李 程, 賈戰(zhàn)磊, 徐成皓

(1.江蘇省巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212021; 2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

地下空間的開發(fā)利用是拓展城市空間、解決城市土地資源緊張的最有效途徑[1]。隨著城市地下空間開發(fā)的不斷深入,深基坑工程設(shè)計(jì)時難免面臨復(fù)雜的地域條件、不良的地質(zhì)條件和不規(guī)則的地下結(jié)構(gòu)等難題[2]。尤其是沿海城市,其地質(zhì)條件較差,地下水豐富,軟土層深厚,若基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,在開挖施工及運(yùn)營期間,極易發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、基坑坍塌和地表沉降等災(zāi)害,給基坑施工質(zhì)量和安全帶來了隱患[3-6]。因此對深基坑開挖施工中的變形規(guī)律進(jìn)行研究具有重要意義。

目前,針對軟土地區(qū)深基坑支護(hù),主要通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬以及二者結(jié)合的方法進(jìn)行研究。王衛(wèi)東等[7]對上海國際金融中心重大項(xiàng)目基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究了順逆作法交叉施工下基坑的變形特性。顧禎雪等[8]通過對深基坑現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究了地連墻的變形規(guī)律。劉杰等[9]以天津市某深基坑工程實(shí)例為研究對象,通過FLAC3D分析了樁錨混合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。趙凌云等[10]以某沿海深基坑為例,介紹了分級卸荷、重力擋墻和樁錨組合的開敞式基坑支護(hù)型式,并結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和錨桿力的變化規(guī)律。吳瑞拓等[11]基于HSS模型,結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),探討了地下連續(xù)墻的側(cè)移和坑外地表沉降的空間效應(yīng)。于至海等[12]依托軟土區(qū)深基坑工程,通過FLAC3D研究了被動區(qū)超前加固的變形控制效果。郁志偉等[13]以上海某深基坑為背景,通過數(shù)值模擬探討了不同規(guī)格的地下連續(xù)墻變形特征。陳曉鵬等[14]通過對比數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,分析了紹興市地鐵一號線深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的位移變化。

以上是諸多學(xué)者對常規(guī)深基坑的變形規(guī)律研究,但對于階梯式深基坑的變形特性少有研究。因此,以鎮(zhèn)江市某基坑工程為例,通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,并將監(jiān)測結(jié)果與Midas GTS數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

1.1 場地概況

基坑位于鎮(zhèn)江丹陽市新民路南側(cè),擬建項(xiàng)目由5幢9、10層住宅樓、2幢6層住宅樓和3幢3、4層商業(yè)樓組成,下設(shè)1座2層大底盤地下室。建筑總用地面積約22 677 m2,地上建筑面積約45 355 m2,地下建筑面積34 531 m2,總建筑面積79 886 m2,底板設(shè)計(jì)底標(biāo)高-2.2 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

場地位于丹陽市城區(qū)內(nèi),場地地貌為太湖水網(wǎng)平原區(qū),地貌單元為水網(wǎng)平原。場地現(xiàn)為露天停車場。地面高程6.16～8.33 m,相對高差約2.0 m,地形較平坦。場地從上至下巖土層依次為:①層素填土、②層粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑤層粉質(zhì)黏土、⑥層粉質(zhì)黏土夾粉土和⑥-1層粉質(zhì)黏土。

勘察期間,測得孔隙潛水初見水位埋深0.91～2.25 m,穩(wěn)定水位埋深0.82～2.15 m。水位為5.90～6.18 m。水位受季節(jié)性變化及附近河水位影響較大,年變化幅度一般在1.2 m左右。場地內(nèi)3～5 a及歷史最高地下水位可按整平后室外地坪下埋深0.5 m考慮。

1.3 工程特點(diǎn)

開挖深度范圍內(nèi)①層填土松軟、透水,②層粉土及③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土開挖后易滲水,引起坑壁坍塌,并且③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土和④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為軟土,流塑狀態(tài),強(qiáng)度低、壓縮性高,抗剪強(qiáng)度低,具觸變性,滲透性較小,中靈敏性,基坑開挖后易發(fā)生局部崩塌或整體滑移破壞等不良地質(zhì)現(xiàn)象。另一方面,地下室形狀不規(guī)則,在2層地下室的南側(cè)存在逆錯層,基坑開挖時會形成階梯式深基坑,基坑開挖深度為6.2～10.0 m。因此,在進(jìn)行基坑開挖時應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)措施,確?；邮┕ぐ踩?。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及監(jiān)測

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案

施工場地工程地質(zhì)條件特殊,填土層和淤泥質(zhì)土層天然狀態(tài)強(qiáng)度較低,基坑開挖后容易在該層發(fā)生坍塌。基坑周邊均為老舊居民樓,距離基坑較近,基坑開挖對其穩(wěn)定性有較大影響,故圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格控制變形。結(jié)合地質(zhì)條件和周邊環(huán)境情況,本著安全、經(jīng)濟(jì)的原則,基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體采用控制變形較好的鉆孔灌注樁支護(hù),灌注樁直徑為900 mm,基坑內(nèi)部設(shè)置2道700 mm×700 mm的鋼筋混凝土支撐,圍護(hù)樁外部設(shè)置三軸深層攪拌樁止水帷幕。支護(hù)體系具體如下:基坑北側(cè)、東側(cè)及西側(cè)范圍,上部放坡處理,下部采用直徑為900 mm的鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐;基坑南側(cè)為逆錯層,采用階梯式支護(hù),即階梯上部采用鉆孔灌注樁支護(hù),下部采用水泥土墻+復(fù)合土釘墻,形成組合支護(hù)結(jié)構(gòu),如圖1所示。

2.2 監(jiān)測方案

為了確?；庸こ獭⒅苓吔ㄖ锛暗叵鹿芫€的正常運(yùn)行,對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑物及管線進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括支護(hù)樁的深層水平位移、支護(hù)樁頂水平位移與豎向位移、支撐軸力等項(xiàng)目,具體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。監(jiān)測項(xiàng)目的控制要求為:支護(hù)樁的水平位移報警值為35 mm,水平位移變化速率≥2 mm/d時報警,支護(hù)樁豎向位移報警值為15 mm,豎向位移變化速率≥2 mm/d時報警;建筑物位移報警值為20 mm,變化速率≥2 mm/d,整體傾斜度累計(jì)值達(dá)到2/1 000時報警;基坑深層水平位移絕對累計(jì)值為45 mm,變化速率≥2 mm/d時報警。

圖2 基坑監(jiān)測點(diǎn)布置平面圖

圖3 支護(hù)樁頂水平位移隨施工時間的變化關(guān)系

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1 支護(hù)樁頂水平位移分析

隨著基坑內(nèi)部土方的逐步開挖,坑內(nèi)土壓力逐漸減小,在支護(hù)樁后的土壓力作用下,支護(hù)樁發(fā)生側(cè)向位移,其值的變化可直接反映基坑的變形情況,因此,支護(hù)樁頂?shù)乃轿灰剖侵笇?dǎo)基坑工程施工以及衡量基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全的關(guān)鍵指標(biāo)。選取典型監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選取監(jiān)測點(diǎn)為ZQC2、ZQC8、ZQC13、ZQC16、ZQC21、ZQC25、ZQC31和ZQC34的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析支護(hù)樁頂水平位移隨施工時間的變化趨勢,如圖3所示。

由圖3可知,不同支護(hù)樁頂?shù)乃轿灰谱兓厔莼疽恢?都是先增大,最終趨于平穩(wěn),從土方開挖到基坑回填整個過程中支護(hù)樁頂?shù)睦塾?jì)水平位移值為33.4 mm,滿足監(jiān)測要求。在前期支護(hù)樁頂?shù)乃轿灰谱兓^小,這是由于土方開挖深度較淺,作用在樁外側(cè)的土壓力較小。隨著開挖深度逐漸增加,作用在樁體的土壓力急劇增大,樁體產(chǎn)生較大位移,變形速率也明顯增加。然而,在第2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐施工之后,與第1道鋼筋混凝土內(nèi)支撐以及支護(hù)樁形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu),水平位移得到了有效控制,隨著開挖深度增加,其變化速率逐漸減小。同時,可以觀察到施工時間超過120 d時,支護(hù)樁頂水平位移顯著增大,這是因?yàn)椴鸪?道鋼筋混凝土內(nèi)支撐之后,支護(hù)樁受到的支撐作用削弱。

另外,通過觀察圖3可以發(fā)現(xiàn),監(jiān)測點(diǎn)ZQC21、ZQC25、ZQC31的水平位移值明顯小于其他監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)值,這是由于基坑南側(cè)采用了階梯式支護(hù),階梯下部的水泥土墻和復(fù)合土釘墻加固了支護(hù)樁內(nèi)側(cè)被動區(qū),削弱了支護(hù)樁內(nèi)側(cè)的坑底隆起。并且,可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)ZQC16的變形明顯小于點(diǎn)ZQC13,說明同一支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下基坑長邊的變形大于短邊的變形,即具有長邊效應(yīng)。

圖4 支護(hù)樁頂豎向位移隨施工時間的變化關(guān)系

2.3.2 支護(hù)樁頂豎向位移分析

支護(hù)樁作為深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu),其沉降關(guān)系著深基坑的安全,沉降過大時會直接破壞結(jié)構(gòu)的整體性,引發(fā)基坑失穩(wěn)安全事故,因此,支護(hù)樁的沉降監(jiān)測是重點(diǎn)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制支護(hù)樁頂沉降隨施工時間變化的關(guān)系曲線,如圖4所示。

由圖4可以看出,支護(hù)樁頂豎向位移隨著施工時間的增加而增大,最終趨于平穩(wěn)。支護(hù)樁頂部不同位置的豎向位移隨著基坑開挖深度增大而增大。對比南北兩側(cè)不同部位的豎向位移可知,北側(cè)支護(hù)樁的頂部豎向位移明顯小于南側(cè)的位移值,主要原因在于南側(cè)基坑階梯下部采用水泥土墻聯(lián)合土釘支護(hù)形式。此外,可以發(fā)現(xiàn)曲線的增長趨勢為非線性,曲線局部的斜率減小,即沉降速率減小,這是因?yàn)樵趦?nèi)支撐施工之后,立柱樁與內(nèi)支撐形成整體,且立柱樁嵌入土體深度較大,其側(cè)壁摩阻力減小支護(hù)樁的豎向位移。

2.3.3 深層土體水平位移分析

基坑的開挖會導(dǎo)致基坑周圍深層土體發(fā)生水平位移,位移過大會導(dǎo)致支護(hù)樁破壞引發(fā)事故。深層土體水平位移可以直接反映樁身的水平位移情況,因此,對深層土體水平位移進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的。

圖5為基坑回填時不同監(jiān)測點(diǎn)深層土體發(fā)生的水平位移,觀察圖5發(fā)現(xiàn):①不同位置監(jiān)測點(diǎn)的深層土體水平位移均呈現(xiàn)沿深度方向先增大后減小,整體表現(xiàn)為兩端位移小、中間大的“弓形”變形模式;②深層土體水平位移值最大為44.9 mm,位于基坑的北側(cè)中部深度為6 m的位置,即臨近第2層地下室坑底的位置;③由于南側(cè)坑內(nèi)設(shè)置了水泥土墻和土釘,其水平位移明顯小于北側(cè),最大水平位移位于基坑的南側(cè)中部深度為3.5 m的位置,即臨近第1層地下室坑底的位置。

為了進(jìn)一步分析不同工況下深層土體水平位移,選取位于基坑北側(cè)中部的SWC2號監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析。由圖6可以看出,基坑開挖較淺時,由于未設(shè)置內(nèi)支撐,支護(hù)樁為懸臂狀態(tài),此時深層土體水平位移較小。隨著基坑繼續(xù)開挖,深層土體水平位移逐漸增大,曲線的趨勢更加明顯。

圖5 基坑回填時不同監(jiān)測點(diǎn)深層土體的水平位移

圖6 不同施工階段下深層土體水平位移與深度的關(guān)系曲線

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

本模型采用Midas GTS NX來模擬,得到不同施工階段支護(hù)樁的變形特性。根據(jù)圣維南原理,基坑開挖邊線外地層的平面尺寸及其深度取開挖深度的5倍,模型平面尺寸為348 m×173 m,地層深度取40 m, 基坑的三維幾何模型如圖7所示。模型主要包括地層、排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)、土釘、內(nèi)支撐以及立柱樁。地層采用修正摩爾-庫倫本構(gòu),內(nèi)支撐、排樁、立柱樁、水泥土墻和土釘?shù)戎ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)。建立支護(hù)結(jié)構(gòu)模型時將排樁等效為地下連續(xù)墻。假設(shè)地層均勻分布,周邊道路荷載取12 kN/m3,周邊建筑荷載取每層15 kN/m3。模型的邊界采用自動約束,并對立柱設(shè)置旋轉(zhuǎn)約束。

圖7 有限元模型

3.2 模型參數(shù)選擇

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料選取巖土參數(shù),基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)實(shí)際工況選取經(jīng)驗(yàn)值(見表1)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)的具體屬性與尺寸見表2。

表1 土層及材料參數(shù)

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性

3.3 施工階段組設(shè)置

為了與現(xiàn)場實(shí)際工況一致,在模型計(jì)算時進(jìn)行了相同工況的劃分,首先進(jìn)行初始應(yīng)力分析,消除模型自重對開挖過程的影響,然后進(jìn)行基坑支護(hù)施工和土方開挖。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)主要為鉆孔灌注樁和重力式水泥土墻,其施工對周邊環(huán)境影響較小,故模擬工況設(shè)置時也需要進(jìn)行位移清零。基坑施工模擬采用施工階段進(jìn)行模擬,施工階段組結(jié)合施工工藝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置,土方分7次開挖。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比分析

采用Midas GTS NX 進(jìn)行計(jì)算,獲得基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在土方開挖完成時的水平變形結(jié)果,如圖8所示。圖8(a)為X方向支護(hù)樁的水平位移,通過觀察發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁均向坑內(nèi)方向發(fā)生側(cè)移,X方向水平位移最大為34.7 mm。由圖8(b)可知,支護(hù)樁的最大水平位移為44.87 mm,側(cè)移方向?yàn)榭觾?nèi)。同時,可以發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁樁身水平位移主要集中在樁身中上的部位,呈現(xiàn)出中間大、兩端小的“弓形”變形特點(diǎn)。

圖8 支護(hù)樁水平位移

圖9 支護(hù)樁頂水平位移模擬值與監(jiān)測值對比曲線

3.4.1 支護(hù)樁頂水平位移對比分析

為了進(jìn)一步分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn),在模型計(jì)算結(jié)束后選取實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)相同位置的支護(hù)樁頂水平位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比分析,如圖9所示。

由圖9可知,模擬結(jié)果與監(jiān)測值不完全一致,這是因?yàn)樵跀?shù)值模擬建模時簡化了土層,而實(shí)際土層分布不均勻;其次,模型的邊界條件和受力條件比較理想, 沒有考慮施工時場地內(nèi)的臨時堆載和活荷載。此外,可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果曲線的變化趨勢與監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線基本一致,支護(hù)樁的位移隨著施工時間的增加逐漸增大,最終趨于穩(wěn)定。在拆除第1道內(nèi)支撐之前,各工況模擬結(jié)果基本小于監(jiān)測值。 然而,在第2道內(nèi)支撐拆除時,模擬結(jié)果大于監(jiān)測值,這是由于實(shí)際工程中,內(nèi)支撐拆除時會進(jìn)行換撐,而在數(shù)值模擬時沒有考慮換撐。雖然第2道拆除時數(shù)值模擬結(jié)果較大,但未超過預(yù)警值,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖10 支護(hù)樁頂豎向位移模擬值與監(jiān)測值對比曲線

3.4.2 支護(hù)樁頂豎向位移對比分析

在模型計(jì)算結(jié)束后選取實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)相同位置的支護(hù)樁頂沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比分析,如圖10所示。

通過觀察圖10發(fā)現(xiàn),支護(hù)樁頂豎向位移的模擬結(jié)果與監(jiān)測值的增長趨勢基本一致。實(shí)際工程中,基坑開挖之前需要進(jìn)行降排水處理,土層失去自由水,孔隙水壓力消散,在土體自重作用下發(fā)生沉降,而數(shù)值模型計(jì)算時假設(shè)降排水已完成,故其模擬結(jié)果均小于監(jiān)測值。但兩者的最大值僅為12.01 mm,小于預(yù)警值15 mm,表明基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

依托鎮(zhèn)江軟土地區(qū)某階梯式深基坑工程,對基坑施工過程中支護(hù)樁的位移進(jìn)行了全面分析,通過有限元模型對典型剖面的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,主要得到以下結(jié)論:

(1)在階梯式基坑開挖過程中,基坑中部支護(hù)樁的位移最大,樁頂實(shí)測位移最大值達(dá)到33.4 mm,樁身最大水平位移為44.9 mm,均小于監(jiān)測報警值。其變形規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

(2)通過實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁水平位移沿樁身呈“弓形”分布。隨著基坑開挖深度增加,支護(hù)樁的水平位移不斷增大,樁身最大位移的位置向下部移動,均位于開挖面附近。

(3)基坑南側(cè)支護(hù)樁的水平位移明顯大于北側(cè)支護(hù)樁的水平位移,表明采用階梯式支護(hù)可以有效地控制支護(hù)樁和周圍土體的變形。