化花崗巖等。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測點布置

依據(jù)工程現(xiàn)場情況，結(jié)合原有的地表沉降點布設，監(jiān)測點布置以能夠準確反應整棟建筑的差異沉降為原則，主要布置在房角、承重墻和立柱上。JGC-01、JGC-03、JGC-04、JGC-05、JGC-10、JGC-11、JGC-19位于房角、承重墻和立柱位置，其余監(jiān)測點為原有地表沉降監(jiān)測點位置。監(jiān)測點布置情況如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點布置(單位：m)Fig.3 Arrangement of monitoring stations(unit：m)

2.2 變形控制標準

依據(jù)工程圖紙及相關(guān)規(guī)范，鋼管樁基礎建筑物絕對變形量(豎向位移、水平位移小于30mm)，變形速率小于2mm/d。地鐵車站深基坑施工過程中要加強監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，必要時采用地面注漿加固。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 模型尺寸

為充分考慮建筑物上部結(jié)構(gòu)剛度對模擬結(jié)果的影響，采用地基-基礎-上部結(jié)構(gòu)共同建模分析。數(shù)值計算模型范圍的確定須充分考慮邊界效應的影響，依據(jù)MIDAS/GTS建模手冊及相關(guān)研究成果[13]，地基土結(jié)構(gòu)外平面尺寸取為3倍以上的結(jié)構(gòu)平面輪廓，厚度取為3倍以上的基坑深度，可滿足忽略邊界效應的要求，故數(shù)值計算模型中長×寬×高為800m×800m×60m。整體模型網(wǎng)格劃分如圖4(a)所示，地鐵車站深基坑及鋼管樁基礎建筑物部分的網(wǎng)格劃分如圖4(b)所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of FEM calculation model

3.2 模型材料參數(shù)

相比于Mohr Coulomb模型，修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型可以分別設定土體的加、卸載變形模量，依據(jù)MIDAS/GTS幫助文件及相關(guān)文獻[14]，能有效地控制基坑開挖時由于應力釋放引起的回彈隆起現(xiàn)象，故本模型中地基土體選用修正的Mohr Coulomb本構(gòu)模型，以實體單元建立，土體參數(shù)依據(jù)對應的工程勘察報告數(shù)據(jù)選取(表1)。圍護樁、混凝土支撐及鋼管支撐、建筑物的梁、板、柱和鋼管樁基礎均采用彈性本構(gòu)模型，具體參數(shù)按照工程實際值確定(表2)。為避免圍護樁與土體單元之間由于剛度頻繁變化導致的計算不收斂，同時也為了降低計算成本，該模擬采用等剛度代換法將圍護樁折算為連續(xù)墻后以板單元計入[15-17]；混凝土支撐及鋼管支撐、梁、柱及鋼管樁基礎采用梁單元建模；建筑結(jié)構(gòu)樓板采用板單元建模。

表1 地基土層物理力學計算參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)部分物理力學參數(shù)表

3.3 地鐵車站深基坑施工過程模擬

參照實際施工流程，數(shù)值計算中采用單元網(wǎng)格模型激活—鈍化方式模擬地鐵車站施工過程按照表3所示工序模擬進行。

表3 施工工序模擬

圖5 建筑物沉降云圖Fig.5 Cloud image of building settlement

3.4 計算方案

為深入分析基坑側(cè)向卸荷作用下，鋼管樁基礎建筑物與混凝土樁基礎建筑物變形動態(tài)響應的不同，本文采用2種方案進行數(shù)值計算：

(1)方案1：按照原設計方案，采用Φ500鋼管樁基礎；

(2)方案2：建筑采用Φ500鋼筋混凝土樁基礎，布樁位置保持不變。

4 樁基礎變形動態(tài)響應分析

4.1 樁基礎沉降分析

通過數(shù)值計算可得基坑施工完成后，方案1與方案2樁基礎建筑物沉降云圖，如圖5所示。提取圖5中對應節(jié)點位置的沉降計算值，與實測結(jié)果進行對比分析，如圖6所示。分析圖6可知，隨著基坑開挖深度的增加，樁基礎沉降量逐步增大，方案2沉降量比方案1大約1.5mm；鋼管柱基礎建筑物的數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果變化趨勢較為相似，數(shù)值計算結(jié)果略大于工程實測結(jié)果，偏安全，數(shù)值計算結(jié)果較好地還原了工程實際，計算方法合理。地鐵車站深基坑施工完成后，樁基礎建筑物沿長軸及短軸方向樁頂沉降曲線如圖7所示。在廈門地區(qū)土巖復合地層條件下，深基坑施工對鄰域鋼管樁基礎沉降的影響范圍為2h(h為基坑深度)，當鋼管樁基礎建筑物監(jiān)測點與基坑側(cè)壁距離大于2h時，樁頂沉降量小于3mm，可認為鄰域地鐵車站深基坑施工對其影響較小；方案1與方案2變形響應規(guī)律基本相同，方案2計算結(jié)果略大于方案1。綜上所述，在建筑物沉降方面，鋼管樁基礎建筑物與混凝土樁基礎建筑物基本無差異，混凝土樁基礎建筑物沉降量略大于鋼管樁基礎建筑物沉降量。

圖6 樁頂時程沉降分析Fig.6 Time-history curves of settlement displacement of the steel pipe pile top

圖7 樁頂沉降分布Fig.7 Settlement displacement of the steel pipe pile top

4.2 樁身水平位移分析

圖8為地鐵車站深基坑施工完成后，鄰域鋼管樁基礎建筑物監(jiān)測點JGC-1和JGC-10樁身水平位移曲線。分析計算結(jié)果可知：鋼管樁基礎樁身水平位移呈線性分布，混凝土樁基礎樁身水平位移在基坑底部存在明顯拐點，拐點以下，樁身水平位移與鋼管樁基礎水平位移基本相同；拐點以上，樁身水平位移明顯大于鋼管樁基礎，約為鋼管樁基礎的2倍。地鐵車站深基坑施工完成后，樁基礎建筑物沿長軸及短軸方向樁頂水平位移如圖9所示。在廈門地區(qū)土巖復合地層條件下，深基坑施工對鄰域鋼管樁基礎沉降的影響范圍為1.7h，當鋼管樁基礎建筑物監(jiān)測點與基坑側(cè)壁距離大于1.7h時，樁頂水平位移小于1mm，可認為鄰域地鐵車站深基坑施工對其影響較小。方案1與方案2變形響應規(guī)律基本相同，但鋼管樁基礎水平位移明顯小于混凝土樁基礎，約為混凝土樁基礎的一半。

圖8 樁身水平位移Fig.8 Horizontal displacement of steel pipe pile foundation

圖9 樁頂水平位移分布Fig.9 Horizontal displacement of the steel pipe pile top

5 結(jié)論

通過對廈門市軌道交通1號線某典型地鐵車站基坑工程及其鄰域鋼管樁基礎建筑物的研究，結(jié)合工程實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計算結(jié)果，研究了深基坑卸荷作用下，鄰域鋼管樁基礎建筑物的變形響應規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)在廈門地區(qū)土巖復合地層條件下，深基坑施工對鄰域鋼管樁基礎的影響范圍為2h(h為基坑深度)，當鋼管樁基礎監(jiān)測點與基坑側(cè)壁距離大于2h時，樁頂沉降量小于3mm，樁頂水平位移小于1mm，可認為鄰域深基坑施工對其影響較小。

(2)鄰域基坑側(cè)方卸荷作用下，鋼管樁基礎與混凝土樁基礎沉降變形響應基本相同，水平位移響應差異較大，鋼管樁基礎水平位移呈線性分布，混凝土樁基礎水平位移存在明顯拐點，拐點以下與鋼管樁基本相同，拐點以上水平位移約為鋼管樁的2倍。