俞 榮，呂紫君，張安琪

(1.南京振高建設(shè)有限公司，南京 211300； 2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210006)

1 概 述

地下連續(xù)墻是保持深基坑開挖穩(wěn)定性的重要技術(shù)之一，在地下連續(xù)墻澆筑與基坑開挖過(guò)程中，如何確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是巖土工程界十分關(guān)注的問題[1-2]。在施工中做好動(dòng)態(tài)的監(jiān)控量測(cè)工作，是保障維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、降低工程風(fēng)險(xiǎn)的有效方式，同時(shí)采用數(shù)值模擬方法作為變形預(yù)測(cè)研究也具有重要意義。

為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。Gordon等[3]研究認(rèn)為，使用常規(guī)的土體模型在軟土地質(zhì)環(huán)境下研究地鐵基坑周邊地表沉降以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移會(huì)存在較大的誤差，提出了新的簡(jiǎn)化半經(jīng)驗(yàn)軟土模型。LoKY[4]通過(guò)二維有限元模型，對(duì)多倫多市某地鐵工程的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了模擬。Zdravkovic等[5-6]研究認(rèn)為，有限差分法和三維有限元模擬法較二維有限元模擬法更可靠。江軼華[7]等基于小應(yīng)變硬化土(Hardening soil small strain)模型，采用在單元表面施加荷載邊界條件的方法模擬泥漿護(hù)壁，建立三維數(shù)值模型，模擬地下連續(xù)墻施工過(guò)程。王進(jìn)等[8]基于布里淵光頻域分析(BOFDA)技術(shù),進(jìn)行地下連續(xù)墻變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法與技術(shù)研究, 給出依據(jù)分布式光纖監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)換算地下連續(xù)墻變形的計(jì)算方法。余平等[9]采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)方式，采取詳細(xì)的基坑監(jiān)測(cè)方案。此外，還有學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)基坑變形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析[10-12]。

本文以南京市區(qū)某基坑項(xiàng)目為例，通過(guò)測(cè)斜儀分析開挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的變形趨勢(shì)，采用數(shù)值軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，對(duì)比分析莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)(M-C)模型和硬化土體模型(HS)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的差異，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

本次分析的基坑開挖區(qū)域位于南京市區(qū)，距離街道約30 m,最近的建筑物在20 m以內(nèi)。由于地下水位較高，根據(jù)工程勘察報(bào)告，建議基坑開挖時(shí)采用厚60 cm的地下連續(xù)墻技術(shù)。在項(xiàng)目實(shí)施期間，這些地下連續(xù)墻構(gòu)成了開挖的擋土結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)計(jì)文件使用墻體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算。由圖1的巖土工程勘察結(jié)果表明，在基坑開挖處，土層的頂層(1 m)由人工填土組成，下一層是有機(jī)粉土(約5.1 m，分為兩個(gè)亞層(厚3.3和1.8 m))，強(qiáng)度和剛度參數(shù)略有不同)，第三層是砂礫石(約7.3 m)，而墻底部存在黏土層。開挖是分期施工進(jìn)行的，并在地下連續(xù)墻和鋼筋混凝土蓋梁完工后開始。

施工時(shí)，建造了厚度60 cm、深度16 m的地下連續(xù)墻，安裝了臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，并使用CFA樁為塔式起重機(jī)的深基礎(chǔ)架設(shè)了臨時(shí)柱，使建筑的其他部分能夠按照既定的工作計(jì)劃在干燥和安全的開挖范圍內(nèi)施工。最終開挖深度約為10.5 m，地下水位在地形標(biāo)高以下約3 m處。在施工的第一階段，在地下連續(xù)墻內(nèi)進(jìn)行挖掘。地下連續(xù)墻作為一個(gè)擋土結(jié)構(gòu)一直延伸至停車場(chǎng)的一樓，在樓板完工并安裝臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)后，采用自上而下的方法進(jìn)行開挖。在開挖期間，對(duì)地下連續(xù)墻進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，并通過(guò)測(cè)量安裝在墻體內(nèi)的測(cè)斜儀套管來(lái)監(jiān)測(cè)其變形。工程完工后，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的實(shí)測(cè)位移低于設(shè)計(jì)階段的估計(jì)值，這表明與深基坑相關(guān)的整個(gè)過(guò)程所采用的假設(shè)是正確的，并且工程計(jì)劃得到正確執(zhí)行。

圖1 基坑開挖橫截參數(shù)及施工步驟

3 基坑變形監(jiān)測(cè)

測(cè)斜測(cè)量的目的是在涉及地下三層地下連續(xù)墻內(nèi)部開挖的施工期間，確定地下連續(xù)墻的變形程度。隨著基坑工程的開展，地下連續(xù)墻逐漸承擔(dān)由地壓引起的荷載，從而導(dǎo)致其發(fā)生位移和變形，這些變化通過(guò)觀察安裝在墻體內(nèi)的測(cè)斜儀套管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本次使用傾斜儀測(cè)量每個(gè)套管中探頭的兩個(gè)位置，以便能夠計(jì)算測(cè)斜儀偏差和測(cè)量誤差不超過(guò)0.8 mm。每個(gè)套管的測(cè)量方向A+是朝向開挖的方向，方向B+是沿著監(jiān)測(cè)墻的方向。將測(cè)斜儀套管安裝在地下連續(xù)墻面板內(nèi)，深度為地面以下15 m，位于預(yù)計(jì)變形最大的位置。外殼的布置和數(shù)量見圖2。傾斜監(jiān)測(cè)測(cè)量計(jì)劃在施工的每個(gè)階段結(jié)束時(shí)進(jìn)行，第一次在地下第一層開挖完成后進(jìn)行，第二次在第二層開挖完成后進(jìn)行，第三次在開挖至最終深度后進(jìn)行。

圖2 測(cè)斜儀的布置及數(shù)量

圖3為不同施工步驟下地下連續(xù)墻累積位移。

圖3 不同施工步驟下地下連續(xù)墻累積位移

由圖3可知，在基坑未開挖時(shí)，地連墻未發(fā)生位移變形，保持穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谝淮伍_挖后，整個(gè)地基深度內(nèi)出現(xiàn)明顯的位移，在底部14 m處，向右傾斜4 mm，在高程0 m處累計(jì)位移最大為8.1 mm；當(dāng)?shù)诙伍_挖后，底部14 m處累計(jì)位移增大至8.1 mm，而最大累計(jì)位移發(fā)生位置轉(zhuǎn)移至地基中部，達(dá)到11 mm；最后，當(dāng)?shù)鼗_挖至底部時(shí)，地下連續(xù)墻整體累積位移最大，其中在地基底部14 m處，地連墻整體累積位移為17 mm，最大位移在地基深度9 m處，達(dá)到21 mm。

4 數(shù)值模型建立

本文使用Plaxis 2D軟件對(duì)擋土系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。平面應(yīng)變有限元數(shù)值模型包括3個(gè)施工階段，其中包括3個(gè)開挖步驟，每步開挖深度與施工時(shí)的開挖深度保持一致，還包括安裝兩個(gè)支柱的分析階段。計(jì)算中，采用重力荷載來(lái)確定底土的初始應(yīng)力。土體采用兩種本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算：一種為具有小應(yīng)變剛度的硬化土體模型(HS)進(jìn)行建模；一種為莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。對(duì)于混凝土和鋼構(gòu)件，采用彈性模型。與彈性模型相比，使用硬化土(HS)的優(yōu)勢(shì)在于控制剛度參數(shù)，包括切線固結(jié)儀模量、割線三軸模量E50、卸載-再加載模量。圖4為本次建立的數(shù)值模型。數(shù)值計(jì)算參數(shù)見表1。

圖4 數(shù)值模型

表1 巖土計(jì)算參數(shù)

5 監(jiān)測(cè)與數(shù)值結(jié)果分析

圖5、圖6分別為莫爾-庫(kù)侖模型本構(gòu)和硬化土本構(gòu)下，地基開挖引起地連墻位移變化規(guī)律。

圖5 莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)下地連墻位移變化

圖6 HS本構(gòu)下地連墻位移變化

由圖5可知，對(duì)于莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)(M-C)模型，數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有明顯的差異。當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束時(shí)，二者地墻頂部和底部的位移相差不大，但M-C模型地墻中部的位移不到1 mm，而實(shí)測(cè)值為4 mm左右；當(dāng)?shù)诙伍_挖結(jié)束后，二者除地墻底部的位移相差不大以外，其余部分有明顯差異，在地墻中部二者最大位移相差5 mm以上；當(dāng)開挖結(jié)束后，數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值相差最大，達(dá)到10 mm左右。因此，使用莫爾-庫(kù)侖模型計(jì)算的結(jié)果會(huì)高估墻體的水平位移。

從圖6中可知，對(duì)于HS模型同樣可以看到二者的巨大差異，且隨著開挖步驟的深入，差異越明顯。當(dāng)?shù)谝淮伍_挖結(jié)束后，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)的地墻最大位移之差為5 mm；第二次開挖結(jié)束后，最大位移之差達(dá)到8 mm；當(dāng)開挖結(jié)束后，二者的最大位移之差達(dá)到18 mm。由圖6可知，墻的數(shù)值計(jì)算位移和實(shí)際測(cè)量位移之間有強(qiáng)相關(guān)性，因?yàn)槎叩淖兓厔?shì)十分相似。HS模型傾向于低估墻體底部的水平運(yùn)動(dòng)，這種差異的主要來(lái)源是巖土工程勘察的可靠性不高。因此，對(duì)于復(fù)雜問題(如深基坑)，數(shù)值模擬方法建議采用硬化土體模型(HS)進(jìn)行建模，可以用來(lái)作為基坑開挖地連墻的初步變形趨勢(shì)判斷。而對(duì)于土壤參數(shù)的初步估計(jì)，建議采用更復(fù)雜的方法(例如三軸試驗(yàn))，以便更好地估計(jì)土壤參數(shù)，以此來(lái)提高計(jì)算位移和測(cè)量位移之間的相關(guān)性。因此，不建議使用莫爾-庫(kù)侖模型估算墻體位移，即使巖土參數(shù)的可靠度不是很高，使用硬化土模型也可以獲得與監(jiān)測(cè)結(jié)果更為一致的結(jié)果。

6 結(jié) 論

本文以南京市區(qū)某基坑項(xiàng)目為例，通過(guò)測(cè)斜儀分析了開挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的變形趨勢(shì)，采用數(shù)值軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，對(duì)比分析了莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)(M-C)模型和硬化土體模型(HS)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的差異。研究成果表明，M-C模型會(huì)高估地連墻體底部的水平運(yùn)動(dòng)，而HS模型會(huì)低估地墻底部位移，這種差異的主要來(lái)源是巖土工程勘察的可靠性不高。因此，對(duì)于復(fù)雜問題(如深基坑)，數(shù)值模擬方法建議采用硬化土體模型(HS)進(jìn)行建模，可以用來(lái)作為基坑開挖地連墻的初步變形趨勢(shì)判斷。而對(duì)于土壤參數(shù)的初步估計(jì)，建議采用更復(fù)雜的方法(例如三軸試驗(yàn))，以便更好地估計(jì)土壤參數(shù)，以便提高計(jì)算位移和測(cè)量位移之間的相關(guān)性。