建筑基坑變形及支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

曾曉云

(石河子大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆石河子832000)

基坑開挖是一個(gè)土體卸載的過程，在此過程中，土體的彈性模量、壓縮模量也在變化。在卸載過程，由于存在土壓力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的土應(yīng)力差值在變化［1］，會(huì)造成地下連續(xù)墻產(chǎn)生向坑內(nèi)的側(cè)向位移。隨著基坑不斷開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量在增加、變形最大量位置也在變化。王印昌［2］在圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析中采用了反分析法，通過彎矩分析得出地連墻變化規(guī)律;李剛［3］根據(jù)地鐵深基坑監(jiān)測(cè)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。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素中有土層的物理性指標(biāo)也有力學(xué)指標(biāo)。本文利用計(jì)算軟件PLAXIS分析地連墻變形影響因素，提出一些控制變形的建議。

1 工程概況

武定門站位于秦淮河古河道地貌單元區(qū)，巖土層分布不均勻。受人類活動(dòng)影響，填土層厚度較大，為3.1～5.2 m，車站南端和中南部局部地段分布有淤泥、淤泥質(zhì)填土。填土層組成物的均勻性變化大，密實(shí)度差，具有強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性不均勻的特征。

從上到下土層為雜填土、素填土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉土、粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土、粘土、風(fēng)化巖石。場(chǎng)地地下水類型主要為淺層潛水、微承壓水和基巖裂隙水。南京地區(qū)地下水位最高一般在7～8月份，最低多出現(xiàn)在旱季12月份至翌年3月份。本工程初、詳勘外業(yè)施工時(shí)間和利用勘察資料的外業(yè)作業(yè)時(shí)間在1～4月和11～12月，期間量測(cè)的潛水穩(wěn)定水位在地面以下1.4～2.4 m，高程為7.77 ～8.33 m(吳淞高程系)，水位起伏和地形起伏基本一致。水位受季節(jié)性變化影響較大，年變化幅度在0.5～1.0 m左右。淺層潛水含水層包括①人工填土、中－晚全新世沖淤積成因的②－1c3+b3－4層粉土與粉質(zhì)粘土互層和②－2b3－4層粉質(zhì)粘土－淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

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(duì)象，地連墻長度約為26 m，進(jìn)入中風(fēng)化巖層≥1.5 m。第一道與第四道水平支撐采用900 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其余三道采用壁厚為16 mm，直徑為609 mm的鋼支撐。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 地下連續(xù)墻、土體深層水平位移

主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體的深層水平位移是利用測(cè)斜儀通過事先埋入結(jié)構(gòu)或土體中的測(cè)斜管，測(cè)出開挖過程結(jié)構(gòu)或土體的變形情況。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體的變形是反映基坑開挖狀況最直觀、最可靠，也是最重要的指標(biāo)之一，其變形的增大始終是基坑施工中關(guān)注的關(guān)鍵［4－5］。本文主要以標(biāo)準(zhǔn)段上一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為分析對(duì)象，該斷面上墻體深層水平位移測(cè)點(diǎn)為ZQT05，該斷面深層水平位移測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)情況如圖1所示。

從圖1中可以看出:(1)深層水平位移曲線呈現(xiàn)為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，這是因?yàn)榈谝坏阑炷林蝿偠却螅瑝攷缀鯖]有位移，隨著基坑的開挖，墻體腹部向坑內(nèi)移動(dòng)，而墻底進(jìn)入風(fēng)化巖層，地下連續(xù)墻底部幾乎不發(fā)生位移。因此，地下連續(xù)墻側(cè)移曲線呈現(xiàn)拋物線形;(2)最大側(cè)移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移，基坑開挖過程中圍護(hù)墻在兩側(cè)壓力差的作用下產(chǎn)生水平向位移，在開挖面附近壓力差最大，因此最大側(cè)移位置一般位于開挖面附近。而實(shí)測(cè)值中，開挖超過23 m之后最大側(cè)移位置不再下降，這是因?yàn)槲涠ㄩT站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主，而20 m以下為性質(zhì)較好的粘土。在開挖粉砂土層時(shí)上部連續(xù)墻體就已經(jīng)產(chǎn)生較大變形，開挖至坑底時(shí)反而產(chǎn)生的變形較小。而且基坑第四道支撐采用混凝土支撐，剛度較大，而且剛性連接可以增加圍護(hù)體系的整體剛度，減小連續(xù)墻體的變形。因此，易變形土層的深度以及支撐形式的選擇都會(huì)影響連續(xù)墻體最大變形位置，在開挖易變形土層時(shí)注意對(duì)連續(xù)墻體變形的控制以及深層支撐適當(dāng)選擇混凝土支撐，這對(duì)減少基坑整體變形有重要意義;(3)基坑暴露時(shí)間越長，變形增長越快。開挖18～23 m之間土層用了46天，開挖至23 m變形明顯增加;第五道支撐架設(shè)完成后15天之內(nèi)開挖至坑底，所以開挖至26 m變形趨于平緩。由此可見暴露時(shí)間對(duì)基坑變形有著重要的影響，這也符合時(shí)間效應(yīng)原理［6］。

2.2 圍護(hù)墻頂豎向位移

本工程中圍護(hù)墻頂沉降測(cè)點(diǎn)緊鄰位于地下連續(xù)墻深層水平位移測(cè)點(diǎn)，本文選擇測(cè)點(diǎn)ZQC07、ZQC16作為分析對(duì)象，基坑施工開挖期間這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線如圖2。

圖2中位移變化可分為四個(gè)階段:2012年7月至2012年10月，累計(jì)位移曲線呈上升趨勢(shì);2012年10月至2012年12月，累計(jì)位移曲線呈下降趨勢(shì);2012年12月后變化趨于穩(wěn)定。從這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化曲線可以看出在開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化比較一致。圍護(hù)墻頂豎向位移測(cè)點(diǎn)ZQC07和ZQC16在2012年6月至2012年10月處于上升階段，最大上抬量分別為3.11 mm和3.56 mm，這是由于基坑的開挖卸荷引起坑底土體回彈，以及地下連續(xù)墻一側(cè)土體側(cè)限的解除，從而帶動(dòng)所有的地下連續(xù)墻向上位移。自2012年10月以后圍護(hù)樁頂?shù)淖冃翁幱谙鲁岭A段并逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)?012年10月后基坑已開挖約20 m，接近坑底，隨著混凝土底板澆筑使土體荷載增加，并隨著下部結(jié)構(gòu)的施工，基礎(chǔ)底板和每層結(jié)構(gòu)梁板剛度形成后對(duì)圍護(hù)樁產(chǎn)生有效的約束，結(jié)構(gòu)自重的不斷增加，基底以下被動(dòng)區(qū)的土體回彈受到限制并產(chǎn)生少量壓縮變形，故圍護(hù)墻整體發(fā)生下沉，并最終趨于穩(wěn)定。

2.3 坑外地表沉降

本文選擇DB07和DB16斷面共6個(gè)測(cè)點(diǎn)作為分析對(duì)象，施工開挖期間坑外地表沉降曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出:(1)隨著基坑開挖深度增加，地表沉降加大，從2012年8月開始開挖至2012年12月底開挖至26 m，沉降曲線呈波動(dòng)下降形式，當(dāng)?shù)装鍧仓瓿珊?，曲線下降走勢(shì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，呈平緩直線;(2)地表沉降最大位置并非距基坑最近的地方，坑外地表沉降形態(tài)呈“凹”字型。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基坑距離依次為2、5、10 m，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，距基坑邊10 m的測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量最大，說明本基坑周邊土體沉降呈“凹”形特征;(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露的時(shí)間越長，坑外地表沉降變化越大，開挖18～23 m之間土層用了46天，DB07斷面地表沉降增加了63.6% ～71.4%，DB16斷面地表沉降增加了 64.3% ～73.1%，第五道支撐架設(shè)完成后15天之內(nèi)開挖至坑底，DB07斷面地表沉降增加了4.1% ～8.3%，DB16斷面地表沉降增加了1.9% ～9.5%，基坑暴露時(shí)間越長，地表沉降增長幅度越大，這一變形現(xiàn)象也與地下連續(xù)墻變形形狀相符合;(4)車輛荷載會(huì)加大地表沉降，DB16斷面位于工地圍擋外太平北路上，交通流量大，在車輛荷載作用下地表沉降明顯大于位于基坑內(nèi)的DB07斷面。

3 分析模型建立與計(jì)算分析

3.1 土體模型

本文截取武定門站主體結(jié)構(gòu)基坑標(biāo)準(zhǔn)段一個(gè)平面進(jìn)行模擬［7－8］，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬22 m，開挖深度為26 m，地下連續(xù)墻深度34 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，基坑影響范圍為開挖深度的2～3倍，而且為了減小邊界條件對(duì)結(jié)果的影響，需要選擇較大的邊界。由于基坑在寬度方向上幾何對(duì)稱，因此在建立有限元模型時(shí)只需要選擇基坑寬度的一般即11 m進(jìn)行分析。因此，本文土體邊界寬71 m，深50 m。

根據(jù)工程地質(zhì)勘探報(bào)告，以及相關(guān)工程地質(zhì)手冊(cè)，將土體分為8層，巖層分為2層。土層及巖層計(jì)算參數(shù)見表1。

3.2 計(jì)算模型的建立

根據(jù)以上說明，有限元模型中，土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元［9］模擬，地下連續(xù)墻采用板單元模擬，地下連續(xù)墻與附近土體的接觸面采用10節(jié)點(diǎn)Goodman單元模擬，支撐采用錨錠桿模擬。網(wǎng)格生成過程基于可靠三角剖分原理，通過搜索最優(yōu)三角形單元來生成非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格，PLAXIS軟件中可以自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。圖4為有限元幾何模型。

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

根據(jù)地下連續(xù)墻的受力情況，可以更好的理解地下連續(xù)墻的變形情況以及橫向支撐與地下連續(xù)墻的相互作用［10］，圖5 為第三、五、七、九、十一施工步中地下連續(xù)墻的彎矩圖，圖中地下連續(xù)墻右側(cè)為基坑。

表1 武定門站主體結(jié)構(gòu)基坑土層計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameter of foundation pit soil of body structure in Wuding gate station

從圖5可以看出，基坑開挖8 m時(shí)由于未架設(shè)支撐，地下連續(xù)墻呈懸臂結(jié)構(gòu)，此時(shí)在開挖范圍內(nèi)，上部地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)彎曲，即內(nèi)側(cè)受拉，而在開挖面之下，未被開挖的土體起到了支撐作用，支撐點(diǎn)以下連續(xù)墻外側(cè)受拉;當(dāng)基坑架設(shè)支撐繼續(xù)開挖之后，地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)受拉區(qū)域隨著開挖深度的增加而擴(kuò)大，而且彎矩大小也隨之增大，彎矩極值增加了220 kN·m左右，而在7 m深的位置由于架設(shè)一道鋼支撐，有效的減小了彎矩;當(dāng)基坑開挖到18m時(shí)，地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)受拉范圍繼續(xù)擴(kuò)大，此時(shí)7 m深處出現(xiàn)正彎矩，說明第二道鋼支撐正有效的發(fā)揮作用;當(dāng)基坑開挖到23 m時(shí)，連續(xù)墻內(nèi)側(cè)受拉區(qū)域繼續(xù)增加，而且彎矩極值也增加到1 080 kN·m，與第二道、第三道支撐假設(shè)后對(duì)地下連續(xù)墻的彎矩影響相比較，17 m處第四道支撐假設(shè)后，17 m以上位置地下連續(xù)墻的彎矩減小更為明顯，說明混凝土支撐的效果更好，因此當(dāng)基坑穩(wěn)定性要求較高時(shí)可以適當(dāng)增加一道混凝土支撐;當(dāng)基坑開挖至26 m時(shí)，地下連續(xù)墻17 m以上部分彎矩變化不大，17 m以下內(nèi)側(cè)受壓區(qū)域繼續(xù)增大，而且彎矩極值繼續(xù)增大。

本文實(shí)測(cè)值為接近基坑長邊中部位置的一個(gè)測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不同開挖深度下的地下連續(xù)墻深層水平位移實(shí)測(cè)值，計(jì)算值取第三、五、七、九、十一施工步的結(jié)果并加以整理。圖5為開挖至26 m時(shí)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比。計(jì)算得到的深層水平位移曲線呈現(xiàn)為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，而且最大側(cè)移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移。

開挖26 m深時(shí)地下連續(xù)墻最大側(cè)移計(jì)算值為49.29 mm，位于墻頂以下24 m;而監(jiān)測(cè)結(jié)果表明地下連續(xù)墻最大水平位移為53.59 mm，位于墻頂以下21.5 m。計(jì)算得到的地下連續(xù)墻水平位移最大值位置較實(shí)測(cè)值略小，誤差在8%左右，地下連續(xù)墻水平位移分布模式以及數(shù)值大小與實(shí)測(cè)結(jié)果比較符合。上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，此實(shí)例參數(shù)的選擇具有較高的可靠性。

隨著開挖深度的增加，彎矩極值的位置也隨之下移，而且除開挖8 m深時(shí)，極值位置一般位于開挖面以上0.5～1.5 m，這與地下連續(xù)墻側(cè)移最大值位置隨基坑開挖深度的增加而下移，而且側(cè)移最大值位置位于開挖面附近的現(xiàn)實(shí)情況是相符合的。

綜上可見，橫向支撐可以有效減小地下連續(xù)墻的彎矩，采用混凝土支撐效果更加明顯;但是地下連續(xù)墻受拉區(qū)域主要受開挖深度的影響，支撐的影響不大;本文建立的有限元模型地下連續(xù)墻彎矩計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

5 結(jié)論

1)計(jì)算得到的深層水平位移曲線呈現(xiàn)為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，而且最大側(cè)移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移。

2)橫向支撐可以有效減小地下連續(xù)墻的彎矩，采用混凝土支撐效果更加明顯;但是地下連續(xù)墻受拉區(qū)域主要受開挖深度的影響，支撐的影響不大;本文建立的有限元模型地下連續(xù)墻彎矩計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

［1］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

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