周仰東,黃永基,陳武榮,倪瑋琳,張 榮,黎森宇
(1、廣州環(huán)投南沙環(huán)保能源有限公司 廣州 511400;2、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006)
隨著時(shí)代的高速發(fā)展,城市地下空間工程的應(yīng)用和發(fā)展得到一定的發(fā)展,隨之而來的是深基坑開挖的普遍應(yīng)用,但是深基坑開挖不同于其他巖土工程,深基坑開挖卸荷導(dǎo)致圍護(hù)體產(chǎn)生較大的變形,很容易對(duì)周邊環(huán)境造成影響[1-2],引起周圍土體位移,不免會(huì)對(duì)臨近建筑產(chǎn)生影響,且深基坑工程涉及的分析和計(jì)算復(fù)雜,包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體變形和基坑穩(wěn)定性等[3]。從已有研究可知深基坑開挖對(duì)于建筑物的影響的主要原因包括在基坑開挖施工過程中,土體應(yīng)力釋放而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、地層變形以及周邊土體地下水位下降而固結(jié)沉降等,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致鄰近建筑物的傾斜、開裂甚至破壞[4]。盡管隨著工程實(shí)踐的不斷發(fā)展,對(duì)深基坑開挖的工作性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題已展開了不同程度的研究,且取得了很多有價(jià)值的研究成果,如SON等人[5]由模型實(shí)驗(yàn)指出建筑物與基坑的相對(duì)位置關(guān)系決定建筑物的變形形式;劉國彬等人[6]用理論分析得出支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度是影響地層位移的關(guān)鍵因素;史春樂等人[7]運(yùn)用工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究指出有效的止水帷幕和降水措施是控制地基深基坑開挖工程對(duì)鄰近建筑物影響的關(guān)鍵;鄭剛等人[8]運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反映了建筑物的變形情況。然而以往大量的工程實(shí)例證明,其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和施工風(fēng)險(xiǎn)仍然十分巨大,特別是在沿江、沿海軟土地區(qū),由于其地質(zhì)環(huán)境極脆弱敏感,建設(shè)難度則會(huì)劇增[9]。華南濱海軟土地層相對(duì)復(fù)雜,通常是覆蓋20~30 m 厚的淤泥而其下直接下臥巖層,土層性質(zhì)具有顯著的地域特點(diǎn)[10]。
因此,在軟土地區(qū)開展深基坑開挖,對(duì)于軟土的處理必不可少。本文以廣州市某熱力電廠工程為項(xiàng)目依托,通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模擬,定量分析有無進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟土地基處理后,進(jìn)行深基坑開挖,對(duì)比其對(duì)臨近建筑物變形的影響。文中采用專業(yè)巖土工程有限元軟件Midas/GTS,對(duì)位于工程實(shí)際的深基坑開挖和臨近建筑的布置進(jìn)行數(shù)值模擬[11],通過工程資料確定有限元模型的計(jì)算參數(shù),根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可推斷出無進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟土地基處理過的效果,對(duì)比兩者的數(shù)值分析結(jié)果,得出進(jìn)行過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法技術(shù)處理過的軟土地基再進(jìn)行深基坑開挖會(huì)對(duì)臨近建筑物的變形是否有改善效果。在此基礎(chǔ)上將部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[12],進(jìn)而驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的合理性。有限元數(shù)值模擬計(jì)算中,臨近建筑物樁基礎(chǔ)、框架以及其他彈性材料均采用線彈性本構(gòu)模型,巖土體采用彈塑性莫爾-庫倫本構(gòu)模型。
廣州市某熱力電廠工程及配套設(shè)施位于廣州市南沙區(qū),北臨東新高速,東靠上橫瀝河道,西鄰十一頃涌,南靠中船中路。擬在一期工程廠址的西南側(cè),建設(shè)垃圾焚燒池及滲瀝液池,距離為15 m,在處理場(chǎng)地之前,為了阻隔處理場(chǎng)地對(duì)已建建筑物的影響,在處理區(qū)邊緣,即基坑和已建建筑物中間用SMW 工法設(shè)置了一道隔離墻。其中一期工程已建成完工,處于運(yùn)營階段,其工程主廠區(qū)采用灌注樁基礎(chǔ),樁長(zhǎng)約45 m,樁徑0.8 m。根據(jù)工程二期場(chǎng)地地基預(yù)處理后交工面標(biāo)高及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn),擬建垃圾池及滲瀝液基坑,其中垃圾池及滲瀝液池結(jié)構(gòu)底板長(zhǎng)寬為133.6 m×41.8 m,開挖深度8.3~12.8 m,基坑采用灌注樁+內(nèi)支撐、水泥土重力式擋土墻、坑內(nèi)士體加固的支護(hù)方式,灌注樁設(shè)置為φ800@1 000 mm,灌注樁后側(cè)設(shè)置兩排,φ650@450 mm攪拌樁止水帷幕進(jìn)行止水,樁長(zhǎng)20 m,坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)采用雙軸水泥土攪拌樁工藝進(jìn)行加固,攪拌樁樁徑700@500 mm,厚度為8 m。設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。
圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置Fig.1 Layout Plan of Foundation Pit Support Structure (mm)
項(xiàng)目的地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,存在30 m厚的軟土地層,所以基坑開挖前需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行預(yù)處理。軟土地基處理采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理工藝,其中處理場(chǎng)地平均堆載厚度4.5 m,真空度不小于85 kPa。在基坑開挖之前,已完成二期工程的場(chǎng)地預(yù)處理。場(chǎng)地經(jīng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理前后的軟弱土層物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。
表1 場(chǎng)地經(jīng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理前后的軟弱土層物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of Physical and Mechanical Indexes of Soft Soil Layer before and after Vacuum Combined Surcharge Preloading Treatment
項(xiàng)目的地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,自上而下的地層劃分為0.5~4.3 m 人工填土層、0.5~1.3 m 耕植土層、14.20~26.70 m 淤泥層、3.70~18.20 m 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、0.50~3.00 m卵石層、1.20~1.30 m中粗砂層、0.70~6.60 m砂質(zhì)黏性土層,基巖為花崗巖,地層分布不均。
場(chǎng)地地下水按含水介質(zhì)類型(含水層的空隙性質(zhì))不同可分為上層滯水、松散巖類孔隙水和深部塊狀巖類裂隙水。場(chǎng)地內(nèi)淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和砂質(zhì)粘性土為相對(duì)隔水層。
為了模擬深基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響,根據(jù)工程實(shí)際,建立了如圖2 的整體三維有限元模型。參照實(shí)際工程中基坑的大小及形狀建立基坑模型,其中支護(hù)樁根據(jù)抗彎剛度相等的原則等效為連續(xù)墻,等效連續(xù)墻寬度為0.622 m??紤]到已建建筑物的形狀及大小,以及研究的側(cè)重點(diǎn),為了優(yōu)化幾何模型,對(duì)已建建筑物適當(dāng)簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)建筑,其中承臺(tái)埋深0.5 m,樁長(zhǎng)45 m,直徑為800 mm,樁端的持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。同時(shí)根據(jù)工程實(shí)際,已建的SMW 工法隔離墻設(shè)置在基坑與建筑物中間,如圖2 所示,設(shè)置深度為30 m。模型自上而下各土層依次為耕土、淤泥、淤泥粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,各層厚度依次為3.5 m、12.6 m、17.5 m、4.0 m 和22.4 m。從基坑和已建建筑物的位置分布,可以預(yù)見,在進(jìn)行場(chǎng)地處理后,再進(jìn)行基坑開挖會(huì)對(duì)鄰近建筑物的影響有所變化。為此,三維有限元數(shù)值模擬分別分析是否處理場(chǎng)地后再進(jìn)行基坑開挖,對(duì)臨近建筑物的影響。
圖2 Midas/GTS有限元模型Fig.2 Midas/GTS Finite Element Model
該模型建立的基本假定主要如下:①巖土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型,支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和鄰近建筑物本構(gòu)模型采用線性彈性模型,有限元模型中各種材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示;②假定各土層都為成層均質(zhì)水平分布;③不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響;④不考慮時(shí)間因素。
表2 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and Mechanical Parameters of Materials in the Finite Element Model
在未對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理與對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行過處理后,進(jìn)行基坑開挖,支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的模擬結(jié)果如圖3所示??梢钥闯?,在未進(jìn)行場(chǎng)地處理后進(jìn)行基坑開挖,基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大的水平位移為38 mm,發(fā)生在距離基坑頂部20 m 處;相比之下,在進(jìn)行場(chǎng)地處理后再進(jìn)行基坑開挖,基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為23 mm,同樣發(fā)生在距離基坑頂部20 m處。
圖3 有無場(chǎng)地處理后進(jìn)行基坑開挖對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的擬結(jié)果Fig.3 Simulation Results of the Impact of Foundation Pit Excavation on Foundation Pit Support Structure with or without Site Treatment
根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到基坑某關(guān)鍵斷面的各點(diǎn)的水平位移,可繪制出關(guān)鍵斷面水平位移隨深度變化的規(guī)律圖,最大水平位移斷面規(guī)律變化如圖4?所示。由于本文研究基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響,因此關(guān)鍵斷面也會(huì)選取靠近建筑物方向的基坑斷面,由于有SMW 工法阻隔墻和建筑物的嵌巖樁的支擋作用,使得靠建筑物側(cè)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移有所減小,經(jīng)過場(chǎng)地處理后的水平位移值會(huì)更小,其最大水平位移分別為24 mm 和16 mm,同樣發(fā)生在距離基坑頂部20 m 處,其規(guī)律變化如圖4?所示。
圖4 基坑關(guān)鍵斷面水平位移模擬值Fig.4 Simulation Value of Horizontal Displacement of Key Section of Foundation Pit
由上述分析可得,無論在非靠建筑物側(cè)還是靠建筑物側(cè),基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移效果都得到一定的改善,處理后相比未處理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移分別減少了39.4%和33.3%,可以看出經(jīng)過場(chǎng)地處理后,再進(jìn)行基坑開挖,對(duì)改善基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移效果明顯。
在未對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理與對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行過處理后,進(jìn)行基坑開挖,基坑周邊環(huán)境的豎向位移的模擬結(jié)果如圖5所示。
圖5 有無進(jìn)行場(chǎng)地處理后基坑開挖對(duì)基坑周邊環(huán)境豎向位移影響的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation Results of the Impact of Foundation Pit Excavation on the Vertical Displacement of the Surrounding Environment of the Foundation Pit after Site Treatment
由圖5可知,在未進(jìn)行場(chǎng)地處理后進(jìn)行基坑開挖,基坑的周邊環(huán)境最大的沉降為27 mm,發(fā)生在非靠近建筑物側(cè)距離基坑邊17 m左右處,基坑最大的隆起值為51 mm,發(fā)生在基坑中部;相比之下,在進(jìn)行場(chǎng)地處理后再進(jìn)行基坑開挖,基坑的周邊環(huán)境最大的沉降為13 mm,同樣也是發(fā)生在非靠近建筑物側(cè)距離基坑邊17 m 左右處,基坑最大的隆起值為33 mm,發(fā)生在基坑中部。
根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可得到相關(guān)有代表性的節(jié)點(diǎn)的具體沉降值,繪制出基坑非靠近建筑物側(cè)地表沉降值隨距基坑邊的距離的規(guī)律變化圖,如圖6?所示。
同理也可根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制出基坑靠近建筑物側(cè)沉降量與距基坑邊距離的規(guī)律變化圖,如圖6?所示。由于有SMW 工法阻隔墻和建筑物的嵌巖樁的支擋作用,使得靠建筑物側(cè)的基坑周邊地表沉降也會(huì)有所減小,其最大沉降值分別為10 mm 和6 mm,經(jīng)過場(chǎng)地處理后的沉降量會(huì)更小,均發(fā)生在離基坑邊55 m左右處。由于有建筑物的嵌巖樁的支護(hù)作用,使其表現(xiàn)出與非建筑物側(cè)地表不一樣的沉降規(guī)律,在距離基坑邊15~36 m 處是建筑物的位置,在這一段位置如圖7 表示,這里幾乎呈現(xiàn)一條直線,由于SMW 工法阻隔墻及建筑物的嵌巖樁的支護(hù)作用,使得建筑物整體表面不太受地表沉降的影響,導(dǎo)致最大沉降點(diǎn)的位置是比基坑離建筑物更要遠(yuǎn)的55 m處。
圖6 基坑非靠近建筑物側(cè)地表沉降模擬值Fig.6 Simulation Value of Ground Settlement of Foundation Pit Not Close to Buildings
由上述分析可得,無論在非靠建筑物側(cè)還是靠建筑物側(cè),基坑的周邊地表的沉降效果都得到一定的改善,處理后相比未處理進(jìn)行基坑開挖的基坑周邊地表最大沉降量分別減少了51.8%和40%。
在未對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理與對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行過處理后,進(jìn)行基坑開挖,鄰近建筑物樁的豎向與水平位移的模擬結(jié)果如圖7所示。
圖7 有無場(chǎng)地處理后進(jìn)行基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的樁影響的模擬結(jié)果Fig.7 Simulation Results of the Impact of Foundation Pit Excavation on Piles of Adjacent Buildings with or without Site Treatment
從圖7 可以看出,在未進(jìn)行場(chǎng)地處理后進(jìn)行基坑開挖,鄰近建筑物樁最大的豎向位移為-3.43 mm,同時(shí)建筑物的整體沉降也被控制在-3 mm 附近,最大的水平位移為16 mm,發(fā)生在距離樁頂以下13.5 m 處,即地面以下15 m 處;相比之下,在進(jìn)行場(chǎng)地處理后再進(jìn)行基坑開挖,鄰近建筑物樁最大的豎向位移為-3.41 mm,同時(shí)建筑物的整體沉降也被控制在-3 mm附近,最大的水平位移為12 mm,發(fā)生在距離樁頂以下12.5 m處,即地面以下14 m處。
根據(jù)數(shù)值模擬模型中樁上的節(jié)點(diǎn),可繪制出樁的水平位移隨深度變化的規(guī)律圖,其中選取發(fā)生了最大水平變形的樁的節(jié)點(diǎn)作規(guī)律變化圖,如圖8所示。
圖8 鄰近建筑物樁的水平位移模擬值Fig.8 Simulated Horizontal Displacement of Piles in Adjacent Buildings
由上述分析可得,對(duì)于建筑物樁的豎向位移分析,無論是否進(jìn)行過場(chǎng)地處理后再對(duì)基坑開挖,鄰近建筑物的樁的豎向位移都能保持在-3 mm 左右,兩者區(qū)別并不大,并且對(duì)建筑物整體分析,建筑物的沉降也大致在3 mm 左右,由此可說明進(jìn)行場(chǎng)地處理后對(duì)基坑開挖,對(duì)建筑物的沉降的改善效果并不明顯,這是由于建筑物樁嵌巖的效果所導(dǎo)致的,因?yàn)樘幚韴?chǎng)地后,強(qiáng)風(fēng)化地層并沒有得到改善,所以處理場(chǎng)地后嵌巖樁的豎向位移或建筑物的沉降并沒有大的改善效果。不過對(duì)建筑物樁的水平位移分析,對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理則有不錯(cuò)效果,建筑物樁的水平位移得到一定的改善,處理后相比未處理進(jìn)行基坑開挖的建筑物樁的最大水平位移減少了25%??梢钥闯鼋?jīng)過場(chǎng)地處理后,再進(jìn)行基坑開挖,對(duì)鄰近建筑物樁的豎向位移即建筑物的沉降的改善效果并不明顯,但是,對(duì)鄰近建筑物樁的水平位移即建筑物的側(cè)向位移改善效果明顯。
根據(jù)上述分析,廣州市某熱力電廠工程項(xiàng)目在實(shí)際施工時(shí),進(jìn)行了場(chǎng)地處理后再對(duì)基坑開挖,項(xiàng)目對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移(測(cè)點(diǎn)CX)、鄰近建筑物的沉降(測(cè)點(diǎn)JZ)以及周邊地表沉降(測(cè)點(diǎn)D)作了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)?;泳唧w的監(jiān)測(cè)方案如圖9所示。
圖9 基坑監(jiān)測(cè)平面布置Fig.9 Layout Plan of Foundation Pit Monitoring
基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX3 點(diǎn),所測(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移,對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果的靠建筑物側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生最大水平位移的斷面處,數(shù)值模擬結(jié)果最大水平位移為15 mm,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大水平位移為12 mm;基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)JZ,所測(cè)為建筑物的最大的沉降值為3.84 mm,發(fā)生在測(cè)點(diǎn)JZ7,對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果該點(diǎn)的沉降值為3.16 mm;基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)D,所測(cè)基坑周邊地表沉降最大值為為8.59 mm,發(fā)生在測(cè)點(diǎn)D23,對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果該點(diǎn)沉降值為11.81 mm。對(duì)比數(shù)值結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。
表3 計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison between Calculated Results and Measured Results
由上述分析可知,盡管模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有較大的差別,總體而言數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)相比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)會(huì)有所偏大,但是相關(guān)變化規(guī)律是符合的,其中原因可能是莫爾-庫倫本構(gòu)模型卸載和加載模量采用同一模量,為了得到合理的隆起值和合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移,會(huì)對(duì)彈模作出適當(dāng)調(diào)整,但由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有給出實(shí)際坑底隆起的值,為了得到合理的坑底隆起值,可能會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移偏大,導(dǎo)致“鼓肚子”現(xiàn)象加劇,導(dǎo)致周邊地表沉降也會(huì)有所偏大。但是總體而言,模型的變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律方面保持著良好的一致性,同時(shí)目前項(xiàng)目已經(jīng)完工,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果良好,對(duì)鄰近的建筑物的變形影響也在可控范圍,因此,本文的研究成果可為深層軟土地區(qū)其他類似工程提供參考。
廣州市某熱力電廠工程項(xiàng)目基坑支護(hù)工程地質(zhì)條件差,地下水豐富,基坑開挖深度大,且基坑離臨近建筑物的距離只有15 m,對(duì)基坑的位移控制,尤其是基坑周邊環(huán)境的位移控制提出較高的要求,本文通過研究是否對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后,在進(jìn)行基坑開挖,比較未處理前和處理后進(jìn)行基坑開挖對(duì)自身以及周邊環(huán)境的效果,得到主要結(jié)論如下:
⑴相比場(chǎng)地未處理,處理場(chǎng)地后進(jìn)行基坑開挖,無論在非靠建筑物側(cè)還是靠建筑物側(cè),基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、基坑周邊地表沉降量及坑底隆起量均有明顯的減少。
⑵相比場(chǎng)地未處理,處理場(chǎng)地后進(jìn)行基坑開挖,由于鄰近建筑物樁嵌巖作用,使得對(duì)改善鄰近建筑物樁的豎向位移即建筑物的沉降效果并不明顯,但是,對(duì)減少鄰近建筑物樁的水平位移即建筑物的側(cè)向位移效果明顯。
⑶雖然數(shù)值模擬結(jié)果變化規(guī)律大致符合工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),但數(shù)值模擬的結(jié)果準(zhǔn)確性不夠,需要進(jìn)一步考慮模型的計(jì)算參數(shù),使得結(jié)果更為合理。其中原因可能是莫爾-庫倫本構(gòu)模型卸載和加載模量采用同一模量,為了得到合理的隆起值和合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移,會(huì)對(duì)彈模作出適當(dāng)調(diào)整,但由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有給出實(shí)際坑底隆起的值,為了得到合理的坑底隆起值,可能會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移偏大和周邊地表沉降也會(huì)有所偏大,導(dǎo)致“鼓肚子”現(xiàn)象加劇。