長江漫灘非對(duì)稱荷載下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性研究*

戈 銘，賀智江，丁建文

(1.南京市江北新區(qū)樞紐經(jīng)濟(jì)發(fā)展管理辦公室，江蘇 南京 211800； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

隨著地下空間的不斷開發(fā)利用，基坑朝著深和大的方向發(fā)展，對(duì)基坑的控制逐漸由穩(wěn)定控制轉(zhuǎn)向變形控制為主[1]。當(dāng)前的基坑設(shè)計(jì)理論主要面向?qū)ΨQ基坑，而工程實(shí)踐中基坑兩側(cè)常常會(huì)承受非對(duì)稱荷載，此時(shí)基坑的受力變形性狀會(huì)與對(duì)稱基坑產(chǎn)生顯著的差異[2-4]，當(dāng)忽略非對(duì)稱荷載作用時(shí)，則容易造成工程的浪費(fèi)或風(fēng)險(xiǎn)[5]。針對(duì)非對(duì)稱偏壓荷載作用下的基坑變形特性，眾多學(xué)者展開了研究分析。林剛等[6]建立了偏壓基坑的有限元模型，對(duì)偏壓基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形特性展開探討，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；石鈺鋒等[7]依托某緊鄰鐵路的偏壓基坑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，詳細(xì)分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移與彎矩，對(duì)偏壓荷載作用下的基坑設(shè)計(jì)提出了建議。

本文依托長江漫灘地層中某線形基坑，對(duì)非對(duì)稱荷載作用下的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律展開研究，通過分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合三維有限元模型模擬計(jì)算，分析非對(duì)稱荷載的大小與距離對(duì)基坑變形的影響，以期為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于南京長江大橋上游約5km，揚(yáng)子江隧道江北出口。隧道全長1.6km，其中暗埋段長1.1km，隧道基坑寬為15.2～47.5m，深為0～9.6m，泵房部位加深。本項(xiàng)目為原有道路改擴(kuò)建項(xiàng)目，路線整體走向?yàn)槲鞅?東南，路線東北側(cè)場(chǎng)地為農(nóng)田及臨時(shí)分流道路，荷載較大；路線西南側(cè)場(chǎng)地為定向河。

工程場(chǎng)地主要為長江漫灘沉積地貌單元，地勢(shì)較平坦，水系發(fā)育，河流縱橫交錯(cuò)，人工及天然溝塘較發(fā)育。開挖深度影響范圍內(nèi)以深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，地下水位在地表下2.1～3.5m，地基主要土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 基坑周圍環(huán)境及支護(hù)方案

本基坑?xùn)|北側(cè)為保障交通的新建臨時(shí)道路，道路寬度約為10m，主要通行車輛為小型車與運(yùn)載卡車，車輛密度中等。西南側(cè)為定向河，河流距離基坑相對(duì)較遠(yuǎn)，本文主要考慮臨時(shí)公路路堤荷載及車輛動(dòng)荷載所帶來的不對(duì)稱荷載。根據(jù)地形特點(diǎn)，本基坑主要采用SMW工法樁加水平支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并隨隧道縱向開挖深度的變化做相應(yīng)調(diào)整?；拥?道水平支撐采用鋼筋混凝土支撐，以確保支撐體系的整體穩(wěn)定性，其余采用φ609mm鋼管支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型斷面

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

鑒于隧道基坑的線形特點(diǎn)，選取兩個(gè)典型斷面展開分析，如圖2所示。從圖2可以看出，開挖初期，基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移量均較小，形狀偏于懸臂形，隨著支撐架設(shè)與開挖深度增加，兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體水平位移不斷增大，位移曲線最終均表現(xiàn)為“大肚形”，最大側(cè)移位置位于基坑開挖面下方?？梢钥闯鲇捎诼返毯奢d與車輛動(dòng)荷載作用，偏壓側(cè)(圖中左側(cè))的墻體位移均大于非偏壓側(cè)，另外可以看出非偏壓側(cè)的頂部發(fā)生了向坑外的位移，所得結(jié)論與文獻(xiàn)[7-8]相符。另外，通過分析各工況下基坑墻體側(cè)移的情況可以看出，墻體的變形具有顯著的時(shí)間效應(yīng)，在綁扎鋼筋與澆筑底板階段，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移明顯增加，分析認(rèn)為這主要與長江漫灘地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的蠕變特性有關(guān)[9]，并且由于SMW工法樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度偏低，在底板強(qiáng)度較低時(shí)對(duì)主動(dòng)區(qū)土體蠕變的控制能力較弱。可見在深基坑施工過程中應(yīng)及時(shí)澆筑底板，盡可能減少坑底暴露時(shí)間。

圖2 基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移曲線

圖3反映了基坑不對(duì)稱兩側(cè)最大側(cè)移與開挖深度的關(guān)系，可以看出偏壓側(cè)最大側(cè)移約為0.43%H(H為基坑開挖深度)，而非偏壓側(cè)約為0.32%H，偏壓側(cè)的最大側(cè)移量約為另一側(cè)的1.3倍，兩側(cè)不對(duì)稱程度相對(duì)較低。姚愛軍，石鈺鋒[10-11]也對(duì)偏壓荷載作用下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)偏壓側(cè)最大側(cè)移量為非偏壓側(cè)的2～3倍，且非偏壓側(cè)頂部向坑外的偏移量較大，不對(duì)稱程度明顯大于本項(xiàng)目，分析認(rèn)為這與本基坑的偏壓荷載較小、基坑寬度較大、偏壓荷載距坑邊距離較遠(yuǎn)等因素有關(guān)。

圖3 基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移與開挖深度關(guān)系

4 三維有限元分析

4.1 土體本構(gòu)模型的選擇

數(shù)值模擬分析中較為關(guān)鍵的問題之一是采用合適的本構(gòu)模型和土層參數(shù)對(duì)土體性質(zhì)進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型選擇不合理將無法得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。Schanz[12]于1999年首次提出了土體硬化模型(HS)，該模型是以塑性理論為基礎(chǔ)的雙屈服面土體模型，如圖4所示。該模型采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則來描述土體的破壞行為，可同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，模型參數(shù)較多但均可由室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)確定。土體硬化模型可以考慮土體非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以及土體模量隨圍壓提高而增加的特性，而且適用于多種土類的破壞和變形行為的描述。因而本文選用HS模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖4 主應(yīng)力空間中的土體硬化模型屈服面[13]

4.2 模型參數(shù)的確定

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)概況，將模型概化為4個(gè)土層，從上到下依次為：第1層為填土，厚度4m；第2層為黏土，厚度2m；第3層為粉質(zhì)黏土，厚度5m；第4層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度10m。具體的土體參數(shù)如表2所示。根據(jù)基坑工程設(shè)計(jì)資料，本基坑支護(hù)系統(tǒng)中主要包括以下結(jié)構(gòu)：支護(hù)樁、冠梁、鋼筋混凝土支撐、鋼支撐。支護(hù)樁主要是φ850@600 SMW工法樁，數(shù)值模擬時(shí)采用等剛度的板樁進(jìn)行簡化處理，簡化后支護(hù)樁及其他支護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表3所示。

表2 各層土體模型參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

4.3 幾何模型建立及模擬結(jié)果

本項(xiàng)目為明挖線形隧道基坑，全長1.6km，不同部位開挖深度不同，支護(hù)形式也隨之調(diào)整。而中間段超過1 000m部分均為SMW工法樁結(jié)合2道支撐的支護(hù)形式，且開挖深度接近，本文選取其中150m進(jìn)行三維模擬分析。采用PLAXIS 3D軟件建立基坑典型段的三維模型，模型尺寸為150m×120m×40m，基坑尺寸為150m×40m×9m。在三維模型中基坑左側(cè)15m處設(shè)置1排均布荷載，寬度為10m。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的建議，車輛荷載取10～30kPa，同時(shí)取1.3的動(dòng)荷載系數(shù)，本文不考慮動(dòng)力效應(yīng)，綜合本文的臨時(shí)道路車輛通行情況，本文模擬中車輛荷載值取20kPa，另外根據(jù)路堤高度與重度對(duì)路堤荷載進(jìn)行模擬。由于河流距離基坑較遠(yuǎn)，此處不作考慮。有限元結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 有限元結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方案，遵循基坑分層開挖、邊挖邊撐的基本原則，設(shè)定如下施工步驟模擬實(shí)際施工過程：①第1步 施加公路荷載；②第2步 施工支護(hù)樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)；③第3步 降水至3m深處；④第4步 開挖至2m深處；⑤第5步 施工冠梁和第1層支撐；⑥第6步 開挖至6m深處；⑦第7步 降水至7m深處；⑧第8步 施工第2層鋼支撐，施加100kN預(yù)應(yīng)力；⑨第9步 降水至10m深處；⑩第10步 開挖至-9.000m。

選取8～10號(hào)斷面，將基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從圖中可以看出，基坑兩側(cè)變形的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了所建三維模型的合理性。通過對(duì)比基坑兩側(cè)的實(shí)測(cè)與計(jì)算曲線可以看出，基坑偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移明顯偏大，并且由于偏壓作用改變了另一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形模式，使其上部產(chǎn)生了向基坑外側(cè)的位移。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算曲線

4.4 荷載不對(duì)稱程度對(duì)變形性狀的影響

如前文所述，在基坑偏壓荷載大小與距離不同的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)變形的不對(duì)稱程度也有所差異。下面，通過改變基坑偏壓荷載的大小與偏壓荷載與坑壁距離的大小，分析基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的變化情況，研究荷載不對(duì)稱程度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱變形性狀的影響。圖7為荷載距坑壁15m時(shí)，不同荷載作用下基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移曲線。從圖7a中可以看出，隨著偏壓荷載的不斷增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移顯著增加，側(cè)移曲線一直表現(xiàn)為“鼓脹形”，且偏壓荷載大小對(duì)最大側(cè)移深度影響較小。從圖7b中可以看出：基坑非偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線與偏壓側(cè)有較大差異，主要體現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部產(chǎn)生了向坑外的變形，并且隨著偏壓荷載的增加，墻體頂部向坑外的偏移量越來越大，而最大側(cè)移量則不斷減小。

圖7 不同荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線

偏壓荷載為40kPa時(shí)不同坑邊距時(shí)基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著荷載與坑壁距離的增加，基坑偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形不斷減小，而位移曲線的形狀與最大側(cè)移深度沒有明顯變化，并且隨著深度增加側(cè)移量變化相對(duì)較小。非偏壓側(cè)頂部向坑外位移隨著坑邊距的增加不斷減小，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)最大位移則不斷增加。

圖8 不同坑邊距圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線

5 結(jié)語

本文依托南京長江漫灘地層中某非對(duì)稱荷載作用下的線形基坑工程，開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬研究，探討了非對(duì)稱偏壓荷載對(duì)基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

1)由于路堤荷載與車輛動(dòng)荷載作用，偏壓側(cè)的墻體位移明顯大于非偏壓側(cè)，另外非偏壓側(cè)的頂部發(fā)生了向坑外的位移。偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移量約為0.43%H，非偏壓側(cè)則為0.32%H，偏壓側(cè)水平位移約為另一側(cè)的1.3倍。

2)長江漫灘相軟土具有顯著的蠕變特性，底板鋼筋綁扎與混凝土澆筑期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移量較大，為保證基坑安全，應(yīng)盡可能加快底板施工、縮短坑底暴露時(shí)間。

3)隨著不對(duì)稱荷載的增大及其與坑壁距離的減小，兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱變形的程度增加，其中偏壓側(cè)水平位移增加，而非偏壓側(cè)頂部向坑外的位移也不斷增大。