深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化規(guī)律分析研究

劉 冬，曹雪山，劉 興

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098;2.上海隧道工程股份有限公司，上海200062)

基坑開挖是一個卸載的過程，具有豎直方向與水平方向卸載，同時還有應(yīng)力應(yīng)變路徑問題［1］，土體的彈性模量、壓縮模量也在變化。在局部卸載過程中，由于存在主動土壓力，墻內(nèi)外的土壓力差值在增加［2］，會造成地下連續(xù)墻產(chǎn)生向坑內(nèi)的側(cè)向變形。隨著開挖深度增加，地下連續(xù)墻變形量在增加、變形位置也在變化。上海城建院研究院王印昌［3］在地連墻受力分析中采用了反反分析法，通過彎矩分析得出地連墻變化規(guī)律。研究員李剛［4］根據(jù)地鐵深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)給出了變形特征，但二者只研究了地連墻的變形特征，并沒給出影響因素以及地連墻的厚度參考值。地連墻的變形量的影響因素眾多，其中就有土層的物理性指標(biāo)、墻體的剛度。本文利用模擬分析軟件分析地連墻變形影響因素，并對結(jié)果進(jìn)一步討論。

1 工程概況

中保站位于南京市鼓樓區(qū)河西寧工新寓南門及草場門大街與江東北路交叉口之間，沿草場門大街布置。地面高程為6.70～8.06 m(吳淞高程)潛水穩(wěn)定水位在1.6～2.5 m，地質(zhì)屬于長江漫灘相沉積地貌單元，水平層理發(fā)育，地屬秦淮河古河、長江區(qū)，土質(zhì)較為軟弱，場地范圍內(nèi)的土層，從上到下主要為雜填土、粉質(zhì)粘土粉砂互層、粉砂層、粉質(zhì)粘土層、粉土夾粉砂層、粉砂層、軟弱粘土層、粉土夾粉砂層和含卵礫石粉質(zhì)粘土層，下層34 m左右為基巖。該車站是地鐵4號線與9號線的換乘站，兩線十字交叉，車站型式為地下兩層島式，基坑開挖方式為半蓋挖形式(設(shè)施工棧橋板)，車站全長525.7 m，車站結(jié)構(gòu)總寬度為23.3 m，設(shè)有Φ=800 mm的立柱樁，標(biāo)準(zhǔn)段地連墻埋深39 m，與9號線換乘段坑底埋深約26 m。車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用1 000 mm地下連續(xù)墻加6道內(nèi)支撐支護(hù)形式，選取標(biāo)準(zhǔn)段地連墻作為研究對象，地連墻長度約為39 m，進(jìn)入中風(fēng)化巖層≥3.0 m?？拥茁裆?6 m，第一道水平支撐采用900 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其余五道采用壁厚為16 mm，直徑為609 mm的鋼支撐。

2 監(jiān)測結(jié)果對比分析

中保站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m×39.0 m的地下連續(xù)墻，插入比為 0.5，地下連續(xù)墻入巖為3 m。入巖的地連墻位移量很小，可以忽略不計，而開挖的26 m深度的地連墻作為彈性體，隨著坑內(nèi)外的土應(yīng)力差值而出現(xiàn)變形。為了研究地下連續(xù)墻的變形特性，選擇墻體點(diǎn)CXK05(有效深度為 39 m)、CXK06(有效深度為 27 m)與CXK07(有效深度為29 m)號孔作為研究對象。基坑開挖分六次開挖，對于不同開挖深度地連墻變形情況的研究，利用基坑開挖時的各工況(開挖面)為研究斷面。CXK05有效測斜深度為39 m，坑底埋深26 m。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制CXK05隨基坑開挖深度變化曲線圖，如圖1:

由圖1可知，不同工況下，相同開挖深度的地連墻的變形量是不一樣的。由工況一知道，地連墻的最大側(cè)向位移量在5 m左右，從0～5 m的位置，地連墻的側(cè)向位移在增大，5～26 m地連墻的側(cè)向位移量在減小。在工況六的時候，這個階段由于基坑開挖到接近設(shè)計基底，這時的基坑內(nèi)外的側(cè)向土壓力差值最大，地連墻作為一個彈性體，這個時候地連墻呈現(xiàn)了“大肚狀”，呈類拋物線，最大側(cè)移量為180 mm，處于地連墻的25 m位置?？梢钥闯鲭S著開挖深度增加，地連墻的最大側(cè)移量位置不斷下移，表明“土體的側(cè)向應(yīng)力隨著深度的增加而增加”。由此可見地連墻變形量與變形位置具有明顯的時空效應(yīng)。Ou［5］研究臺北軟土深基坑工程實(shí)例，發(fā)現(xiàn)具有高穩(wěn)定性系數(shù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形為 0.2%H～0.5%H。CXK05最大水平位移為180 mm，在深度為26 m位置處，最大側(cè)向變形約為0.47%H，略小于Ou統(tǒng)計的臺北的0.5%H，這可能是南京與臺北的地質(zhì)不同造成的。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)值分析

數(shù)據(jù)取自中保站基坑標(biāo)準(zhǔn)段靠近中部位置的墻體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn) CXK05(有效深度39 m)的測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立有限元模型按照此監(jiān)測點(diǎn)所在斷面內(nèi)的基坑實(shí)際情況進(jìn)行模擬。

3.1 有限元模型的建立

采用平面分析軟件進(jìn)行分析，plaxis軟件計算簡單，使用方便，尤其對于條形基坑具有明顯優(yōu)勢。分析時只考慮其一半(左邊)。取土層邊界長度為525.7 m，約為開挖深度的 20倍，深度為39 m。采用15節(jié)點(diǎn)的三角形平面單元模擬巖土體，網(wǎng)格劃分為中等粗糙，且對地連墻附近的網(wǎng)格實(shí)行局部加密。地連墻采用板單元模擬，支撐看做是彈性體，采用錨定桿來模擬。具體的模擬參數(shù)見表1。

由于土具有很強(qiáng)的壓縮性，受應(yīng)力路徑與土質(zhì)影響很大，并且存在塑形形變，所以在plaxis中，選取適用的本構(gòu)模型很重要。根據(jù)徐中華的研究成果，發(fā)現(xiàn)HS模型［6］很適用，對于HS模型當(dāng)中3個壓縮模量的的取值，根據(jù)王衛(wèi)東［7］的研究，上海軟土地區(qū)土體的值為值的 0.9 ～1.3 倍，本文將和的取值都接近于1.2。而則取的 2.8 倍，與 Silty Clay［6］的研究結(jié)果相一致。根據(jù)所選取的土層參數(shù)進(jìn)行模型建立，模型見圖2。

表1中報站基坑土層計算參數(shù)Tab.1 Soil parameters of zhongbao pit

3.2 計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

如圖3所示，模擬結(jié)果顯的圍護(hù)墻體變形曲線大小為178 mm左右，十分接近于180 mm的監(jiān)測最大位移，且最大位移所在位置與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致，位于地表以下25 m處，高于基坑底面以上1 m。在實(shí)際工程施工過程中，測斜在冠梁與混凝土支撐施工完成后進(jìn)行測量，所以計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在開始段具有一定的誤差，同時施工技術(shù)以及土層的物理學(xué)指標(biāo)也不近相同，也是造成開挖到16 m時候有一定區(qū)別的原因，在16 m后，計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本擬合，這個時候，土的影響參數(shù)作為了主要的影響指標(biāo)，其中就是三個指標(biāo)。這個時候主要矛盾集中在土的模量上。所以在基坑開挖到一定深度時候，兩條曲線就基本擬合了。

根據(jù)不同施工工況下的基坑圍護(hù)墻體變形模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到圍護(hù)墻體最大水平位移與開挖深度的關(guān)系如圖4所示。由圖可知，所有工況中，圍護(hù)墻體最大水平位移都位于開挖面附近。工況四與工況五最大側(cè)移量增量最小，分別增加了6 mm與5 mm，因?yàn)檫@兩個工況開挖深度的增長率較低，支撐與上一工況支撐的距離較近，而工況二與工況六由于開挖層距離較大，所以最大側(cè)移量增加較多。

此外，由圖4還可以看到，每個工況下，處在圍護(hù)墻體“腹部”以上的水平位移曲線都與下一工況在同一深度范圍內(nèi)的曲線幾乎重合，也就是說每一個工況只會改變處在本開挖面附近以及開挖面以下的墻體的水平位移，而對上部的圍護(hù)墻體變形影響微乎其微。例如工況六，在此工況下，位于圍護(hù)墻體“腹部”以上曲線基本上是由前面五個工況各自所形成的墻體水平位移曲線疊加而成的，且本次開挖對之前開挖所形成的圍護(hù)墻體水平位移改變甚微，也就是說位于上一開挖面以上的圍護(hù)墻體基本不受此次開挖的影響。這說明:基坑自身圍護(hù)系統(tǒng)對于圍護(hù)墻體的側(cè)向變形限制作用十分顯著。

3.3 影響地連墻最大側(cè)向位移的因素分析

根據(jù)統(tǒng)計資料［8］得知，影響地連墻側(cè)移的參數(shù)主要有(剛度)、開挖深度、各土層的厚度等。選用控制變量法，假設(shè)其他參數(shù)條件不變，分別單獨(dú)改變各個土層土體的HS模型中的三個模量參數(shù)的大小。取各個土層的實(shí)際值的倍數(shù)，分別為實(shí)際值的0.3、0.5、0.8、1.0、1.3、1.5、1.8、2.0、2.3、2.5、2.8 倍，然后分別建立有限元模型，將這些模型的計算結(jié)果進(jìn)行有對比分析。結(jié)果表明:距離基底較遠(yuǎn)的土層參數(shù)變化對圍護(hù)墻體最大水平位移位置的影響較小，而地連墻的剛度(厚度)對于地連墻的最大側(cè)移的影響具有明顯的區(qū)別。

3.4 地下連續(xù)墻自身剛度對其最大水平位移影響研究

地連墻的剛度直接取決于地連墻的厚度，其他參數(shù)條件不變，只改變地連墻的厚度大小，取一組地連墻厚度為 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m的有限元模型進(jìn)行研究。根據(jù)模擬的結(jié)果繪制圖5，發(fā)現(xiàn)地連墻在不同厚度情況下具有明顯變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于基坑變形起到了很大的作用。其中最小值在厚度為1.2 m處，當(dāng)厚度為0.7 m時候的最大側(cè)移量只比厚度1.2 m增加了20 mm的側(cè)移量，相對增加很少，考慮到地連墻的厚度對于施工難度與經(jīng)濟(jì)的影響，建議南京地區(qū)的地連墻厚度取0.7～0.9 m，相對于模擬的選取的H，南京市地連墻厚度為地連墻深度的(0.025～0.035)H。

綜上所述，在筆者所考慮的眾多影響因素中，只有圍護(hù)墻體自身剛度以及地下各土層強(qiáng)度是決定墻體水平位移最大值所在位置的兩個主要因素。本文著重研究了這兩種因素對墻體水平位移最大值所在位置的影響程度和變化范圍，主要是一些定性的規(guī)律分析。至于是否還有一些其他左右墻體水平位移最大值所在位置的因素，本文總結(jié)的規(guī)律適用于南京，更多的參數(shù)影響以及具體參數(shù)選取，可以更多的參考國外學(xué)者LONG［9］對于參數(shù)的研究一文。

4 結(jié)論

1)利用plaxi有限元軟件的HS模型模擬基坑開挖所得的圍護(hù)墻變形與實(shí)測較為吻合，具有較高的可靠性。

2)發(fā)現(xiàn)基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形符合時空效應(yīng)規(guī)律，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形大小、變形的最大位置變化與分步開挖的空間尺寸及擋墻暴露時間密切相關(guān)。

3)發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨著開挖深度增加，地連墻側(cè)移量在基底附近達(dá)到最大值;發(fā)現(xiàn)地連墻的變化呈現(xiàn)類似拋物線，地連墻側(cè)向位移隨著自身剛度增加增而減小。

4)考慮到地連墻的厚度對于施工難度與經(jīng)濟(jì)的影響，建議南京地區(qū)的地連墻厚度取0.7～0.9 m，相對于模擬的選取的H，南京市地連墻厚度為地連墻深度的(2.5% ～3.5%)H。

5)圍護(hù)墻體自身剛度以及地下各土層強(qiáng)度是決定墻體水平位移最大值所在位置的兩個主要因素。

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