偏壓深基坑支護(hù)變形及地表沉降特征分析

肖定乾， 鄧園園

(1.湖南聯(lián)智科技股份有限公司， 湖南 長沙 410000； 2.湖南省公路設(shè)計有限公司， 湖南 長沙 410076)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，在地下空間開發(fā)的過程中，出現(xiàn)了較多基坑開挖緊鄰建筑物的特殊工程。臨近建筑物必然會對基坑內(nèi)支護(hù)體系的受力及變形造成較大影響；同時，基坑開挖也會對地表沉降造成不利影響，危及臨近建筑物的安全[1]。目前，國內(nèi)外部分學(xué)者以實(shí)際工程案例為背景，對深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及周邊地表沉降進(jìn)行了研究[2-5]。李淑等[6-7]對北京地區(qū)30多個深基坑的墻體及地表變形進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得到了很多有用的成果。吳意謙[8]、李磊等[9]對深基坑的數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際深基坑開挖結(jié)果是一致的。

然而，較少有學(xué)者針對偏壓深基坑的變形規(guī)律進(jìn)行分析。相對于非偏壓基坑來說，偏壓深基坑處于非對稱受力狀態(tài)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力型式較差。尤其超深基坑，在局部偏壓的作用下，偏壓側(cè)的沉降及位移更難控制，難以滿足規(guī)范要求；同時極有可能發(fā)生失穩(wěn)，對相鄰建筑物造成永久性破壞。因此，有必要對偏壓深基坑的支護(hù)變形和地表沉降特征進(jìn)行分析。為此，本文基于實(shí)際工程對偏壓深基坑的變形特征、支護(hù)措施及建筑物加固措施進(jìn)行了分析，為相關(guān)工程提供借鑒。

1 工程概況

該基坑為城市地鐵車站，是地下4層的島式換乘站，基坑總長150m，最大埋深約25m，采用明挖順筑法施工。支護(hù)體系采用1000mm地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。連續(xù)墻嵌入下部土體約8m，其中連續(xù)墻為C35混凝土。內(nèi)支撐共有5道，第1至第4道支撐為混凝土撐，最后1道支撐為鋼支撐，支撐間距從上至下分別為5.5、5.8、6.5、5.3m，指定冠梁頂標(biāo)高為0.0m?；臃?步開挖： ① 開挖至標(biāo)高-1.5m，施作冠梁和第1道混凝土撐；② 開挖至標(biāo)高-7.0m，施作第2道混凝土撐；③ 開挖至標(biāo)高-11.8m，施作第3道混凝土撐；④ 開挖至標(biāo)高-18.3m，施作第4道混凝土撐；⑤ 開挖至標(biāo)高-23.6m，施作第5道鋼支撐；⑥ 開挖至基坑底。由于該站位于城市中心，基坑?xùn)|側(cè)緊鄰2棟框架結(jié)構(gòu)高樓，其中一棟主樓22層(與基坑最近距離10m)；一棟主樓高28層(與基坑最近距離3m)，基坑開挖存在較大風(fēng)險。

該基坑自地面往下分別為圓礫填土、粉質(zhì)粘土、粉土、圓礫和泥巖，具體物理參數(shù)如表1所示。

表1 土體主要物理力學(xué)參數(shù)表材料類別密度ρ/(g·cm-3)內(nèi)聚力c內(nèi)摩擦角φ彈性模量E/GPa泊松比μ圓礫填土1.95 0250.0100.25粉質(zhì)粘土1.97 42140.0100.2粉土2.03 7200.0150.2圓礫2.06 0350.0300.2泥巖2.09 9019.30.0600.3

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型建立

本文采用Midas GTS進(jìn)行模型建立，巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，連續(xù)墻和支撐采用線彈性本構(gòu)模型。深基坑有限元模型如圖1所示。模型尺寸為250m×220m×60m，連續(xù)墻及砼支撐均采用C35混凝土。為高樓荷載簡化計算，通過壓力荷載施加在建筑物底板上，每層按15kPa均布荷載考慮，即主樓22層施加22×15=330kPa均布荷載，主樓28層施加28×15=420kPa均布荷載。具體參數(shù)見表2。

圖1 深基坑有限元模型

表2 襯砌主要物理力學(xué)參數(shù)表材料類別密度ρ/(g·cm-3)厚度(直徑)h/cm泊松比μ彈性模量E/GPa抗壓強(qiáng)度fcu/MPa連續(xù)墻2.58000.231.5035砼支撐2.58000.231.5035鋼支撐7.856090.3210.0235加固區(qū)2.0—0.25.00—

3 計算結(jié)果分析

3.1 偏壓深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

圖2為基坑開挖后連續(xù)墻的水平變形云圖。從圖中可以看出，臨近高樓一側(cè)(偏壓側(cè))的連續(xù)墻最大水平變形約13.5mm，最大變形位置在承受偏壓荷載位置附近，這證明偏壓荷載的存在，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生了較大影響；偏壓側(cè)與未偏壓側(cè)墻體最大位移出現(xiàn)的位置同樣集中在基坑開挖中心附近，呈上部位移小，底部位移小，中間位移大的“三角形”分布特征；未偏壓一側(cè)墻體的最大水平變形約7mm，偏壓一側(cè)墻體變形明顯比未偏壓一側(cè)大(增加了約48%)，這說明偏壓的存在對臨近一側(cè)的基坑支護(hù)側(cè)壁造成了不利影響，應(yīng)采取有效的加固措施。

圖3為基坑連續(xù)墻側(cè)移與基坑開挖深度之間的關(guān)系圖，圖中測點(diǎn)布置在靠近28層高樓一側(cè)連續(xù)墻處，具體測點(diǎn)位置見圖1。從圖3可以看出，當(dāng)未采取加固措施時，基坑最大側(cè)移為35.3mm，基坑頂部位移為20.4 mm，基坑變形較大，容易發(fā)生坍塌。采取袖閥管加固措施后，基坑最大側(cè)移約13.5mm，降低了約60%；基坑頂部位移約5mm，降低了約75%，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在實(shí)際施工過程中，基坑最大側(cè)移約14.5mm，基坑實(shí)際位移情況與數(shù)值模擬基本一致，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬的正確性?；觽?cè)墻最大側(cè)移隨基坑開挖深度呈“三角形”變化，最大側(cè)移位置大約在開挖深度12.5m處，即基坑開挖中心位置附近。

圖2 基坑開挖后連續(xù)墻水平變形云圖

圖3 基坑連續(xù)墻側(cè)移與基坑開挖深度關(guān)系圖

3.2 偏壓深基坑開挖后周邊沉降分析

圖4為深基坑開挖后周邊地表沉降圖，圖中以基坑側(cè)壁位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以遠(yuǎn)離基坑方向?yàn)闄M軸正向。由圖4可得，地表最終沉降表現(xiàn)為凹槽形，沉降最大位置距離基坑約10m。出現(xiàn)該凹槽形沉降，主要是由于基坑支護(hù)條件較好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置時間足夠長，靠近側(cè)壁土體在側(cè)墻摩擦力的作用下下沉稍慢，從而形成凹槽形沉降[6]。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在靠近基坑側(cè)壁位置地表處存在1.2mm的隆起，隆起范圍主要臨近基坑側(cè)壁，這可能是由于高樓的存在，使得臨近側(cè)壁的土體在擠壓作用下產(chǎn)生一定隆起。在未采取加固措施的條件下，基坑周邊地表最大沉降約17.6mm，將對周邊建筑造成較大的不利影響；而在采取加固措施后，地表最大沉降約5.1mm，降低了約71%，說明袖閥管加固措施是有效的。

圖4 深基坑開挖后周邊沉降圖

3.3 偏壓深基坑開挖對臨近高樓的變形影響分析

圖5為基坑偏壓側(cè)28層高樓(最近距離3m)最大沉降與基坑開挖深度關(guān)系圖。從圖可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，建筑物最大累積沉降不斷增加，且基坑在第2～5步開挖時沉降變化最大?；娱_挖造成的地層損失使得地表建筑物產(chǎn)生了較大沉降，數(shù)值模擬中建筑物最大沉降約16.3mm；在采取加固措施后，建筑物最大沉降約4.8mm，減低了約68%。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，本文數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果變形規(guī)律基本一致，進(jìn)一步證明了本文提出的偏壓深基坑支護(hù)變形、地表沉降特征的有效性。對于偏壓深基坑，若不采取有效加固措施，其偏壓一側(cè)無論是側(cè)墻的水平位移、地表沉降還是建筑物沉降都是非常大的，且一旦超過臨界值，極有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖5 周邊高樓最大沉降隨基坑開挖深度變化圖

4 結(jié)論

1) 靠近偏壓高樓一側(cè)基坑側(cè)墻變形較大，地表沉降較大，需要采取較強(qiáng)的加固措施；基坑側(cè)墻最大側(cè)移隨基坑開挖深度呈“三角形”變化，最大側(cè)移位置在基坑開挖中心位置附近。

2) 在采取袖閥管加固措施后，基坑側(cè)墻最大側(cè)移約13.5mm，降低了約60%；基坑頂部位移約5mm，降低了約75%，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 地表沉降表現(xiàn)為凹槽形，在采取加固措施后，沉降最大位置距離基坑約10m，地表最大沉降約5.1mm，降低了約71%，表明袖閥管加固措施是有效的。

4) 對于偏壓深基坑，若不采取有效加固措施，其偏壓一側(cè)側(cè)墻的水平位移、地表沉降及建筑物沉降都是非常大的，如不采取有效措施，一旦超過臨界值，極有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。