深基坑周邊土體在超大堆載作用下地表沉降分析

基坑周邊超大載荷作用下地表沉降變化趨勢究竟如何，是現(xiàn)場施工管理一個亟待解決的問題。本文以天津某深基坑工程為基礎(chǔ)，研究了基坑周邊超大載荷堆載作用下其地表沉降的變化趨勢，同時采用大型巖土有限元分析軟件Plaxis對其進行模擬分析，從理論上進一步說明這種變化趨勢。

1 工程概況

基坑?xùn)|西長146m、南北寬30m，為地下2層結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，墻深46.7m、厚1.2m，采用C45P10混凝土澆筑，基坑最深處為23.85m，蓋挖逆作法施工，先施工中間樁柱和地下連續(xù)墻，然后施工頂板，-1層土方開挖完畢之后立即施工中板，-2層支撐施工完畢之后繼續(xù)開挖剩余土方直至基坑底部，最后施做底板使整個地下結(jié)構(gòu)形成一個封閉空間。

2 地表沉降監(jiān)測

基坑開挖之前布設(shè)地表沉降觀測點。沿著基坑?xùn)|西軸線在北側(cè)設(shè)計7個地表沉降觀測斷面，每個斷面5個監(jiān)測點，其中每兩點間隔5m。地表沉降觀測點采用人工開挖或鉆具成孔的方式進行埋設(shè)。用洛陽鏟或φ80 mm工程鉆具，開挖直徑約80mm，深度＞1m孔洞；夯實孔洞底部；清除孔洞內(nèi)渣土并注適量水；灌注C20以上的混凝土并振動密實，混凝土頂面距地表距離保持在5 cm左右；在孔中心置入頂部磨成球面形，中鑲嵌直徑1mm、銅芯長度≮80 cm的鋼筋標(biāo)志，露出混凝土面約1～2 cm；上部加裝鋼制保護蓋；養(yǎng)護15 d以上，見圖1。

圖1 地表沉降觀測點布設(shè)方式

地表沉降監(jiān)測工作在基坑開挖之前開始進行，包括初始值的采集和日常數(shù)據(jù)的觀測，基坑開挖深度＜5 m時監(jiān)測頻率1次/4 d，5～10m之間為1次/2 d，＞10m時1次/d。

3 現(xiàn)場堆載試驗

為得到深基坑周邊土體地表沉降與上部超大載荷、土質(zhì)參數(shù)三者之間的關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行了超大載荷堆載試驗。為保證基坑安全堆載試驗地點選擇在施工現(xiàn)場距離基坑15m處，上部堆放104 t鋼筋作為基坑旁的超大載荷，也即是在地表產(chǎn)生約14.5 kN/m2的均布載荷。鋼筋堆放區(qū)域正好處于基坑北側(cè)地表沉降第二監(jiān)測斷面上，同時此監(jiān)測斷面上的地表沉降觀測點BD2-3完全位于鋼筋堆載區(qū)域下方，而同一斷面上的觀測點BD2-1、BD2-2、BD2-4分別位于鋼筋堆載兩側(cè)，第一、三地表沉降監(jiān)測斷面分別位于鋼筋堆載東西兩側(cè)，因此在試驗中這些地表沉降觀測點的數(shù)據(jù)形成了對比。在鋼筋超大載荷堆放之前對此區(qū)域附近的所有地表觀測點進行了日常數(shù)據(jù)采集，在鋼筋堆載之后除BD2-3點位無法進行日常數(shù)據(jù)采集之外其他數(shù)據(jù)均進行正常采集，超大載荷施加5 d之后立即撤出，然后再繼續(xù)采集地表沉降數(shù)據(jù)且包含BD2-3點位的數(shù)據(jù)。

4 有限元模擬計算

為從理論上進一步分析深基坑旁超大載荷堆載對其周邊地表沉降的影響效應(yīng)，采用大型巖土工程有限元分析軟件Plaxis對其進行建模，建模時使用了軟件中的摩爾-庫倫計算模型，查找基坑周邊地質(zhì)及設(shè)計資料，確定建模所用相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

為簡化模型分析同時提高模擬精度，采用二維模型方式，即是選擇基坑及其周邊地表沉降第二監(jiān)測斷面為建模平面，包含堆載所引起的地面均布載荷。充分考慮實際工況，在堆載試驗時基坑已經(jīng)開挖12m深同時頂板已經(jīng)封閉，因此簡化深基坑頂板橫撐施做完畢。在后期有限元分析計算時共設(shè)置4個工況，其中工況1為初始工況，工況2為圍護結(jié)構(gòu)及頂板橫撐施作，工況3為12m深基坑開挖完畢，在工況4時施加因堆載而引起的均布載荷。最后得到深基坑旁超大載荷堆載下其地表沉降的變化效應(yīng)。

通過模擬分析可發(fā)現(xiàn)在基坑開挖過程中，基坑周邊的地表總體呈現(xiàn)下降趨勢且在基坑開挖完成后地表沉降總體趨于穩(wěn)定。在Plaxis輸出程序中設(shè)置工況4下的垂直位移量，即獨立分析在超大載荷作用效應(yīng)下的地表沉降增加量，在地表均布載荷作用下其下方地表沉降增加量最大值為18.45mm，而載荷兩側(cè)的沉降增量約6mm。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取連續(xù)15 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮到對比有效性，選擇基坑北側(cè)第二監(jiān)測斷面的4個地表沉降觀測點BD2-1、BD2-2、BDD2-3、BD2-4，同時選擇旁邊第一監(jiān)測斷面的BD1-2、BD1-3、BD1-4三個觀測點位，地表沉降的變化趨勢見圖2。

圖2 超大載荷作用下地表沉降變化趨勢

除曲線BD2-3因鋼筋覆蓋造成5次監(jiān)測數(shù)據(jù)無法采集而形成中間斷檔之外，其他均為完整的曲線。由圖3看出，BD2-3在超大載荷堆載前其累計沉降量約為28 mm，在堆載試驗完成后其累計沉降量為48mm，即在超大載荷作用下地表沉降了20mm，這與有限元模擬分析結(jié)果最大沉降量18.45mm非常接近，而另外6條曲線的變化趨勢與其相比基本保持穩(wěn)定。單獨分析剩余6條曲線的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)曲線BD1-2、BD1-3、BD1-4的變化趨勢基本保持穩(wěn)定，這說明了在堆載試驗下產(chǎn)生的20mm的地表沉降量并非基坑自身產(chǎn)生，而全部來源于堆載作用效應(yīng)。再分析曲線BD2-2、BD2-4的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)在第5～8 d之間有個明顯的下降趨勢，下降幅值約為5mm。這說明在超大堆載作用下處于超大載荷左右兩側(cè)的地表均受其影響，但影響的效應(yīng)遠小于其正下方的地表沉降，這與有限元模擬結(jié)果相當(dāng)吻合，另外，受超大堆載作用其附近的地表沉降發(fā)生緩慢變化，變化在3 d后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。觀測點BD2-1位于超大載荷外7m處，曲線變化趨勢基本不受影響。

6 結(jié)論

在深基坑周邊施加14.5 kN/m的超大載荷時，其正下方地表發(fā)生局部沉降，最大沉降量能達到20mm，同時產(chǎn)生載荷的堆載兩側(cè)的地表也發(fā)生微小沉降，但遠離此處的地表幾乎不受此超大載荷的影響。根據(jù)深基坑施工地表沉降監(jiān)測經(jīng)驗，一般地表沉降量累計超過±22mm或是變化量超過3mm/d均發(fā)出預(yù)警通知且隨著累計量的增加可以連續(xù)發(fā)生最高級別紅色的預(yù)警，通過理論分析可以發(fā)現(xiàn)某些施工現(xiàn)場由于原材的臨時堆放、倒運，經(jīng)常會產(chǎn)生最高級別的紅色預(yù)警，而這些預(yù)警只是大載荷作用下的局部沉降并未對整個基坑的安全形成威脅，因此本文認(rèn)為可以不對其進行預(yù)警。