深大基坑開挖過程中地下連續(xù)墻位移與應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究

杜建安，李 騰，楊松松，王晨龍

(1.太原理工大學(xué) a.礦業(yè)工程學(xué)院，b.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.太原市城市建設(shè)管理中心，太原 030009；3.中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安 271000)

深大基坑的圍護(hù)多采用地下連續(xù)墻，在地下連續(xù)墻澆筑與基坑開挖過程中如何確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是巖土工程界十分關(guān)注的重要問題[1]。尹文穩(wěn)[2]以彈性地基法為基礎(chǔ)，利用深大基坑分布式開挖的特點(diǎn)對(duì)地下連續(xù)墻體的側(cè)向位移進(jìn)行預(yù)測(cè)。王晗[3]通過對(duì)筏板基礎(chǔ)大體積混凝土進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)大體積混凝土的開裂方式進(jìn)行分類，同時(shí)結(jié)合有限元軟件對(duì)混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬研究，指出大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律。張文朋[4]通過對(duì)地連墻水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)與研究，提出基坑開挖過程中地連墻的水平位移計(jì)算方法。劉戈等[5]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)基坑開挖過程中地連墻周圍土體的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)提出基坑開挖過程中不同位置處的應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)于基坑支護(hù)有一定的指導(dǎo)作用。在大體積混凝土澆筑中如不考慮氣溫對(duì)混凝土內(nèi)部應(yīng)力的影響，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)或理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力變化存在一定的誤差[6]。地連墻澆筑過程中大體積混凝土散熱困難使得地連墻局部溫差過大，從而導(dǎo)致混凝土表面及內(nèi)部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此對(duì)于混凝土的應(yīng)力監(jiān)測(cè)是十分必要的。溫度對(duì)于光纖液位計(jì)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有很大的影響，傳統(tǒng)地下連續(xù)墻沉降監(jiān)測(cè)過程中沒有考慮溫度對(duì)傳感器的影響，因此所得到的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向沉降值存在一定的誤差。為了消除溫度對(duì)傳感器精度的影響，本次研究在利用光纖光格柵傳感器對(duì)混凝土內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，通過溫度補(bǔ)償措施提高了光纖傳感器監(jiān)測(cè)精度，消除了溫度對(duì)傳感器應(yīng)力與位移監(jiān)測(cè)的影響，得到了地連墻應(yīng)力與基坑開挖過程的應(yīng)力分布情況，監(jiān)測(cè)了在基坑開挖過程中地連墻的位移變化規(guī)律。

1 工程概況

火車站五號(hào)蓄水池位于太原市五龍口街與紅溝路交叉口的西北角，用于調(diào)節(jié)五龍口街以北區(qū)域的雨洪，五號(hào)蓄水池池底標(biāo)高802.5 m，水池深度17.9 m，蓄水池東西長(zhǎng)154 m，南北寬30 m.蓄水池基坑土方開挖量巨大，需對(duì)蓄水池圍護(hù)結(jié)構(gòu)——鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。利用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)地下連續(xù)墻的水平位移，通過安裝在蓄水池的第一道橫撐冠梁上的光纖光柵液位計(jì)監(jiān)測(cè)地下連續(xù)墻體的豎向位移，同時(shí)利用光纖液位計(jì)對(duì)地下連續(xù)墻混凝土橫撐內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖1為蓄水池基坑鋼筋混凝土橫撐支護(hù)情況。

圖1 蓄水池基坑鋼筋混凝土支護(hù)Fig.1 Reinforced concrete support for reservoir pit

2 監(jiān)測(cè)儀器

太原火車站蓄水池地下連續(xù)墻水平位移采用固定式光纖光格柵測(cè)斜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本次對(duì)于蓄水池周圍的監(jiān)測(cè)采用分布式光纖傳感器，監(jiān)測(cè)測(cè)試對(duì)象分別是蓄水池南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)3個(gè)斷面，從南到北依次為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)測(cè)斜孔。每側(cè)地連墻安裝3副分布式光纜。蓄水池鋼筋混凝土支撐內(nèi)部應(yīng)力變化采用分布式傳感光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在第一道鋼筋混凝土支撐上布設(shè)1個(gè)斷面，在鋼筋籠上布設(shè)1條金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜以及溫度補(bǔ)償光纜，應(yīng)變與溫度光纜呈U型回路，光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基坑布置如圖2所示。采用測(cè)斜儀對(duì)基坑開挖過程中的地連墻的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用光纖光柵液位計(jì)對(duì)地連墻豎向沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖3為地連墻監(jiān)測(cè)傳感光纜布設(shè)示意圖。

圖2 光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基坑布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the foundation pit layout of the fiber monitoring system

圖3 地連墻監(jiān)測(cè)傳感光纜布設(shè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the optical fiber cable for monitoring the ground connection wall

3 蓄水池位移監(jiān)測(cè)

3.1 蓄水池水平位移分析

為了能更好地分析基坑開挖過程中具體施工環(huán)節(jié)對(duì)蓄水池混凝土地下連續(xù)墻水平位移的影響，對(duì)基坑開挖當(dāng)日的地下連續(xù)墻水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖4(a)為基坑開挖到4 m位置處1號(hào)測(cè)點(diǎn)15 h內(nèi)不同位置處的水平位移變化情況。從圖中可以看出，在基坑開挖過程中各測(cè)點(diǎn)水平位移都存在一定的波動(dòng)，但其位移值總體較小，最大變化范圍不超過1.0 mm，分析其原因是在開挖過程中基坑周圍土體在冠梁和鋼筋混凝土橫撐的支撐作用下所產(chǎn)生的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過程，一般短期內(nèi)不存在位移突變。圖4(b)為基坑開挖到7 m位置處2號(hào)測(cè)點(diǎn)15 h內(nèi)不同位置處的水平位移。從圖中的監(jiān)測(cè)曲線可以看出，在基坑開挖至第二層監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近時(shí)地連墻周圍土荷載對(duì)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)7 m位置處的影響較大，該位置處水平位移變化較為明顯。由于第二道鋼筋混凝土支撐位于基坑埋深6 m位置處，隨著基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，此時(shí)第二道橫撐開始發(fā)揮作用，阻止基坑發(fā)生較大的變形。7 m位置處測(cè)斜儀的水平位移出現(xiàn)突變，而其他監(jiān)測(cè)位置點(diǎn)的水平位移比較穩(wěn)定，一方面是因?yàn)楫?dāng)?shù)剡B墻受到周圍土壓作用時(shí)逐漸發(fā)生變形，第二道支撐開始發(fā)揮作用，導(dǎo)致7 m位置處的地連墻位移發(fā)生突變；另一方面是基坑土方開挖過程中基坑底部挖掘機(jī)器產(chǎn)生的動(dòng)荷載，會(huì)影響混凝土內(nèi)部的受力狀況，使混凝土地連墻產(chǎn)生位移突變。當(dāng)開挖到基坑下方設(shè)計(jì)深度時(shí)，由于基坑下部土體未開挖，基底下部地連墻的嵌固作用導(dǎo)致基坑底部地連墻水平位移不明顯。

圖4 地連墻15 h內(nèi)測(cè)斜孔各層水平位移Fig.4 Horizontal displacement of each layer of the inclined hole in the ground wall

圖5為整個(gè)基坑開挖過程中地連墻的總體水平位移監(jiān)測(cè)情況。整體來看，隨著基坑開挖深度的增加，蓄水池地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移呈增大趨勢(shì)。

圖5 地連墻水平位移監(jiān)測(cè)Fig.5 Horizontal displacement monitoring of the ground wall

由圖5可知，1號(hào)測(cè)斜孔10.5 m深處時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移已經(jīng)達(dá)到23 mm，2號(hào)測(cè)斜孔7.0 m深處時(shí)的最大水平位移達(dá)到28 mm，兩處測(cè)點(diǎn)最大水平位移均在基坑中部，但未超過支護(hù)結(jié)構(gòu)最大容許水平位移一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]0.002 5h(其中h為基坑開挖深度，mm).基坑下部17.0 m深處時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移曲線變化幅度較小，最大位移值較小，處于安全范圍內(nèi)但還應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)突發(fā)狀況。

3.2 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究

利用FLAC3D對(duì)火車站基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，由于基坑左右對(duì)稱，因此在模擬過程中取實(shí)際基坑長(zhǎng)度的一半進(jìn)行建模，模型中基坑開挖尺寸長(zhǎng)度77 m，寬度30 m，基坑深度17.9 m.根據(jù)圣維南原理邊界條件[8]，土方開挖對(duì)周圍土層變形的影響范圍約為開挖尺寸的3～5倍，數(shù)值模擬過程中模型的尺寸應(yīng)當(dāng)大于開挖土體3倍以上，因此整體模型的尺寸為220 m×90 m×40 m，網(wǎng)格劃分的原則為基坑附近密集，遠(yuǎn)處稀疏?；幽Ｐ腿鐖D6(a)所示，圖6(b)為基坑開挖模擬水平位移云圖。

圖6 基坑開挖模擬圖Fig.6 Simulation of excavation of foundation pits

圖7為FLAC3D數(shù)值模擬基坑開挖結(jié)束后，地連墻水平位移預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。由模擬曲線可以看出，地連墻的水平位移先增大而后達(dá)到位移峰值點(diǎn)，之后地連墻水平位移逐漸減小，到基坑底部水平位移接近于0 mm.模擬曲線的峰值點(diǎn)大約為基坑埋深11 m的位置處。從圖中可以看出模擬數(shù)據(jù)略小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析其原因是蓄水池基坑周圍施工車輛行進(jìn)過程中產(chǎn)生的動(dòng)荷載施加到基坑地連墻上，使地連墻產(chǎn)生了一定的附加水平位移。從模擬結(jié)果中可以看出，在基坑開挖到頂部時(shí)，水平位移為負(fù)值，此時(shí)基坑頂部地連墻受到拉應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)力矩的作用，因此在設(shè)置橫撐時(shí)基坑第一道橫撐只能采用鋼筋混凝土支撐。

圖7 地連墻模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of ground wall simulation and measured data

3.3 蓄水池豎向位移分析

由于溫度對(duì)液位計(jì)測(cè)量結(jié)果影響較大[9-11]，在測(cè)量基坑沉降過程中必須消除1 d內(nèi)不同時(shí)間段氣溫變化對(duì)基坑沉降測(cè)量結(jié)果的影響，因此使用參考光柵法。參考光柵法是在應(yīng)變測(cè)量的光柵旁放置另一只光柵，測(cè)量光柵與參考光柵串聯(lián)起來，參考光柵處于自由狀態(tài)且與被測(cè)結(jié)構(gòu)處于相同的溫度場(chǎng)中，只感受溫度的變化，不受應(yīng)變的影響[12]。剔除了溫度對(duì)測(cè)量點(diǎn)液位計(jì)讀數(shù)值的影響，即可得到準(zhǔn)確的基坑沉降值。選取基坑開挖過程中五月中旬1 d內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取1 d內(nèi)的波長(zhǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合光纖光柵液位計(jì)的標(biāo)定公式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過下式可以計(jì)算出溫度影響下液位計(jì)的地連墻沉降值[13]：

t=Kt(P-P0) .

(1)

S=KP((P-P0)-KT(t-t0)) .

(2)

式中：S為沉降值，mm；t為溫度值，℃；KP為液位計(jì)應(yīng)力與波長(zhǎng)變化量的比例系數(shù)；KT為液位計(jì)波長(zhǎng)變化量與溫度的比例系數(shù)；Kt為溫度傳感器測(cè)量值與波長(zhǎng)的比例系數(shù)；P為某一溫度下液位計(jì)測(cè)量波長(zhǎng)，nm；P0為初始溫度下液體計(jì)測(cè)量波長(zhǎng)，nm.

光纖光柵液位計(jì)安裝于蓄水池南、西、北三側(cè)的冠梁上，依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)液位計(jì)。以當(dāng)天解調(diào)儀所測(cè)得的第一個(gè)溫度波長(zhǎng)作為初始波長(zhǎng)，按照公式(1)得出1 d內(nèi)溫差變化曲線如圖8(a)所示。圖8(b)為當(dāng)天受溫度影響的液位計(jì)沉降值變化曲線，從液位計(jì)沉降監(jiān)測(cè)值中剔除此溫度影響值即可得到準(zhǔn)確的地連墻沉降值。

圖8 液位計(jì)溫度補(bǔ)償曲線Fig.8 Temperature compensation curve of level gauge

以此方法對(duì)基坑開挖過程中地連墻的豎向沉降進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)液位計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果曲線如圖9所示。

圖9 基坑豎向累計(jì)沉降量Fig.9 Vertical cumulative settlement of foundation pit

從圖9中可以看出，隨著基坑的開挖，蓄水池三側(cè)冠梁上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移均呈緩慢增大的趨勢(shì)。由于基坑開挖過程是基坑內(nèi)土體卸載的過程，隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，地連墻的豎向位移整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在圖9的沉降曲線中，基坑開挖15 d之前的沉降曲線斜率明顯小于20 d之后的沉降曲線斜率，其原因是基坑前期開挖完畢后，基坑內(nèi)土體與地連墻接觸面減小，造成土體與地連墻之間的摩阻力降低，故基坑開挖后期地連墻的豎向沉降速率較前期加快。

4 混凝土支撐應(yīng)力監(jiān)測(cè)

基坑正式開挖之前對(duì)太原火車站蓄水池基坑第一層鋼筋混凝土支撐所布設(shè)的溫度光纜和應(yīng)變光纜進(jìn)行了測(cè)試，作為初始數(shù)據(jù)計(jì)算得到基坑未開挖時(shí)鋼筋混凝土支撐的應(yīng)力變化，應(yīng)力曲線中剔除溫度對(duì)混凝土內(nèi)部應(yīng)力的影響，從而得到基坑開挖前鋼筋混凝土支撐的初始應(yīng)力曲線如圖10(a)所示。結(jié)合實(shí)際工況可以發(fā)現(xiàn)，蓄水池橫撐左側(cè)和中部初始應(yīng)力較小，主要是由于蓄水池開挖順序?yàn)閺臇|到西，初始波長(zhǎng)測(cè)試時(shí)基坑開挖至蓄水池中部位置，該應(yīng)力曲線近似呈正態(tài)分布。從圖10(a)初始應(yīng)力曲線中可以看出，蓄水池右側(cè)水平應(yīng)力大于左側(cè)水平應(yīng)力，主要是因?yàn)橛覀?cè)鋼筋混凝土支撐上部有較大的荷載?；炷林紊喜康呢Q向荷載導(dǎo)致支撐右側(cè)混凝土產(chǎn)生較大的變形，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部應(yīng)力增大。

圖10 鋼筋混凝土應(yīng)力曲線Fig.10 Stress curve of reinforced concrete

從圖10(a)中可以看出，鋼筋混凝土支撐初始應(yīng)力變化較小，主要是因?yàn)殇摻罨炷林螐?qiáng)度較大，同時(shí)與基坑周圍的地連墻共同作用使得整體性好，基坑中土方未開挖，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定。圖10(b)是基坑開挖10 m鋼筋混凝土應(yīng)力變化曲線，從圖中可以看出，曲線波動(dòng)幅度較大，相比于初始應(yīng)力曲線應(yīng)力值有小幅度的增長(zhǎng)，其最大應(yīng)力值在15 000 Pa左右，隨著蓄水池基坑開挖深度的增加，鋼筋混凝土支撐應(yīng)力有一定增加，但增加幅度不大。隨著基坑開挖深度的增加，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形增大，混凝土支撐的內(nèi)部應(yīng)力也隨之增大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

1) 通過對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻墻體的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于受到基坑內(nèi)部土體開挖卸載，地連墻內(nèi)外土面高差增大的影響，隨著基坑開挖深度的增加，基坑四周地下連續(xù)墻水平位移逐漸增大，在基坑深度中部位置處水平位移達(dá)到最大值。繼續(xù)開挖到接近基坑底部時(shí)，由于地下連續(xù)墻在基底下方土體中的嵌固作用，水平位移值較小。

2) 溫度對(duì)于傳感器的影響較大。在地下連續(xù)墻監(jiān)測(cè)過程中為了消除溫度對(duì)傳感器的影響，采取溫度補(bǔ)償?shù)拇胧﹣硐饨鐪囟葘?duì)傳感器的影響，從而得到更準(zhǔn)確的混凝土變形監(jiān)測(cè)結(jié)果。光纖傳感器在考慮溫度補(bǔ)償后監(jiān)測(cè)精度較高，通過光纖傳感器監(jiān)測(cè)地連墻的水平位移結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較高。

3) 根據(jù)模擬及監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得出，在基坑開挖中部位置處，地連墻水平位移達(dá)到最大，在該處應(yīng)加強(qiáng)橫撐支護(hù)，以保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。從模擬結(jié)果中可以看出，基坑開挖到頂部時(shí)，地連墻水平位移為負(fù)值，此時(shí)橫撐受到拉應(yīng)力以及扭轉(zhuǎn)力矩的作用，故一般情況下基坑第一道橫撐盡量采用鋼筋混凝土支撐避免采用鋼管支撐。

4) 基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的豎向位移整體呈上升趨勢(shì)。由于基坑開挖后期基坑內(nèi)部土體與地下連續(xù)墻之間的摩阻力降低，地下連續(xù)墻基坑開挖后期的豎向沉降速率較前期加快。