深海淤泥地層深基坑施工數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析

雷 振

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市土地需求增加，地下空間有效開(kāi)發(fā)成為拓寬交通、節(jié)省資源的重要方式。地鐵車(chē)站施工是地鐵建設(shè)的重點(diǎn)，而在車(chē)站基坑建設(shè)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于深基坑的安全穩(wěn)定和工程造價(jià)有著重要的影響，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，施工工藝不當(dāng)時(shí)容易發(fā)生事故，帶來(lái)事故隱患[1-5]。因此，地鐵工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性研究是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

本文以深圳益田停車(chē)場(chǎng)施工為背景，調(diào)查研究了地鐵車(chē)站附近地質(zhì)狀況，介紹了圍護(hù)形勢(shì)和施工工藝，并對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)地表沉降、樁頂水平位移、支撐軸力和樁頂沉降進(jìn)行了一系列的分析處理[6-9]。

1 工程概況與地質(zhì)情況

1.1 工程概況

益田停車(chē)場(chǎng)是全地下雙層停車(chē)場(chǎng)，用地性質(zhì)為城市綠地，是規(guī)劃選址用地。益田停車(chē)場(chǎng)主體基坑長(zhǎng)555.70 m，寬50.75 m，基坑開(kāi)挖深度21.70 m，南北側(cè)分別為福榮路及廣深高速公路。

基坑采用明挖順筑法施工，基坑寬度約6.20 m～10.80 m，基坑深度約14.76 m～17.14 m；主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要選用800 mm地下連續(xù)墻。場(chǎng)地范圍內(nèi)淤泥層厚度為10 m左右，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)型式，基坑豎向設(shè)置3道支撐。第一道鋼支撐采用鋼筋混凝土，水平間距為4 m。第二、三道支撐采用Φ609@2000鋼管支撐。施工平面圖如圖1所示。

圖1施工平面圖

1.2 地質(zhì)情況

基坑范圍地層自上而下依次為素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。支護(hù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型是地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐的形式。地連墻槽壁采用雙排攪拌樁，并設(shè)置隔墻來(lái)防止滑移。淤泥質(zhì)土具有抗剪性能低，承載力低等特點(diǎn)會(huì)影響地層的沉降規(guī)律[10-15]。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬軟件

目前進(jìn)行的是一號(hào)隧道東側(cè)已開(kāi)挖段的數(shù)值模擬，得到開(kāi)挖各步驟的位移及應(yīng)力云圖，與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用以結(jié)合勘察和室內(nèi)試驗(yàn)資料，反演施工地的各地層力學(xué)參數(shù)。

目前3D模型完成有限元建模，但尚未進(jìn)行計(jì)算。采用2D模型進(jìn)行了12組試算。

本次模擬采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模，F(xiàn)LAC3D有限差分軟件進(jìn)行有限差分計(jì)算。

2.2 三維建模

依托1號(hào)隧道東側(cè)開(kāi)挖段建立三維有限元模型。廣深高速路基、福榮路路基和1號(hào)隧道按實(shí)際位置走向建模。有限元模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 整體模型

圖3 主要結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

圖4支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.3 二維建模及計(jì)算

2.3.1 模型建立

取1號(hào)隧道東側(cè)基坑中部截面建立二維有限元模型。模型寬124 m，高50 m。兩側(cè)道路寬分別為38 m和10 m，采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共劃分為12 441個(gè)單元和4 035個(gè)節(jié)點(diǎn)。在廣深高速地表布設(shè)20 kN的均布豎向壓力。模擬開(kāi)挖位移從地連墻施工完成開(kāi)始計(jì)。

2.3.2 模型參數(shù)

模擬中土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，支撐部分采用彈性屈服準(zhǔn)則。模擬中彈性模量E的取值目前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式一般取2倍～5倍Es。用目前進(jìn)行的12組試算結(jié)果，對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果，大致確定E=4Es。其他土層參數(shù)按照勘測(cè)報(bào)告取值，勘測(cè)報(bào)告沒(méi)有給出的，采用深圳地區(qū)其他工程取值暫時(shí)代替，材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)取值

2.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

開(kāi)挖完成時(shí)土體橫向變形云圖如圖5、圖6所示，由于土體開(kāi)挖，基坑周邊的地連墻由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，原有平衡被打破，在后方土體的擠壓下，地連墻向基坑方向產(chǎn)生變形。此次模擬結(jié)果顯示，變形最大的位置位于基坑中上部，橫向變形值約為8 mm。對(duì)比圖6施作第二道支撐步橫向變形云圖，樁頂橫向位移在第二道支撐完成后即發(fā)育完成，后期變形對(duì)樁頂位移影響較小。

圖5開(kāi)挖完成橫向變形云圖

圖6施作第二道支撐橫向變形云圖

豎向沉降計(jì)算結(jié)果如圖7所示，在卸載作用下，坑底回彈較大，回彈值為6 cm，因本次模擬采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，地表也產(chǎn)生一定回彈。

圖7豎向沉降計(jì)算

橫向應(yīng)力云圖如圖8所示，壓應(yīng)力最大位置位于第二道支撐，應(yīng)力值為1.80 MPa，最大拉應(yīng)力位于地表，應(yīng)力值為0.24 MPa。第一道支撐壓應(yīng)力數(shù)值為0.90 MPa，第三道支撐應(yīng)力值為0.50 MPa。第一道和第二道支撐應(yīng)力分布規(guī)律與設(shè)計(jì)院給出的設(shè)計(jì)軸力規(guī)律一致，第三道支撐模擬值略小。

圖8橫向應(yīng)力云圖

塑性區(qū)分布圖如圖9所示，在開(kāi)挖過(guò)程中，基坑兩側(cè)的素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏性土均進(jìn)入塑性剪切應(yīng)變狀態(tài)，地連墻兩側(cè)土體受地連墻影響均進(jìn)入塑性剪切應(yīng)變狀態(tài)。淤泥層出現(xiàn)一定的拉伸破壞。

圖9塑性區(qū)分布

2.3.4 模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

在基坑工程中，地表豎向沉降量是監(jiān)測(cè)控制的重要組成部分，對(duì)地表沉降量監(jiān)測(cè)圖如圖10所示。

圖10地表豎向沉降量

由圖10可知，在不同開(kāi)挖階段，基坑的地表豎向沉降量大致相同，隨著距基坑中線距離的增加，沉降量先增加后減小最后趨于穩(wěn)定。在距中線28 m處模擬最大沉降值達(dá)到了10.2 mm，在77 m后地表沉降變化不大，在1.0 mm左右波動(dòng)。第四部分開(kāi)挖后實(shí)際測(cè)量最大值為11.0 mm，比模擬值大10%左右，且變化趨勢(shì)與模擬大致相同。由此可知，模擬結(jié)果接近實(shí)際情況，較為正確。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)的需要，現(xiàn)對(duì)地表沉降、支撐軸力、水位沉降等進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖11所示。

圖11監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1 地表沉降

通過(guò)對(duì)1號(hào)隧道東側(cè)基坑外地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)，地表沉降數(shù)據(jù)如圖12、圖13所示(數(shù)值為正代表隆起，數(shù)值為負(fù)代表沉降)。

圖12 D2方向地表沉降數(shù)據(jù)圖

圖13 D3方向地表沉降數(shù)據(jù)圖

由圖12、圖13的沉降量曲線可知，D2-1、D2-2、D2-3與D2-6監(jiān)測(cè)點(diǎn)從9月1日至10月15日沉降量比較大，隨后的沉降量的累計(jì)變形量有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。而D2-4與D2-5監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量從9月1日開(kāi)始，其變形沉降量已經(jīng)穩(wěn)定。D3方向上，可以看出D3-1—D3-5監(jiān)測(cè)點(diǎn)在9月1日至10月31日之間，其沉降變形量是穩(wěn)定的，隨后的變形量隨著施工的進(jìn)行明顯增大，但是其變化總量沒(méi)有超過(guò)5 mm。

基坑周?chē)牡乇沓两蹈交拥木嚯x有關(guān)。距離基坑越近，受基坑開(kāi)挖的影響越大。但基坑北部個(gè)別點(diǎn)位出現(xiàn)沉降過(guò)大的情況，主要是因?yàn)槭┕C(jī)械干擾，在承受載荷部位沉降較大。

3.2 樁頂水平位移

為研究基坑邊坡隨土方施工過(guò)程的穩(wěn)定性,最直接有效的方法就是監(jiān)測(cè)基坑圍護(hù)樁的水平位移變化規(guī)律。樁身位移可以由變形反映出來(lái)，位移既是監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容之一,也是考察圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能的重要指標(biāo)。通過(guò)分析已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。樁頂水平位移如圖14所示。

備注：X變化量為“+”代表往基坑外側(cè)，X變化量為“-”代表往基坑內(nèi)側(cè)；Y變化量為“+”代表向東位移，Y變化量為“-”代表向西位移

圖14樁頂水平位移

由樁頂X方向位移曲線可以看出：在施工期內(nèi)，QW01監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐步向基坑內(nèi)傾斜，QW03與QW04監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化基本不大，可以認(rèn)為在此施工期內(nèi)是穩(wěn)定的。QW06監(jiān)測(cè)點(diǎn)有逐步向基坑外傾斜的趨勢(shì)。

由樁頂Y方向位移曲線可以看出，QW01與QW02在9月21日至10月11日期間隨著施工的進(jìn)行向西的位移增量比較劇烈，在10月11日之后其只有少許的波動(dòng)，變化量不大；QW04隨著施工的進(jìn)行穩(wěn)步向西移動(dòng)；QW05同樣隨著施工的進(jìn)行穩(wěn)步向西移動(dòng)，但是較QW04而言，其幅度較小。

由于基坑周?chē)乇硎┕C(jī)械荷載的影響，曲線表現(xiàn)出一定的不規(guī)律性，但總體來(lái)說(shuō)，水平位移量較小?？傮w上廣深高速一側(cè)的位移大于福榮路一側(cè)。

本基坑明挖法施工過(guò)程中，第一層支護(hù)完成初期,樁身呈現(xiàn)出前傾型變形模式。之后，隨著第二層土層開(kāi)挖，支撐開(kāi)始施作，樁身水平位移向基坑內(nèi)外均有不同幅度發(fā)展，隨著第二層支護(hù)開(kāi)始施工，位移趨于穩(wěn)定。

3.3 支撐軸力

通過(guò)對(duì)1號(hào)隧道東側(cè)基坑支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)，支撐軸力如圖15所示(數(shù)值為正代表拉伸，數(shù)值為負(fù)代表壓縮)。

圖15支撐軸力

由圖15可以看出：8月6日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置后，第一層支撐結(jié)構(gòu)開(kāi)始承受壓力，支撐軸力迅速增加，另外隨著第一層和第二層支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的土體開(kāi)挖，軸力增加速度較大。8月14日第二層土體基本開(kāi)挖結(jié)束，支撐軸力達(dá)到2 373 kN,并基本趨于穩(wěn)定，8月20日左右因第二層支護(hù)開(kāi)始施工，支護(hù)預(yù)應(yīng)力的存在，第一層支撐軸力減小至1 810 kN，隨后由于土體的固結(jié) 變形作用增加到2 887 kN，此過(guò)程變化速率較緩，變形基本穩(wěn)定。支撐應(yīng)力相比模擬結(jié)果較大。鋼支撐的軸力變化與水平位移變化規(guī)律有一定的相似性，說(shuō)明軸力的變化在一定程度上也能反映水平位移。

3.4 樁頂沉降

通過(guò)對(duì)1號(hào)隧道東側(cè)樁頂沉降位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：樁頂沉降位移累計(jì)均小于9 mm。結(jié)果表明，樁頂沉降位移均可控制在要求范圍內(nèi)。

樁頂沉降位移如圖16所示(數(shù)值為正代表隆起，數(shù)值為負(fù)代表沉降)。

從樁頂沉降曲線圖中可以看出：QC01、QC02、QC03 、QC04與QC05監(jiān)測(cè)點(diǎn)于10月20日左右，其沉降量逐步增大，并達(dá)到6 mm左右，而QC06監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量依然穩(wěn)定在2 mm附近，變化量并不大。

圖16樁頂沉降位移

4 結(jié) 論

本文在益田停車(chē)場(chǎng)的基礎(chǔ)上，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與合理性，并對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)地表沉降、樁頂水平位移、支撐軸力和樁頂沉降進(jìn)行了一系列的分析處理。得出以下結(jié)論：

(1) 支護(hù)形式的確定要考慮地質(zhì)條件、周邊環(huán)境和工程造價(jià)的影響，單一支撐形式是很難滿(mǎn)足要求的。

(2) 第一層支護(hù)完成初期,樁身呈現(xiàn)出前傾型變形模式。隨著第二層土層開(kāi)挖，支撐開(kāi)始施作，樁身水平位移向基坑內(nèi)外均有不同幅度發(fā)展，位移趨于穩(wěn)定。

(3) 支撐軸力會(huì)隨著施工和氣溫等因素有所波動(dòng)，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，支撐軸力會(huì)急劇增加，最后趨于穩(wěn)定值。

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