戴兵強(qiáng)，劉寅昌，周國(guó)梁，楊東亮

(中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100020)

隨著西部發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國(guó)西部地區(qū)逐漸向城市化發(fā)展，黃土地區(qū)城市空間日漸狹小。為了更高效地利用土地資源，提高土地資源的使用效率，地下空間向更大更深的趨勢(shì)發(fā)展是解決此類問題的最佳選擇。因此，在這種發(fā)展趨勢(shì)的大環(huán)境下，黃土基坑的開挖也越來(lái)越大、越來(lái)越深。雖然黃土地區(qū)基坑工程的大規(guī)模發(fā)展一方面使得城市的建設(shè)發(fā)展更加完善，但是基坑工程在建設(shè)中也可能會(huì)給周邊環(huán)境的發(fā)展帶來(lái)不利的影響[1-5]。

近些年，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)黃土深基坑施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物的影響開展了大量研究，研究方式主要集中在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析、有限元建模分析以及模型試驗(yàn)分析三方面。劉均紅[6]等以黃土地區(qū)某地鐵站深基坑為工程背景，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形規(guī)律。梅源[7]等基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了西安地區(qū)黃土深基坑開挖造成的地表沉降及支護(hù)樁的變形規(guī)律，得出了黃土深基坑開挖造成土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形小于非黃土地區(qū)。王玲玲[8]等借助有限差分程序FLAC3D分析了某濕陷性黃土基坑工程在不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑周土體的變形規(guī)律。劉安寧[9]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算分析了西安高科尚都二期深基坑開挖時(shí)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體的變形及受力的影響。崔廣芹[10]等基于固結(jié)回彈試驗(yàn)?zāi)M了黃土基坑在不同開挖深度下土體的卸荷回彈規(guī)律，確定了黃土深基坑卸荷開挖時(shí)土體的最大影響深度及強(qiáng)回彈區(qū)范圍，并借助現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了模型試驗(yàn)結(jié)果的可行性。

近些年，隨著西部地區(qū)大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西安和其他西部城市的現(xiàn)代化建設(shè)也逐步加快，學(xué)者對(duì)黃土深基坑的研究也越來(lái)越多，而且也取得了一定的研究成果，但是目前黃土深基坑在開挖過程中尤其是擴(kuò)挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊土層以及臨近結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性對(duì)其施工的響應(yīng)規(guī)律如何變化仍然需要學(xué)者進(jìn)行大量的研究。文章以西安市某黃土深基坑擴(kuò)挖施工為工程依托，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元軟件數(shù)值計(jì)算結(jié)果相結(jié)合研究了既有黃土地基深基坑在擴(kuò)挖時(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、周邊地層位移以及鄰近結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)特征，為類似的實(shí)際工程提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地中間為一遺棄的深基坑(廢棄10 a)，深約6.5 m，東西方向長(zhǎng)約81.0 m。南北方向?qū)捈s37.0 m。新建酒店基坑需在原廢棄基坑的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖(縱向、水平向擴(kuò)挖)，擴(kuò)挖深度約11.20 m。擴(kuò)挖基坑南側(cè)緊鄰利之星奔馳汽車4S店的展廳，西側(cè)緊鄰?fù)＼噲?chǎng)和維修車間，場(chǎng)地北側(cè)為擬建施工道路，場(chǎng)地東側(cè)外為魚化一路。深基坑的南側(cè)和西側(cè)坑壁均由既有地下室外墻、立柱和基礎(chǔ)構(gòu)成，南側(cè)坑壁的柱間距(中心距)為5.9 m，西側(cè)坑壁的柱間距(中心距)為9.2 m。東側(cè)和北側(cè)東段的坑壁在腰部設(shè)有一圈鋼質(zhì)腰梁和錨桿，坡率約為1∶0.2，表面噴射混凝土，錨桿長(zhǎng)度為8.0～10.0 m。并在北側(cè)坑壁西段設(shè)置有8根圍護(hù)樁，直徑約1.2 m，長(zhǎng)度約12.0 m，樁間距約2.5 m。擬擴(kuò)挖深基坑見圖1。

圖1 擬擴(kuò)挖深基坑示意圖

2 基坑擴(kuò)挖施工方案

2.1 基坑擴(kuò)挖施工方式

根據(jù)工程概況，深基坑擴(kuò)挖采取順做法施工，在老基坑擴(kuò)挖位置施作灌注旋噴樁，由于原有基坑西側(cè)和南側(cè)緊鄰既有建筑地下停車場(chǎng)，因此南側(cè)新基坑圍護(hù)樁離既有地下停車場(chǎng)地面線80 cm外的開始施作；西側(cè)拆除原有基坑一部分地下停車場(chǎng)頂板后，開始施作圍護(hù)樁；北側(cè)西部存在既有圍護(hù)樁基礎(chǔ)，因此在該圍護(hù)樁外側(cè)1m處施作新圍護(hù)樁基礎(chǔ)，待老基坑挖出之后，施作地下室墻面，由于老基坑存在既有圍護(hù)樁，挖出之后，新圍護(hù)樁與既有圍護(hù)樁之間存在空隙，對(duì)其進(jìn)行回填，保證施作質(zhì)量。圍護(hù)樁施作質(zhì)量達(dá)標(biāo)之后，進(jìn)行土方開挖。具體施工步驟見圖2。

圖2 深基坑擴(kuò)挖施工步驟

2.2 基坑擴(kuò)挖支護(hù)方式

基坑支護(hù)措施采用護(hù)坡樁+錨索支護(hù)，具體支護(hù)措施見圖3?；颖眰?cè)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3(a)所示。東側(cè)與北側(cè)支護(hù)不同的是考慮到鄰近道路車流量較大，因此采用擴(kuò)大頭錨索施工；基坑西側(cè)、南側(cè)緊鄰既有建筑(西安利之星)的地下停車場(chǎng)，因此西側(cè)、南側(cè)基坑第一層先不進(jìn)行支護(hù)，第二層開始支護(hù)，基坑西側(cè)、南側(cè)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3(b)所示。

圖3 錨樁支護(hù)示意圖

3 有限元分析

為分析此次深基坑擴(kuò)挖對(duì)周邊鄰近結(jié)構(gòu)物的影響規(guī)律，文章借助有限元軟件對(duì)基坑擴(kuò)挖進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

3.1 有限元模型

3.1.1 模型建立

本次模擬主要考慮的是基坑、既有建筑物以及道路的變形及應(yīng)力特征，同時(shí)根據(jù)相關(guān)工程資料，最終定下該擴(kuò)挖工程的施工深度為11 m，有限元模型的幾何尺寸為400 m×250 m×40 m，如圖4所示。

3.1.2 基本假定

由于高校圖書館主要是圍繞學(xué)校教學(xué)科研服務(wù)，也就是以學(xué)科專業(yè)類書刊作為重點(diǎn)收藏，因而在紅色文獻(xiàn)資源建設(shè)上普遍存在數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)單一，質(zhì)量不高，以及開發(fā)利用不夠等問題。為了突出社會(huì)主義辦學(xué)方向，加強(qiáng)革命傳統(tǒng)教育，傳承和弘揚(yáng)紅色精神，切實(shí)充實(shí)高校圖書館紅色文獻(xiàn)館藏意義重大，責(zé)無(wú)旁貸。以湘西紅色文獻(xiàn)資源建設(shè)為例，筆者采用以下一些對(duì)策方式，同時(shí)還要注意以下一些問題。

假設(shè)模型設(shè)置范圍內(nèi)的土層性質(zhì)均為各向同性的理想彈性材料；基坑模擬開挖分析時(shí)，模擬工況開挖為層層開挖而非放坡式開挖；支護(hù)樁、冠梁、噴混、錨桿均采用彈性材料模擬，而土體單元?jiǎng)t假定為理想的彈塑性材料，使用修正莫爾—庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬，且支護(hù)材料始終與周邊土體變形相協(xié)調(diào)。

3.1.3 有限元建模參數(shù)選取

數(shù)值模型中，所有土層都應(yīng)用修正摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)，用三維實(shí)體表示。圍護(hù)樁、冠梁用一維梁?jiǎn)卧硎?，預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿采用植入式的桁架單元進(jìn)行模擬。既有建筑的條形基礎(chǔ)和柱子采用一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。車庫(kù)墻板、樓板、路面以及噴混等均采用板單元模擬，對(duì)于土層參數(shù)和材料屬性，見表1～2所示。

圖4 既有基坑擴(kuò)挖三維模型圖

圖5 樁錨支護(hù)有限元模型

表1 土體參數(shù)

表2 材料屬性

3.1.4 施工階段模擬

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖方案，在基坑擴(kuò)挖前先進(jìn)行施作圍護(hù)樁及冠梁，最后再進(jìn)行擴(kuò)挖工作。整個(gè)基坑擴(kuò)挖工作分3次進(jìn)行，第1次擴(kuò)挖4 m，同時(shí)施作錨桿及面層噴混；第2次擴(kuò)挖3 m，同時(shí)施作錨桿及面層噴混；第3次擴(kuò)挖4 m，同時(shí)施作錨桿及面層噴混?；永塾?jì)開挖深度為11 m。

3.2 有限元結(jié)果分析

3.2.1 土體位移規(guī)律分析

基坑擴(kuò)挖過程中各個(gè)施工階段下基坑周圍土體位移隨施工階段總體上呈現(xiàn)出坑內(nèi)土體發(fā)生隆起，坑外土體發(fā)生沉降。未擴(kuò)挖前，基坑土體基本沒有發(fā)生隆起；第1次擴(kuò)挖后基坑內(nèi)土體最大隆起值為37.65 mm；第2次擴(kuò)挖結(jié)束后基坑內(nèi)土體最大隆起值為63.51 mm，較第一次擴(kuò)挖增加25.86 mm，增幅68.6%；第3次擴(kuò)挖結(jié)束后基坑內(nèi)土體最大隆起值能為85.69 mm，較第2次擴(kuò)挖增加21.49 mm，增幅33.8%。同上，坑外土層的豎向位移也伴隨著基坑擴(kuò)挖深度的增大而逐漸增大。第1次擴(kuò)挖結(jié)束后，基坑外側(cè)土體最大沉降值達(dá)-2.29 mm；第2次擴(kuò)挖結(jié)束后，基坑外側(cè)地表沉降最大值達(dá)3.72 mm，較第1次增加1.43 mm，增幅達(dá)62.44%；第3次擴(kuò)挖結(jié)束后，基坑外側(cè)地表沉降最大值達(dá)到-17.61 mm，較第2次擴(kuò)挖增加13.89 mm，增幅達(dá)373.38%。這部分區(qū)域的沉降足以導(dǎo)致地表外側(cè)土體造成太大的差異沉降而導(dǎo)致基坑外側(cè)建筑物發(fā)生傾斜，產(chǎn)生裂縫等不良狀況，因此基坑在第3次擴(kuò)挖階段應(yīng)做到短開挖、早支護(hù)、勤量測(cè)。

3.2.2 建筑物位移規(guī)律分析

施工結(jié)束后建筑物整體位移變化規(guī)律與地上建筑物位移變化規(guī)律基本相同，沉降值最大區(qū)域都位于東南角。建筑物在施工完成后總體位移值在+3.04～-3.51 mm之間變化。施工結(jié)束后，建筑物整體處于下沉狀態(tài)，只有基坑與建筑物接觸西南角的小部分區(qū)域處于微弱上升狀態(tài)。接觸部位出現(xiàn)微弱向上的位移可能是由于接觸部位部分建筑物基礎(chǔ)土體不均勻沉降造成的。整個(gè)建筑物位移變化區(qū)域也具有方向性特征即建筑物整體位移變化值主要隨東西方向方向性變化，而與南北方向基本無(wú)關(guān)。地上建筑物在施工完成后位移值在+0.05～-3.47 mm之間變化，整個(gè)地上建筑物位移云圖顯示的位移變化區(qū)域具有方向性特征即地上建筑物位移變化值主要隨東西方向方向性變化，而與南北方向基本無(wú)關(guān)。

為更好地分析黃土深基坑擴(kuò)挖對(duì)周邊土體的影響范圍，提取基坑南側(cè)中線外圍土體的沉降值與水平位移值并繪制成圖6～7位移曲線。

從圖6～7分析可得：基坑擴(kuò)挖后，由于土體的應(yīng)力釋放，基坑周邊土體必然發(fā)生變形。當(dāng)擴(kuò)挖深度較小時(shí)，基坑外側(cè)土體地表沉降及水平位移都很小，而且擴(kuò)挖影響范圍也較小。隨著擴(kuò)挖深度的增加，土體卸荷效應(yīng)越來(lái)越明顯，地表沉降以及水平位移逐漸增大，而且擴(kuò)挖卸荷效應(yīng)影響范圍也逐漸增大?；訑U(kuò)挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)，外側(cè)土體沉降最大值約-17 mm，發(fā)生在距基坑南側(cè)開挖臨空面10 m位置處，開挖影響范圍約2.2倍擴(kuò)挖深度。地表水平位移最大值約21 mm，發(fā)生在基坑開挖臨空面，開挖影響范圍約3倍擴(kuò)挖深度。顯然，地表水平位移值大于地表沉降值，表明黃土基坑擴(kuò)挖引起的地表位移主要以水平位移為主。

圖6 地表沉降計(jì)算值圖 圖7 地表水平位移計(jì)算值

3.2.4 圍護(hù)樁變形規(guī)律分析

為分析基坑擴(kuò)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，以圍護(hù)樁的水平位移隨施工階段的變化對(duì)此進(jìn)行了研究。從圍護(hù)樁、冠梁施工階段到第3次擴(kuò)挖階段，隨著擴(kuò)挖深度的增大，圍護(hù)樁水平位移也逐漸增大。第3次擴(kuò)挖階段位移云圖表明北側(cè)圍護(hù)樁樁體最大水平位移24.70 mm，南側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移16.58 mm，東側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移值達(dá)16.31 mm，西側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移值達(dá)11.51 mm。

此外，由南北兩側(cè)y方向圍護(hù)樁水平位移隨施工階段的變化分析可得，從圍護(hù)樁、冠梁施工階段到第3次擴(kuò)挖階段，圍護(hù)樁樁體變形區(qū)域隨著擴(kuò)挖深度的增加逐漸沿土體深度、寬度方向擴(kuò)張，即隨著基坑擴(kuò)挖深度的不斷加深，圍護(hù)樁樁體橫向的變形區(qū)域也在逐步增加，擴(kuò)挖結(jié)束后圍護(hù)樁樁體最大位移區(qū)域主要集中在圍護(hù)樁中央位置，這表明基坑施工具有空間效應(yīng)。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型的計(jì)算結(jié)果，選取數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

4.1 周邊建筑物沉降對(duì)比分析

圖8是由基坑西、南兩側(cè)建筑物選取特征點(diǎn)沉降量的對(duì)比分析圖，圖8中施工階段1～4分別表示施作圍護(hù)樁及冠梁階段、基坑第1次擴(kuò)挖階段、基坑第2次擴(kuò)挖階段、基坑第3次擴(kuò)挖階段；兩圖圖例中“Z”表示實(shí)測(cè)特征點(diǎn)，“z”表示數(shù)值計(jì)算特征點(diǎn)。由兩圖可以分析得出：①兩圖均表明建筑物實(shí)測(cè)沉降與計(jì)算結(jié)果隨施工階段呈增大的趨勢(shì)；②兩圖建筑物沉降實(shí)測(cè)值均大于數(shù)值計(jì)算值，造成這種現(xiàn)象的原因可能是：①有限元模型中土體參數(shù)采取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，從而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)存在差異性；②現(xiàn)場(chǎng)施工中地表土層的變形是復(fù)雜的非線性過程，而有限元軟件計(jì)算結(jié)果并不能考慮這些因素，但是數(shù)值計(jì)算的結(jié)論說明，其可為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的施工工作提供一定的預(yù)判和參考。

圖8 建筑物沉降對(duì)比

4.2 圍護(hù)樁水平位移對(duì)比分析

圖9是由基坑四周選取的圍護(hù)樁沿深度方向水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值繪制的數(shù)據(jù)圖，圖9中樁體實(shí)測(cè)值只包括基坑擴(kuò)挖深度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，而數(shù)值計(jì)算值，包含樁體整個(gè)深度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)表明：圖9樁身橫向水平位移的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值要稍大于數(shù)值計(jì)算值，4、11、12、13號(hào)圍護(hù)樁水平位移實(shí)測(cè)值大于數(shù)值計(jì)算值可能是因?yàn)榛颖眰?cè)實(shí)際施工過程中坑外場(chǎng)地存在挖土和建材堆載，1～3號(hào)樁水平位移實(shí)測(cè)值大于數(shù)值計(jì)算值是基坑?xùn)|側(cè)外圍是城市車行道，日常車流量大，超載的作用導(dǎo)致的結(jié)果。

圖9 沿深度方向?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

文章首先介紹了深基坑擴(kuò)挖施工的方案及支護(hù)方式，然后借助有限元軟件對(duì)基坑擴(kuò)挖進(jìn)行了三維數(shù)值分析，結(jié)果如下：

(1)基坑擴(kuò)挖時(shí)，土體位移總體上為坑內(nèi)土體發(fā)生隆起，坑外土體發(fā)生沉降?；訑U(kuò)挖深度越大，基坑內(nèi)側(cè)的土體隆起值最大，最大值達(dá)85.69mm?；油鈧?cè)的土體沉降最大值約-17.61mm。

(2)基坑擴(kuò)挖深度不同，對(duì)外側(cè)土體的影響范圍也不同，擴(kuò)挖深度越大，對(duì)外側(cè)土體的擾動(dòng)越大，基坑擴(kuò)挖對(duì)外側(cè)土體的影響主要以水平位移為主?；訑U(kuò)挖至設(shè)計(jì)高程時(shí)，外側(cè)土體沉降影響范圍約2.2倍擴(kuò)挖深度，水平位移影響范圍約3倍擴(kuò)挖深度。

(3)施工結(jié)束后，建筑物整體呈下沉趨勢(shì)，位移值在+0.05～-3.47mm之間變化，整個(gè)建筑物位移區(qū)域具有方向性特征即建筑物位移變化值主要隨東西方向變化，而與南北方向基本無(wú)關(guān)。

(4)隨著施工階段的進(jìn)行，在基坑同一深度，支護(hù)樁水平位移最大值區(qū)域逐漸由基坑兩側(cè)向基坑中間區(qū)域遞增。

(5)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，支護(hù)樁水平位移變化規(guī)律、周圍建筑物、的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相差不大，總的來(lái)說，數(shù)值結(jié)果稍大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的測(cè)量值，但是其總的演化態(tài)勢(shì)則具有高度的相似性。這表明文章所提出錨樁支護(hù)的加固措施安全可靠，同時(shí)，在基坑擴(kuò)挖施工中，數(shù)值模擬可為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案作出有效評(píng)價(jià)。