圓礫地層深基坑工程開挖變形機(jī)理數(shù)值分析★

林 強(qiáng)

(中鐵二局股份有限公司，四川成都 610032)

0 引言

南寧市作為廣西省省會(huì)，同時(shí)鎮(zhèn)守我國西南邊境，其經(jīng)濟(jì)地位非常重要，輻射廣西省及周邊大片區(qū)域。軌道交通的規(guī)劃及建設(shè)，給南寧市的基坑工程帶來了很多新的挑戰(zhàn)，主要問題是圓礫層的設(shè)計(jì)與施工方面積累經(jīng)驗(yàn)很少。

圓礫層為南寧典型且分布廣泛的地層，目前尚無成熟的基坑工程經(jīng)驗(yàn)，甚至可參考的案例都非常罕見?；娱_挖卸載導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)隆起變形，同時(shí)引起周圍地層的塑性流動(dòng)等，深基坑開挖必然引起鄰近建筑物發(fā)生一定程度的沉降變形;不均勻沉降將會(huì)對鄰近的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的影響，造成其無法安全使用或運(yùn)營，甚至?xí)鸾ㄖ飪A倒。

傳統(tǒng)的基坑分析一般采用豎向彈性地基梁法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過程簡單明了，但是不能考慮土與結(jié)構(gòu)的共同作用;若想考慮土與結(jié)構(gòu)的共同作用，可以采用二維連續(xù)介質(zhì)有限元法[1，2]，但二維方法無法考慮到基坑開挖的空間效應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)能力的大幅提升，三維數(shù)值模擬方法被越來越多的應(yīng)用，三維模型能夠考慮土體和結(jié)構(gòu)的共同作用[3]，能夠?qū)娱_挖的全過程進(jìn)行模擬。

本文使用專門針對巖土工程的FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，對廣西大學(xué)站基坑開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周圍地表沉降進(jìn)行模擬分析，著重討論圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的規(guī)律。

1 工程背景

廣西大學(xué)站位于大學(xué)路和明秀路交叉的十字路口，周邊主要是規(guī)劃的住宅小區(qū)及已實(shí)施的住宅用地，西側(cè)的存車線接進(jìn)廣西大學(xué);西北角是已建設(shè)完成的世貿(mào)西城，南邊是一些老的多層住宅小區(qū)，整個(gè)周邊環(huán)境主要是居住區(qū)和廣西大學(xué)等，客流較大。本工程總長465 m，基坑開挖深度為16.24 m～18.16 m，基坑開挖寬度20.7 m～27.7 m;標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為20.7 m，為地下兩層。底板埋深為15.535 m(相對地面)，頂板覆土厚度大于3 m。本工程主體建筑面積21 163.6 m2，主要結(jié)構(gòu)形式為雙柱三跨(7.45 m+5 m+7.45 m)和(8.95 m+8.95 m)框架箱形結(jié)構(gòu)。

圖1為基坑平面圖。

圖1 基坑平面圖

車站主體大部分埋置于圓礫層中，圖2為現(xiàn)場照片。圓礫粒徑以2 mm～40 mm為主，占79.6%，顆粒分布詳見圖3。粒間充填物以中、粗砂為主，層厚約 5.00 m ～15.60 m，滲透系數(shù) k=60 m/d，內(nèi)摩擦角φ=32°(固結(jié)快剪)。圓礫層下部為不透水泥巖層。

圖2 圓礫層照片

圖3 基坑模型及土層網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方案

本文假設(shè)基坑周圍不存在任何建構(gòu)筑物，在這樣的條件下模擬計(jì)算基坑周圍的地表沉降，以此代替基坑開挖對周圍建構(gòu)筑物的影響。

摩爾—庫侖模型一般適用于松散或膠結(jié)的顆粒狀材料、土體、巖石、混凝土的剪切破壞分析[4]。南寧地區(qū)的圓礫地層地質(zhì)情況比較符合摩爾—庫侖模型的使用條件。因此，本文中數(shù)值模擬選用的本構(gòu)模型是摩爾—庫侖模型，地下連續(xù)墻采用彈性模型，開挖采用單元激活方法。

2.2 建模及邊界條件

本工程基坑為雙軸對稱的矩形，根據(jù)對稱性原理，可以選擇1/2長度進(jìn)行建模，但實(shí)際基坑長度近500 m，中間部分基本處于同樣的受力狀態(tài)，所以不需要取250 m進(jìn)行建模。確定基坑模型尺寸為:寬度取基坑的標(biāo)準(zhǔn)段寬度20 m，開挖深度19 m，基坑長度36 m。根據(jù)現(xiàn)行國家及各地方規(guī)范中，基坑開挖對周圍環(huán)境的影響范圍一般不超過4H，且地面沉降影響范圍同時(shí)受到基坑平面規(guī)模和基坑長寬比的影響[6]。綜上各種因素，基坑開挖的影響范圍暫定為4H。整個(gè)模型的尺寸為96×144×39(長×寬×高)，如圖3所示。

地下連續(xù)墻在本次模擬中采用實(shí)體單元模擬。根據(jù)Zdravdovic(2005)[5]的研究，在二維基坑模擬中，采用實(shí)體單元和梁單元計(jì)算所產(chǎn)生的墻體變形差別小于4%，而墻體變形引起的地層損失是造成地表沉降的主要原因[6]，上述梁單元相當(dāng)于三維模型中的襯砌單元，因此采用實(shí)體單元和襯砌單元的模擬結(jié)果相差不大，可以忽略。另一方面相比于襯砌單元(liner)，實(shí)體單元的優(yōu)勢在于物理模型清晰，參數(shù)相對較少且容易確定[4]。

根據(jù)廣西大學(xué)站基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，緊貼地下連續(xù)墻背后的土體位移很小，為簡化計(jì)算模型，假設(shè)地下連續(xù)墻與土地界面上沒有相對滑移，即采用兩者共用節(jié)點(diǎn)的處理方式。

基坑周圍施加均布超載q=15 kPa，模型上表面為自由邊界，底面為固定邊界，其他邊界都只約束法向位移。

2.3 計(jì)算參數(shù)及工況

據(jù)地勘報(bào)告，本工程地貌形態(tài)按《廣西壯族自治區(qū)南寧市地質(zhì)系列圖集》地貌及外動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象分布圖區(qū)分，屬邕江北岸Ⅱ級階地，第四系沉積物為邕江河流沖積砂礫層及土層，下伏基巖為下第三系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖。場地穩(wěn)定水位埋深約4.00 m，與邕江有一定的水力聯(lián)系。地下水位隨季節(jié)變化幅度約為3 m～5 m。計(jì)算中選取的土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

本工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系包括地下連續(xù)墻和內(nèi)撐，參數(shù)選取見表2。本文采用Beam單元模擬內(nèi)撐，一般在非動(dòng)力分析中，不計(jì)結(jié)構(gòu)單元的重量，但內(nèi)撐的自重量級是不可忽略的，且全部作用在地下連續(xù)墻上，因此其重量不可忽略。本文采用的處理方法是將內(nèi)撐的重量折算到地下連續(xù)墻的自重里，內(nèi)撐本身采用無重量的Beam單元。

表2 鋼筋混凝土及鋼管參數(shù)

根據(jù)施工方案，工程體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，支護(hù)結(jié)構(gòu)為800 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)撐(一道混凝土支撐和兩道鋼支撐)。本工程在深度方向共分為五個(gè)工況進(jìn)行施工(見表3)，而在長度方向?yàn)樯鲜鲩_挖步驟的循環(huán)推進(jìn)。數(shù)值模擬過程按照表3所列的施工步驟，分為5個(gè)工況。

表3 施工步驟

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻側(cè)移

圖4給出了連續(xù)墻側(cè)移數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯鼋^大部分墻體側(cè)移發(fā)生在前四個(gè)工況，工況四到工況五幾乎沒有位移發(fā)展。墻體側(cè)移的最大值均發(fā)生在約16 m深處。相鄰工況間的位移發(fā)展程度基本與支撐的豎向間距成正比關(guān)系，即橫撐豎直間距越大，則墻體側(cè)移發(fā)展越大。這樣也從數(shù)值計(jì)算的角度進(jìn)一步證明基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)。

從圖4中可以看出，剛開始開挖時(shí)，由于第一道混凝土支撐的作用，圍護(hù)墻整體變形不明顯。隨著開挖的進(jìn)行，土壓力對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用愈加明顯，從工況2到工況4，變形發(fā)展明顯。造成這種現(xiàn)象的原因是，開挖使得地下連續(xù)墻兩側(cè)壓力差增大，而下層鋼支撐的剛度小于第一層混凝土支撐。從工況4到工況5，由于底板的支撐作用很好的約束了地下連續(xù)墻底部的位移，因此變形發(fā)展不大。絕大部分變形都發(fā)生在基坑開挖的過程中，所以，編制合理的施工方案和及時(shí)澆筑底板對控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形會(huì)起到很有利的作用。

圖4 墻體側(cè)移計(jì)算結(jié)果曲線

3.2 坑周地表沉降

圖5給出了五個(gè)工況的地表沉降計(jì)算結(jié)果，并用通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線相連。從圖中可以看出，各個(gè)工況間的沉降發(fā)展量值與前述地下連續(xù)墻側(cè)移有相同的規(guī)律，即前幾個(gè)工況間沉降發(fā)展較大，工況四和工況五之間沉降幾乎沒有變化。最大沉降發(fā)生在距離基坑邊緣約13 m處，隨后逐漸收斂至某一數(shù)值。

圖5 坑周地表沉降計(jì)算值曲線

圖5的計(jì)算結(jié)果規(guī)律符合GB 50497-2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范推薦的周邊地表沉降經(jīng)驗(yàn)曲線，可以看出，基坑最大沉降值發(fā)生在墻后約0.5H處，主要影響范圍為2H，而總影響范圍約為4H。

4 結(jié)語

1)摩爾—庫侖模型參數(shù)較少且比較容易測得，是一種比較適合圓礫層地區(qū)的本構(gòu)關(guān)系模型，能夠比較好的反映地層的變形特性。

2)通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，廣西大學(xué)站基坑工程地下連續(xù)墻側(cè)移最大值為22 mm，最大變形位置約為15 m～17 m深度范圍內(nèi);地表沉降最大值為5.2 mm，主要發(fā)生在距離基坑邊緣30 m范圍之內(nèi)，之后位移逐漸減小。這些結(jié)果能夠?yàn)橐院蟮念愃乒こ烫峁┯杏玫膮⒖肌?/p>

3)地下連續(xù)墻墻體變形基本符合經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。計(jì)算數(shù)據(jù)反映出第一道混凝土支撐和基坑底板對地下連續(xù)墻有很強(qiáng)的約束作用，如能合理及時(shí)設(shè)置，能夠很好的控制墻體變形;同時(shí)施工過程應(yīng)設(shè)計(jì)合理的施工步驟，并及時(shí)封閉開挖面，以減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

4)計(jì)算數(shù)據(jù)表明，圓礫地層基坑開挖對周圍環(huán)境的影響范圍可達(dá)4H，而主要影響范圍為2H左右。因此，可在基坑開挖中著重監(jiān)測主要影響區(qū)域的地表及建筑物沉降，以保證其安全。

5)本文的計(jì)算結(jié)果符合基坑變形的一般規(guī)律，但是坑底附近的地下連續(xù)墻變形與通常情況差異較大，筆者認(rèn)為造成這種結(jié)果的原因是坑底附近的應(yīng)力條件和邊界條件都比較復(fù)雜，很難在數(shù)值模擬中量化的實(shí)現(xiàn)，需要豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，以確定合適的應(yīng)力釋放程度及邊界條件。

[1] DBJ-61-97，基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

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