李紅軍, 冷 遠, 張士龍, 劉昌永
(1. 中交二航局第三工程有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212000; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150000)
隨著我國城市化進程的不斷推進,交通擁堵問題日益突出,市區(qū)停車難問題亟待解決。由于井筒式地下車庫具有空間利用率高、環(huán)境適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)布置靈活等優(yōu)點,近幾年逐步應(yīng)用于城市停車場建設(shè)中[1-2]。井筒式地下車庫多由圓形基坑和與圍護結(jié)構(gòu)相連的樓板組成,支護形式通常采用排樁加圈梁體系[3]。
由于井筒式地下車庫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,近幾年國內(nèi)學(xué)者對井筒式地下車庫進行了一系列的研究。吳金鋒[4]為推廣井筒式地下停車場,以2016年國內(nèi)首次修建的杭州某井筒式地下停車場為例,從停車規(guī)模、周邊交通影響、社會影響和項目經(jīng)濟性4方面論述了井筒式地下停車場的應(yīng)用前景。王棟等[5]介紹了杭州地區(qū)開挖深度為34.3 m的井筒式地下車庫基坑施工中所涉及的工藝工法。張創(chuàng)[6]以成都地區(qū)砂卵石地層修建井筒式車庫為例,利用FLAC3D對其進行數(shù)值模擬,通過改變排樁樁長、樁端嵌固條件、基坑大小等參數(shù),研究基坑受力和變形的情況; 同時,在施工和使用階段對車庫主體結(jié)構(gòu)進行了受力分析,最后給出了井筒式車庫相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。
通過上述研究可見,對于井筒式地下車庫的研究主要集中在以砂卵石地層為主的南方地區(qū),缺乏東北地區(qū)黏性土層下修建井筒式地下車庫的相關(guān)研究。同時,為滿足地下停車場智能化的要求,通常在基坑內(nèi)部進行二次土體的開挖,導(dǎo)致基坑底部被動區(qū)域土體抗力的減弱,從而對基坑穩(wěn)定性造成影響[7]。為此,本文以哈爾濱省委廣場井筒式智能停車場為工程背景,對井筒式基坑圍護結(jié)構(gòu)的受力和變形進行分析,同時研究二次開挖對基坑穩(wěn)定性的影響。
哈爾濱省委廣場位于南崗區(qū)花園街與吉林街交口,擬在現(xiàn)廣場地下空間建設(shè)井筒式智能停車場,外徑為22 m,開挖深度為13.2 m。地下停車場主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架,基坑圍護結(jié)構(gòu)采用排樁+圈梁支撐體系,樁間掛網(wǎng)噴厚度為80 mm的C20混凝土。為放置井筒式智能停車場機電設(shè)備,在基坑中設(shè)置深度為2.4 m的坑中坑,如圖1所示。
(b) 剖面圖(單位: m)圖1 井筒式停車場布置圖Fig. 1 Layout of shaft-type parking lot
在基坑周圍共布置了5個鉆孔來勘察地質(zhì)情況,根據(jù)勘察結(jié)果,場地所處地貌為崗阜狀平原,地基土分布不均勻。施工場地區(qū)間位于崗阜狀平原地貌中,勘察孔隙潛水穩(wěn)定水位標高為-28.5~-33.2 m,地下水始終位于開挖面以下,可不考慮開挖過程中水位變化的影響。
根據(jù)工程周圍環(huán)境的情況,依據(jù)規(guī)范對基坑進行監(jiān)測。本節(jié)內(nèi)容是在井筒內(nèi)部土體被挖除期間對施工引起的沉降等相關(guān)項目進行監(jiān)測,基坑監(jiān)測點布置和監(jiān)控項目分別如圖2和表1所示。
圖2 基坑監(jiān)測點布置圖Fig. 2 Layout of monitoring points of foundation pit
表1 基坑監(jiān)控項目Table 1 Monitoring items of foundation pit
根據(jù)勘測和設(shè)計資料制定工程進度計劃表。本井筒基坑共分4次開挖,除表層雜填土開挖外,后續(xù)開挖均處于軟黏土層,如表2所示。
表2 施工階段Table 2 Construction conditions
井筒基坑北部緊鄰居民樓,南部緊鄰道路(見圖2),故選取基坑北部一排地表沉降測點DB1、南部一排地表沉降測點DB2。地表沉降值隨時間變化曲線如圖3所示。圖3(a)中測點DB1-3距離基坑水平位置為5 m,在整個開挖過程中累計最終沉降為4.8 mm; 測點DB1-2距離基坑水平位置為10 m,在整個開挖過程中累計最終沉降為4.1 mm; 測點DB1-1距離基坑水平位置為20 m,此處測點位于居民住宅區(qū)附近,累計沉降變化不大,表明井筒基坑開挖對居民樓無影響。圖3(b)中基坑南部測點DB2-2、DB2-3,15 d后沉降值達到穩(wěn)定,分別為9.8、11.6 mm。由于場地空間有限,基坑西側(cè)為施工出土和設(shè)備堆放區(qū),基坑南側(cè)為挖機停留區(qū)域,因此基坑南部測點與基坑北部測點相比沉降較大。
(a) 測點DB1累計沉降曲線
(b) 測點DB2累計沉降曲線圖3 地表沉降值隨時間變化曲線圖Fig. 3 Curves of surface subsidence changing with time
由于基坑南部受來往車輛影響,故選取基坑南部測斜管CX1作為分析對象,施工工況如表2所示。測斜CX1深度-位移變化曲線如圖4所示。由圖可知: 在不同工況下測斜管CX1整體趨勢為“鼓肚”形狀,最終側(cè)移值為3.5 mm,遠遠小于控制值,表明圓形支護結(jié)構(gòu)的空間“拱效應(yīng)”得到了充分的發(fā)揮,并沒有受到南部地表沉降的影響。工況2為基坑開挖深度6.9 m的情況,最大側(cè)移值位于樁體深度4 m處,為1.2 mm; 工況3為基坑開挖深度11 m的情況,最大側(cè)移值位于樁體深度6.3 m處,為3.2 mm; 工況4為基坑開挖深度13.4 m的情況,最大側(cè)移量位于樁體深度6.3 m處,為3.5 mm。隨著基坑開挖深度的增加,最大側(cè)移位置逐漸向下移動。
圖4 測斜CX1深度-位移變化曲線圖Fig. 4 CX1 depth-displacement curves
利用大型有限元軟件MIDAS/GTS建立井筒基坑的三維模型。根據(jù)基坑開挖影響范圍,數(shù)值模型的整體尺寸為160 m×160 m×30 m(長×寬×高)。土體采用修正摩爾-庫侖模型,結(jié)構(gòu)單元采用線彈性模型。根據(jù)地勘報告及相關(guān)經(jīng)驗取值,土層及結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表3和表4所示。土體采用實體單元,冠梁和排樁均采用梁單元模擬[8]。模型四周約束各面的法向位移,底部約束3個方向的位移,荷載主要考慮土體及結(jié)構(gòu)的自重荷載。井筒基坑三維模型如圖5所示。
表3 土層力學(xué)參數(shù)Table 3 Soil mechanical parameters
表4 結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 4 Structure mechanical parameters
圖5 井筒式基坑三維模型(單位: m)Fig. 5 Three-dimensional model of shaft-type foundation pit (unit: m)
結(jié)合2.3節(jié)圍護樁水平變形的監(jiān)測數(shù)據(jù),對比MIDAS/GTS數(shù)值計算結(jié)果,以驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性。有限元數(shù)值模擬計算中井筒基坑內(nèi)土體被挖除的模擬進尺與施工階段(見表2)一致。有限元分析樁體水平位移時選取的是基坑南部測點CX-1,如圖5所示。數(shù)值計算與監(jiān)測值對比如圖6所示。由圖可知,MIDAS/GTS計算的圍護樁最大側(cè)移值為4.15 mm,監(jiān)測值為3.5 mm,兩者均在深度6.3 m處樁體水平位移達到最大,有限元計算結(jié)果與實際情況較為符合。從曲線的整體趨勢上來看,兩者都呈現(xiàn)出“兩頭小,中間大”的變形特點,數(shù)值計算曲線光滑、平順,實測曲線不平順,數(shù)據(jù)存在一定程度的離散。究其原因,主要是在有限元分析時采用了諸多假設(shè),例如將土體按各向同性、均勻材質(zhì)模擬,故計算結(jié)果與實測值存在一定差異。
圖6 數(shù)值計算與監(jiān)測值對比Fig. 6 Comparison between numerical calculation and monitoring value
3.3.1 拱效應(yīng)分析
井筒基坑開挖時土壓力拱的形成,主要為環(huán)向和豎向拱效應(yīng)。井筒擋土結(jié)構(gòu)徑向移動過程中,環(huán)向拱效應(yīng)發(fā)揮先于豎向拱效應(yīng)[9]??紤]到井筒基坑尺寸小,且實測位移小,本節(jié)主要對環(huán)向壓力拱的形成過程及分布規(guī)律進行詳細分析。
軸對稱井筒基坑是柱坐標下的平面問題,只在徑向平面內(nèi)產(chǎn)生變形。開挖時土壓力拱的形成,主要是由于水平面內(nèi)中主應(yīng)力與小主應(yīng)力的方向調(diào)整,由中主應(yīng)力在基坑環(huán)向形成連續(xù)封閉的壓力路徑。土壓力拱的形成有利于基坑的穩(wěn)定,其形成過程與開挖工況息息相關(guān)。由于基坑地質(zhì)條件以粉質(zhì)黏土為主,因此取地表下6.9 m深度網(wǎng)格組為觀測面。
觀測面上中主應(yīng)力矢量圖如圖7所示。為方便對比各個開挖工況下井筒周邊拱效應(yīng)變化,隱藏了圖7(a)中基坑內(nèi)部的土體單元。1)在基坑開挖之前(見圖7(a)),觀測面上任意一點的小主應(yīng)力為自重應(yīng)力σz=γz(γ為土的天然重度,z為土的厚度),中主應(yīng)力則為-92.80 kPa(σx=σy=K0γz,σx為x方向應(yīng)力,σy為y方向應(yīng)力,K0為側(cè)應(yīng)力系數(shù)),沿深度呈線性關(guān)系。即初始未開挖狀態(tài)下,作用于擋土結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土壓力計算值與公式計算值一致,不存在環(huán)向拱效應(yīng)。
(a) 開挖前
(b) 工況1
(c) 工況2
(d) 工況3圖7 觀測面上中主應(yīng)力矢量圖(單位: kPa)Fig. 7 Vector diagram of medium principal stress on observation surface (unit: kPa)
2)在基坑開挖工況1完成后(見圖7(b)),觀測面的表層土體被挖除,圍護結(jié)構(gòu)已發(fā)生一定的徑向變形,引起土體應(yīng)力重分布,對應(yīng)觀測面位置的中主應(yīng)力最大值略有增加(-95.05 kPa)。從整體應(yīng)力矢量圖來看,初步形成連續(xù)、封閉的環(huán)向傳力路徑。
3)在基坑開挖工況2完成后(見圖7(c)),觀測面以上的土體被完全挖除,圍護結(jié)構(gòu)后方土體變形進一步增大,中主應(yīng)力數(shù)值隨距離坑邊的遠近不同呈現(xiàn)出不同程度的增大,在近基坑開挖面處增幅明顯,較遠處增加較小并逐步趨于初始值。中主應(yīng)力的環(huán)向影響范圍進一步擴大,表明拱效應(yīng)的作用程度逐步增強,基坑觀測面處受開挖影響的環(huán)向壓力拱已形成。
4)在基坑開挖工況3完成后(見圖7(d)),隨著觀測面下方的土體被挖除,圍護結(jié)構(gòu)位移進一步增大,中主應(yīng)力在靠近圍護結(jié)構(gòu)處均小于初始環(huán)向應(yīng)力值,隨著距坑邊距離的增大,其應(yīng)力值先增大后減小,再趨于初始中主應(yīng)力。
綜上所述,圓形基坑的環(huán)向拱效應(yīng),可以采用土體的中主應(yīng)力矢量圖進行表達。隨著基坑開挖深度的逐步增大,其環(huán)向拱效應(yīng)作用的土體范圍也逐步擴大。
3.3.2 中主應(yīng)力變化分析
為進一步探究中主應(yīng)力影響范圍的大小,繪制不同開挖階段距坑邊不同距離的土體中主應(yīng)力變化曲線,如圖8所示。
(a) 距坑邊0.7 m
(b) 距坑邊3.0 m
(c) 距坑邊8.0 m
(d) 距坑邊12.0 m圖8 不同開挖階段距坑邊不同距離中主應(yīng)力變化曲線Fig. 8 Variation amplitude distribution curves of medium principal stress at different distances from pit edge in different excavation stages
基坑開挖前中主應(yīng)力為σ0θ,基坑開挖后中主應(yīng)力為σθ,基坑開挖前后中主應(yīng)力變化幅度為(σθ-σ0θ)/σ0θ。由圖8(a)可知,不同開挖階段中主應(yīng)力表現(xiàn)為負的增量,是土方開挖卸載導(dǎo)致的。由圖8(b)—(d)可知,隨著距坑邊距離增大,中主應(yīng)力值隨著基坑逐步開挖均表現(xiàn)為正的增量,且增幅逐漸變緩。當距坑邊12 m時,其增量基本可以忽略不計。
其中,基坑在開挖1工況下,由圖8(b)可知,距坑邊3 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為6%; 由圖8(c)可知,距坑邊8 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為1%,中主應(yīng)力變化幅度隨著基坑的距離增加逐漸減弱。因此,開挖1引起的拱效應(yīng)范圍為距坑邊3 m。
基坑在開挖2工況下,由圖8(b)可知,距坑邊3 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為19%; 由圖8(c)可知,距坑邊8 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為8%,中主應(yīng)力變化幅度隨著基坑距離的增加逐漸減弱。因此,開挖2引起的拱效應(yīng)范圍為距坑邊8 m。
基坑在開挖3工況下,由圖8(b)可知,距坑邊3 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為43%; 由圖8(c)可知,距坑邊8 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為31%;由圖8(d)可知,距坑邊12 m時中主應(yīng)力最大變化幅度為2.8%,中主應(yīng)力變化幅度隨著基坑距離的增加逐漸減弱。由于基坑網(wǎng)格劃分緣故,距離基坑越遠處網(wǎng)格劃分越大,因此,開挖3引起的拱效應(yīng)范圍為距坑邊12 m。
綜上所述,以應(yīng)力增幅10%為判別值,將對應(yīng)觀測面處的中主應(yīng)力影響范圍標識于圖7(b)—(d)中。在基坑逐步向下開挖過程中,由于表層土體性質(zhì)較差,初始應(yīng)力值?。?當基坑開挖深度不斷增大,中主應(yīng)力的變化幅度逐步減小。但是,在土層交界面處,由于不同地層側(cè)壓力系數(shù)不同,環(huán)向應(yīng)力曲線存在突變段。在接近圍護結(jié)構(gòu)底部位置處,環(huán)向擠壓效應(yīng)不明顯,也可說明現(xiàn)有圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度已滿足要求。
3.4.1 基坑直徑的影響
隨著地下工程的規(guī)模越來越大,基坑直徑逐漸變大。目前,最大的圓形基坑直徑為70.6 m[10],本工程中基坑直徑為22 m。為研究基坑直徑對圍護結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律的影響,本節(jié)選取基坑直徑為22、33、44、55、66、77 m進行分析。不同基坑直徑的樁體水平位移曲線如圖9所示。由圖可知: 當基坑直徑分別為22、33、44、55、66、77 m時,圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為4.15、7.12、10.51、14.41、18.39、22.25 mm。通過上述分析可知,在同樣的樁徑和樁距情況下,隨著基坑的直徑增大,頂端變形約束效應(yīng)減弱,變形增大,呈明顯非線性。隨著基坑直徑的增加,產(chǎn)生的“拱效應(yīng)”逐漸減弱。因此,在實際工程設(shè)計時應(yīng)注意基坑直徑對拱效應(yīng)的影響。
圖9 不同基坑直徑的樁體水平位移曲線圖Fig. 9 Pile horizontal displacement curves of different foundation pit diameters
3.4.2 排樁直徑的影響
本文中排樁直徑為0.8 m,為研究筒排樁直徑對圍護結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律的影響,本節(jié)選取排樁直徑為0.6、0.8、1.0 m進行分析。不同排樁直徑的樁體水平位移曲線如圖10所示。由圖可知,當基坑直徑為22 m、排樁直徑為0.6、0.8、1.0 m時,圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為10.58、4.15、2.59 mm。其中,排樁直徑為0.6 m時側(cè)移值較大,而排樁直徑為0.8 m和1.0 m時側(cè)移值相差不大。因此,應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟因素和變形控制要求選取基坑排樁直徑。
圖10 不同排樁直徑的樁體水平位移曲線圖Fig. 10 Horizontal displacement curves of piles with different pile diameters
為存放井筒式地下車庫的大型機電設(shè)備,通常需要在原有基坑基礎(chǔ)上進行土體的二次開挖,形成“坑中坑”,內(nèi)坑土體的開挖勢必會對基坑的穩(wěn)定造成影響。為研究井筒式坑中坑的破壞失穩(wěn)機制,基于強度折減法與有限元相結(jié)合的方法對基坑開展彈塑性分析[11]。
強度折減法是通過不斷折減土體的抗剪強度指標,將折減后的土體參數(shù)代入到有限元中進行試算,當計算結(jié)果與土體破壞準則一致時,此時的折減系數(shù)F稱為最小安全系數(shù)。隨著折減系數(shù)F的增加,土體的強度包線不斷與莫爾圓靠近。當兩者相切時,表明土體在安全系數(shù)F的條件下達到了極限平衡狀態(tài)。
式中:τ為抗剪強度;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;F為強度折減系數(shù);cm=C/F; tanφm=(tanφ)/F。
不同折減系數(shù)下基坑塑性應(yīng)變變化云圖如圖11所示。在圖11(a)中,當土體抗剪強度參數(shù)不進行折減(F=1.0)時,樁底角部以及樁身外側(cè)產(chǎn)生塑性區(qū),且塑性區(qū)面積較小,基坑處于穩(wěn)定狀態(tài);在圖11(b)中,樁底及樁身外側(cè)塑性區(qū)進一步擴大,樁身外側(cè)的塑性區(qū)逐漸向基坑頂部發(fā)展;在圖11(c)中,樁身外側(cè)塑性區(qū)與坑中坑土體塑性區(qū)連通,逐漸形成弧形滑動帶,此時折減系數(shù)F=2.0,隨后繼續(xù)折減,MIDAS/GTS會出現(xiàn)不收斂,同時剪切應(yīng)變塑性區(qū)貫通[12],表明此時基坑處于失穩(wěn)狀態(tài)。
(a) F=1
(b) F=1.4
(c) F=2.0
(d) 無內(nèi)坑F=2.3圖11 不同強度折減系數(shù)下基坑塑性應(yīng)變變化云圖Fig. 11 Nephograms of plastic strain variation of foundation pit under different strength reduction coefficients
采用強度折減法對未進行土體二次開挖的基坑進行穩(wěn)定性分析,由圖11(d)得出最大折減系數(shù)F=2.3,此時云圖顯示塑性區(qū)與基坑底部貫通形成圓弧樁,且基坑底部塑性區(qū)域為向上凸起形式。通過與圖11(c)對比可知,內(nèi)坑的存在使得折減系數(shù)大小有著明顯的區(qū)別,因此,在設(shè)計基坑內(nèi)部存在二次開挖的情況時,需要考慮內(nèi)坑對基坑整體的穩(wěn)定性。
為研究內(nèi)坑開挖深度h對基坑的影響規(guī)律,使基坑開挖深度、樁長和內(nèi)坑上下表面內(nèi)徑保持不變,改變內(nèi)坑開挖深度h對基坑塑性區(qū)發(fā)展情況進行分析,不對土體進行強度折減,即F=1。不同內(nèi)坑開挖深度下的基坑塑性應(yīng)變變化云圖如圖12所示。由圖可知,隨著內(nèi)坑開挖深度的增加,使得被動區(qū)土體抗力損失,樁體嵌固端向坑內(nèi)發(fā)生移動; 排樁剛度較大,基坑底部土體發(fā)生塑性變形。當內(nèi)坑開挖4.8 m時,樁身外側(cè)與內(nèi)坑底部土體塑性區(qū)達到連通狀態(tài),容易產(chǎn)生基坑傾覆破壞。
(a) h=2.4 m
(b) h=3.6 m
(c) h=4.8 m圖12 不同內(nèi)坑開挖深度下的基坑塑性應(yīng)變變化云圖Fig. 12 Nephograms of plastic strain variation of foundation pit under different excavation depth of inner pit
根據(jù)上述分析,內(nèi)坑開挖深度h為3.6 m時土體進入塑性區(qū)發(fā)展階段,此時坑中坑上平臺寬度a為1.54 m。因此,在此開挖工況下改變上平臺寬度a來分析基坑塑性發(fā)展情況。不同平臺寬度下的基坑等效塑性應(yīng)變云圖如圖13所示。由圖可知,當坑中坑上平臺寬度增加至2倍寬度時,樁底塑性區(qū)面積逐漸擴散,樁身外側(cè)土體塑性區(qū)無變化。對于上下內(nèi)徑不同的內(nèi)坑而言,由于內(nèi)坑存在邊坡,邊坡下部的土體較為穩(wěn)定,平臺寬度的改變對于對樁體的影響較小。
(a) a=1.54 m
(b) a=3.08 m圖13 不同平臺寬度下的基坑等效塑性應(yīng)變云圖Fig. 13 Nephograms of equivalent plastic strain variation of foundation pit under different platform width
本文以哈爾濱省委廣場井筒式智能停車場為工程背景,首先,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑的變形進行評述;其次,采用有限元軟件MIDAS/GTS建立井筒基坑三維模型,探討了井筒式基坑施工過程中的拱效應(yīng)演變規(guī)律,并對基坑直徑和圍護樁樁徑等主要影響參數(shù)進行分析;最后,基于強度折減法對基坑開展彈塑性分析,研究了二次開挖平臺寬度和深度對基坑穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下:
1)通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,井筒基坑由于空間“拱效應(yīng)”的存在,樁體水平位移最大為3.5 mm,最大沉降量為11.6 mm。其中,隨著基坑開挖深度的增加,“鼓肚”形狀逐漸下移。
2)圓形基坑的環(huán)向拱效應(yīng),可以采用土體的中主應(yīng)力矢量圖進行表達。隨著基坑開挖深度的逐步增大,其環(huán)向拱效應(yīng)作用的土體范圍也逐步擴大。
3)在對外坑支護結(jié)構(gòu)進行計算時,需考慮內(nèi)坑對外坑穩(wěn)定性的影響。內(nèi)外坑開挖深度之比為0.44時,需考慮內(nèi)坑對基坑整體安全系數(shù)的影響。對于上下直徑不同的內(nèi)坑,由于內(nèi)坑存在邊坡,邊坡下部的土體較為穩(wěn)定,平臺寬度的改變對樁體的影響較小。
通過有限元模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對井筒式基坑的變形及穩(wěn)定性進行了分析,但有關(guān)凍脹效應(yīng)對井筒式基坑的影響有待進一步深入研究。