沿海地區(qū)復雜地質(zhì)條件下三角形深大基坑變形實測分析與數(shù)值模擬研究

劉 穎，相斌輝，扶名福

(1.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌330031； 2.南昌工程學院 江西省水利土木特種加固與安全監(jiān)控工程研究中心，江西 南昌 330099)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程日益加快，近幾十年來各大城市建設(shè)項目數(shù)量和規(guī)模迅速增大。城市內(nèi)部建設(shè)用地也越來越緊張，城市的發(fā)展逐漸開始向空中和地下尋求空間，但無論是高層建筑還是地下建筑，均需要通過大量技術(shù)復雜的基坑工程項目來實現(xiàn)[1-5]。例如，至2019年上海地區(qū)新建的商業(yè)綜合體地下項目達幾十個，開發(fā)面積均超過10×104m2，單個基坑工程的開挖面積一般超過2×104m2，上海虹橋綜合交通樞紐工程基坑開挖面積達35×104m2。在基坑工程大規(guī)模飛躍發(fā)展的同時，市區(qū)密集的建筑也使得這些基坑周圍的環(huán)境越來越復雜，場地紅線經(jīng)常緊靠已有的高層建筑、運營的軌道交通、雨水電力管線、城市道路與高架等建(構(gòu))筑物，從而導致基坑形狀呈現(xiàn)越來越不規(guī)則的趨勢。同時基坑施工過程中周邊環(huán)境越來越復雜，使得基坑的環(huán)境保護要求也越來越高[6-7]。一方面由于我國東部沿海地區(qū)地質(zhì)條件復雜，地下水位高，土體具有強度低、變形大等特點，在上海市區(qū)開挖深大基坑時，基坑圍護結(jié)構(gòu)和周圍地層的變形會導致基坑發(fā)生傾覆、隆起等失穩(wěn)破壞以及圍護結(jié)構(gòu)嚴重漏水、突涌、流土等難題；另一方面，繁華市區(qū)基坑工程開挖引起的周圍土體變形不可避免地對鄰近既有建(構(gòu))筑物和地下管線產(chǎn)生不良影響，如引起鄰近建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，導致上部結(jié)構(gòu)開裂等。若在基坑施工過程中對基坑變形控制措施不到位或支護體系承載力不足時，基坑變形會超過周圍環(huán)境所能承受的最大值，將引起周圍建筑物倒塌、地下管線斷裂等工程事故，造成重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響[8-10]。

目前，國內(nèi)外針對軟土地區(qū)常見的矩形基坑自身穩(wěn)定性和開挖引起的地層變形問題開展了較為豐富的研究，在理論分析[11-13]、現(xiàn)場實測[14-17]和數(shù)值模擬[18-21]等方面均取得了一定的研究成果，對于常規(guī)矩形基坑的變形機理和設(shè)計優(yōu)化有了一定的認識。但針對異形基坑變形規(guī)律的研究以及基坑陽角、長邊、短邊等尺寸因素對于基坑圍護結(jié)構(gòu)及周圍地層變形規(guī)律影響的研究還鮮有報道。以往對于基坑開挖變形的研究，大多基于平面應變假設(shè)，將基坑開挖引起周圍地層變形分析簡化為二維模型，忽略了基坑的空間效應[22]。且在城市密集建筑群中施工的基坑，由于用地緊張等因素，大多呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀，其變形規(guī)律受到基坑形狀的影響較大，基坑變形空間效應明顯?？梢钥闯?，如何在保證基坑自身安全和變形要求的前提下，控制由于基坑施工引起的周圍地層變形，結(jié)合基坑具體幾何形式分析施工過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)及周圍地層的變形機理，提出軟土地層復雜環(huán)境下的基坑設(shè)計、施工優(yōu)化技術(shù)，是確保沿海地區(qū)復雜環(huán)境條件下基坑工程施工安全的重要手段，具有前瞻性和重大的現(xiàn)實意義。

基于此，本文以上海市虹橋商務區(qū)核心區(qū)03北地塊項目2三角形基坑工程為依托，綜合采用現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測和數(shù)值模擬方法，對沿海地層復雜環(huán)境條件下三角形基坑施工引起的圍護結(jié)構(gòu)和周圍地層變形規(guī)律展開系統(tǒng)研究，揭示異形基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)和周圍地層變形的空間效應。同時，結(jié)合上海地區(qū)其他基坑工程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析三角形基坑變形特點與常規(guī)基坑變形特點的差別，以期指導后續(xù)類似工程的施工。

2 工程概況

2.1 基坑概況

本次所研究的基坑工程場地位于虹橋綜合交通樞紐中心的西側(cè)，分為項目2和項目3兩個直角三角形基坑，基坑的平面布置和測點分布如圖1所示。兩基坑呈直角三角形長邊相對，直角部位緊貼紅線，兩個基坑之間相距約51 m，為軌道交通17號線隧道區(qū)間。其中，項目2基坑面積約10 000 m2，東西向長100 m，南北向長156 m，基坑普遍挖深約17.90～19.40 m，基坑安全等級為一級?；訃o結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻(兩墻合一)，深36 m，坑內(nèi)沿豎向設(shè)4道鋼筋混凝土支撐，底板厚為1.1 m。止水帷幕采用Φ850@600三軸攪拌樁，止水帷幕深入坑底下約11 m；支撐立柱樁為Ф850鉆孔灌注樁。

2.2 水文地質(zhì)情況

本工程的場地土層地質(zhì)條件及土層參數(shù)如圖2所示。

本基坑工程場地潛水水位主要受到大氣降水和蒸發(fā)的影響，因此潛水水位主要隨季節(jié)變化。地質(zhì)勘測報告表明，本基坑工程場地年均地下水高水位埋深為0.50 m，低水位埋深為1.50 m。

2.3 開挖步驟

根據(jù)基坑的形狀、挖深和周邊環(huán)境，確定總的挖土原則是“分層、分區(qū)、留土護壁、盆式開挖，盡早形成支撐或底板”?；臃?層開挖，土體開挖后立即進行支撐和底板施工，基坑開挖步驟總結(jié)如表1所示。

圖1 基坑平面布置和測點分布圖

圖2 工程場地土層地質(zhì)條件及土層參數(shù)

表1 基坑開挖步驟

2.4 監(jiān)測方案

本文主要討論基坑開挖影響范圍內(nèi)地層變形以及圍護結(jié)構(gòu)的變形，主要包括地下連續(xù)墻墻身水平位移(墻體測斜)、墻后地表沉降等，監(jiān)測點布置示意圖如圖1所示。

3 基坑開挖數(shù)值模型建立

3.1 有限元軟件及材料本構(gòu)模型

本文選用大型巖土工程有限元軟件Plaxis3D進行建模，土體本構(gòu)模型選用HSS小應變模型。HS模型是Schanz最先提出的，該模型在p-q平面內(nèi)由一個雙曲線型的剪切屈服面以及一個橢圓型的蓋帽屈服面組成。Benz將小應變范圍內(nèi)土體剪切剛度與應變的非線性考慮進HS模型，提出了Harding soil small-strain model (HSS模型)。HSS模型不僅可以考慮土體的剪切硬化和壓縮硬化，還可以描述剪切模量在微小應變范圍內(nèi)隨應變衰減現(xiàn)象。將HSS模型用于基坑工程的數(shù)值計算中，可以得到更為合理的土層變形和圍護結(jié)構(gòu)變形，這表明HSS模型更適合于模擬基坑開挖問題。本文各土層HSS模型參數(shù)如圖2所示。

3.2 模型建立

基坑開挖影響范圍在水平方向上為開挖深度的3～5倍，在豎直方向上為開挖深度的2～4倍，在影響范圍之外，基坑開挖引起的周圍地層變形可以忽略不計。為了更加真實地模擬基坑，本文建模過程中嚴格按照實際基坑尺寸建立有限元模型，其中南北方向直角邊長156 m，東西方向直角邊長100 m，基坑開挖深度18.4 m。深度方向土體計算取前7層土的厚度。模型南北方向取300 m，東西方向取250 m, 均滿足基坑開挖影響范圍的要求。建模模型為長×寬×高=300 m×250 m×51.9 m的三維立體求解域，如圖3所示。

為了更好地模擬基坑開挖全過程，需要對該基坑的支護結(jié)構(gòu)進行模擬。圖4為基坑內(nèi)部支護結(jié)構(gòu)模型示意圖?；又ёo結(jié)構(gòu)包括地連墻、地下室底板、支撐梁和立柱樁等。

4 實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果分析

4.1 地下連續(xù)墻水平位移

圖5所示為地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測點C26和 C34(監(jiān)測點位置見圖1)的實測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比。

圖3 數(shù)值模擬三維模型圖 圖4 基坑內(nèi)部支護結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 地下連續(xù)墻C26和C34監(jiān)測點側(cè)向位移實測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比

由圖5中可以看出：(1)從地下連續(xù)墻側(cè)向變形隨深度變化規(guī)律來看，實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果均呈現(xiàn)上、下兩端小中間大的“鼓肚型”模式，這表明基坑的第1層支撐具有足夠的剛度限制了上部地下連續(xù)墻的位移。同時，地下連續(xù)墻具有足夠的嵌固深度，有效地限制了墻底的位移。(2)地下連續(xù)墻側(cè)向位移最大值隨著開挖深度的增加而增大。隨著坑內(nèi)土體的開挖卸荷，地下連續(xù)墻所受到的坑外部土體的土壓力逐漸增大，從而使得地下連續(xù)墻的側(cè)向位移不斷增加。同時可以發(fā)現(xiàn)開挖第4、第5層土體引起的側(cè)向位移增加明顯，這表明相同厚度的深層土體的開挖卸荷對于地下連續(xù)墻變形的影響更為顯著。(3)地下連續(xù)墻側(cè)向位移最大值位置隨著開挖深度的不斷增加而逐漸下降，基本位于開挖面附近。從以上分析可以看出，本文所建立的數(shù)值模型可以很好地預測基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形，可以將其運用于基坑設(shè)計的優(yōu)化分析之中。

圖6所示為地下連續(xù)墻變形云圖。由圖6可以看出，其變形模式與上文分析的“鼓肚型”模式一致，發(fā)生的均為向基坑內(nèi)側(cè)的變形。同時可以發(fā)現(xiàn)，三角形基坑兩長邊的地下連續(xù)墻側(cè)向位移明顯大于短邊的地下連續(xù)墻側(cè)向位移。且角點處的地下連續(xù)墻側(cè)向位移也明顯小于長邊中點處的地下連續(xù)墻側(cè)移值。

圖6 地下連續(xù)墻變形云圖

圖7所示為現(xiàn)場實測的C26、C28、C31和C34處側(cè)向位移隨土層開挖的發(fā)展規(guī)律，對比圖1測點位置可以看出，位于銳角角點處的測點C28的側(cè)向位移明顯小于位于長邊中點處測點C26的側(cè)向位移。同時位于直角角點處的測點C31側(cè)向位移也大于銳角角點處測點C28的側(cè)向位移。對比測點C26和C34的側(cè)向位移可以看出，距離角點越近，側(cè)移值越小。以上分析表明地下連續(xù)墻的側(cè)向位移呈現(xiàn)出明顯的空間效應，銳角角點可以有效地限制圍護結(jié)構(gòu)變形的發(fā)生；越靠近角點，地下連續(xù)墻抵抗變形的能力越強。圍護結(jié)構(gòu)變形的空間效應可以為地下連續(xù)墻剛度的設(shè)計以及內(nèi)部支撐的布置提供參考。 圖8所示為本工程所有地下連續(xù)墻側(cè)向位移監(jiān)測點在不同開挖階段測得的最大側(cè)移值與開挖深度之間的關(guān)系，同時也將已有相關(guān)文獻[23, 25-26]中兩者經(jīng)驗關(guān)系曲線與本項目實測數(shù)據(jù)進行了比較。由圖8可以看出，本項目地下連續(xù)墻側(cè)移最大值δh max介于(0.173%～0.355%)H之間。這一范圍小于已有文獻中給出的范圍。同時圖8還表明，開挖深度12 m之前側(cè)向位移與開挖深度的比值小于開挖深度12 m以后的比值。這與前文觀測到的深層土體開挖引起的地下連續(xù)墻側(cè)移值大于淺層土體開挖引起的側(cè)移值的規(guī)律一致。

4.2 墻后地表沉降和坑底隆起

圖9所示為墻后地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果云圖。由圖9可以看出，墻后地表沉降在距離地下連續(xù)墻一定位置處出現(xiàn)沉降槽，即沉降隨著距地下連續(xù)墻距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當距離達到足夠遠時，墻后的地表沉降可以忽略。圖10為現(xiàn)場實測所得的墻后D17和D18測線(位置見圖1)的地表沉降，與圖9對比可以看出，數(shù)值模擬所得到的結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)在變化規(guī)律和量值上均保持了較好的一致性。

圖7 不同位置地下連續(xù)墻隨土層開挖的側(cè)向位移

圖8 地下連續(xù)墻最大側(cè)移與開挖深度的關(guān)系以及與相關(guān)文獻兩者經(jīng)驗關(guān)系曲線的比較

同時從圖9中還可以看出，墻后地表沉降也呈現(xiàn)明顯的空間效應。首先，對比本三角形基坑3條邊地下連續(xù)墻后地表沉降可以看出，最長的斜邊中點處產(chǎn)生的地表沉降最大，最長邊地下連續(xù)墻后的地表沉降影響范圍也最遠。這表明地下連續(xù)墻邊長越長，其抵抗變形的能力越低。因此在基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對于邊長較長的地下連續(xù)墻，應進行隔斷處理或者采取增加橫向支撐的措施來提高變形剛度。其次，本基坑角點處墻后地表沉降值明顯小于邊中點處墻后地表的沉降值。同時，比較本基坑三個角點后地表沉降值可以發(fā)現(xiàn)，直角角點后的地表沉降值明顯大于其他兩個銳角角點后的地表沉降值，這表明角點角度越小，其后產(chǎn)生的沉降值也越小。分析原因，這是由于銳角角點具有較大的變形剛度導致的。

圖9 地下連續(xù)墻后地表沉降和坑底隆起云圖

圖10 地下連續(xù)墻后D17和D18測線地表沉降實測值

圖11為本項目實測墻后地表最大沉降與基坑開挖深度的關(guān)系，并與已有文獻[23-25]中的經(jīng)驗關(guān)系曲線進行了比較?？梢钥闯觯卷椖炕訙y點在各個開挖階段的最大沉降值δv max介于(0.089%～0.2%)H之間，這一范圍位于已有文獻經(jīng)驗關(guān)系之內(nèi)。但是以往文獻所提出的對應于常規(guī)矩形基坑的范圍明顯大于本項目三角形基坑的范圍，這表明本項目中的三角形基坑與常規(guī)矩形基坑相比，具有更強的抵抗變形的能力。

圖11 墻后地表沉降最大值與開挖深度的關(guān)系以及與相關(guān)文獻兩者經(jīng)驗關(guān)系曲線的比較

5 結(jié) 論

本文綜合運用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬兩種方法，對沿海地區(qū)三角形深大基坑圍護結(jié)構(gòu)和周圍地層的變形特征進行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)本文建立的三維有限元模型可以很好地預測基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)和周圍地層的變形?，F(xiàn)場實測和數(shù)值模擬均表明地下連續(xù)墻側(cè)向位移和墻后地表沉降均隨開挖深度的增加而增加。

(2)地下連續(xù)墻側(cè)向位移和墻后地表沉降表現(xiàn)出顯著的空間特性，在三角形長邊中點處變形達到最大值；在基坑角點附近的變形相對較小。角點角度越小，測點距角點越近，則變形越小。

(3)三角形基坑與常規(guī)矩形基坑相比，在開挖各個階段地下連續(xù)墻側(cè)向位移最大值、墻后地表最大沉降與開挖深度的比值范圍均較小，這表明本項目三角形基坑具有較好的抵抗變形能力。