深厚軟土大跨深基坑變形與參數(shù)敏感性分析

曲 強(qiáng) 李明皓

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著臨海城市向更深層地下空間的邁進(jìn)，在深厚軟土地層中進(jìn)行大尺度開挖成為常態(tài)。而臨海地區(qū)淤泥層深厚，具有高壓縮性、高含水量、低承載力、流塑性強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，此類地層中大尺度基坑開挖變形大、難控制[1]。緊鄰繁華地帶的此類基坑開挖日益增多，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工難度遠(yuǎn)超常規(guī)基坑工程，導(dǎo)致基坑實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)增大[2]。有效降低對周圍既有建筑物的擾動(dòng)成為一個(gè)難點(diǎn)，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了更高要求[3,4]。

關(guān)于深基坑開挖過程中如何進(jìn)行變形控制，國內(nèi)外諸多專家、學(xué)者通過理論分析、數(shù)值計(jì)算以及現(xiàn)場監(jiān)測等手段展開研究。PROTOSENYA等[5]采用數(shù)值計(jì)算的方法模擬深基坑開挖過程，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形進(jìn)行了計(jì)算及預(yù)測；BENIN等[6]考慮基坑開挖過程中各個(gè)階段，評價(jià)了基坑開挖對其圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及周圍建筑物的擾動(dòng)性；FINNO等[7]采用數(shù)值模擬方法對基坑的拐角空間約束效應(yīng)及其影響因素和范圍進(jìn)行計(jì)算，并對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律進(jìn)行了研究；ZHANG等[8]分析了基坑開挖過程中基坑的幾何參數(shù)、土體特性和地下連續(xù)墻特性等因素，分析了基坑施工對臨近結(jié)構(gòu)的受力和變形影響規(guī)律；ZHANG等[9]對基坑施工對臨近既有建筑物的沉降變形規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步揭示；TAN等[10,11]針對大尺度圓筒型深基坑在軟土地層中采用中心島技術(shù)施工，研究了其結(jié)構(gòu)受力特性和變形規(guī)律，對基坑墻體側(cè)向變形、墻體豎向位移、地面?zhèn)认蛭灰啤F(xiàn)澆樓板和支撐柱的軸力、擋土墻兩側(cè)的側(cè)向土壓力、地面沉降、地下沉降、基底隆起等進(jìn)行了綜合研究。

王立新等[12]采用數(shù)值模擬手段，研究基坑近接既有結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和控制標(biāo)準(zhǔn)；向亮等[13,14]對基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究深基坑的變形規(guī)律。信磊磊等[15]考慮土體小應(yīng)變硬化的力學(xué)特性，研究深基坑開挖對近鄰結(jié)構(gòu)變形的影響；陳保國等[16]通過設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，研究內(nèi)支撐體系、地連墻和墻后土體之間的協(xié)調(diào)變形特性，提出了地連墻支護(hù)體系協(xié)調(diào)變形智能調(diào)節(jié)方法；劉念武等[17]通過對深基坑施工過程中的變形進(jìn)行實(shí)測歸納，得出了軟土地層中地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形演化規(guī)律；徐中華等[18,19]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，得出鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)對深基坑開挖過程中地連墻的變形能夠有效抑制。

綜上討論可知，基坑的設(shè)計(jì)過程需綜合考慮支護(hù)體系的變形及其內(nèi)力等指標(biāo)，因此，支撐體系和圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的力學(xué)響應(yīng)及相互作用的研究顯然極為重要。因此，本研究以深厚軟土地層中深基坑地連墻支護(hù)體系為研究對象，基于實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬手段，綜合研究地連墻和支撐體系的內(nèi)力演化規(guī)律，并深入分析支護(hù)體系的參數(shù)敏感性，準(zhǔn)確界定敏感性參數(shù)對結(jié)構(gòu)安全性的影響，找出關(guān)鍵因素，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。

2 工程概況

2.1 工程簡介

本研究依托某地鐵基坑工程，基坑長度555.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度50.75 m，深21.7 m。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)支護(hù)形式為三道鋼筋混凝土桁架支撐。該工程地質(zhì)條件主要位于超厚淤泥質(zhì)軟土地層。

2.2 地質(zhì)條件

基坑范圍地層主要包括：素填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏性土、卵石、砂土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。該基坑所在區(qū)域地層上部多為松軟土層，中部多為淤泥質(zhì)黏土地層，下部為殘積土或風(fēng)化巖石地層，這是典型的臨海城市地層。

2.3 監(jiān)測方案

該工程主要采用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)和人工監(jiān)測相結(jié)合的方法以實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)施工”，即集管理、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控與反饋于一體的信息化施工技術(shù)，建立預(yù)警機(jī)制，保證施工安全。

用徠卡TS30測量機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳至GEOMOS監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件；用徠卡DNA03水準(zhǔn)儀進(jìn)行人工沉降觀測、用徠卡TS30全站儀進(jìn)行人工水平位移觀測。

2.3.1 監(jiān)測儀器

徠卡TS30測量機(jī)器人具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能，可自動(dòng)搜尋目標(biāo)并瞄準(zhǔn)，顯著提高工作效率并減少人為誤差。其測角精度為0.5″，測距精度為1 mm±1 ppm，TS30測量機(jī)器人如圖1所示。

GEOMOS專業(yè)監(jiān)測軟件界面如圖2所示，通過該軟件可遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，且能自動(dòng)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，并生成相關(guān)監(jiān)測成果表及變形曲線。

2.3.2 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1)系統(tǒng)架構(gòu)。

自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：測量設(shè)備、數(shù)據(jù)接收設(shè)備、處理系統(tǒng)，如圖3所示。

2)通訊架構(gòu)。

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模式分為：遠(yuǎn)程遙控模式和應(yīng)急模式，如圖4,圖5所示。

3 支護(hù)體系內(nèi)力實(shí)測結(jié)果分析

由于連續(xù)墻深埋于土層中，其內(nèi)力往往難以監(jiān)測。因此在現(xiàn)有的研究中關(guān)于連續(xù)墻內(nèi)力的實(shí)測數(shù)據(jù)相對匱乏。本節(jié)采用的信息化監(jiān)測技術(shù)可以有效實(shí)時(shí)監(jiān)測其內(nèi)力演化過程及其隨深度的分布特征。因此本節(jié)選取具有代表性的兩斷面(基坑中心對稱面：A—A斷面和靠近基坑角部斷面：B—B斷面)對施工過程中連續(xù)墻內(nèi)力進(jìn)行研究。

3.1 連續(xù)墻彎矩分析

連續(xù)墻在各個(gè)開挖深度下的彎矩圖如圖6所示，由圖6可知，在不同開挖深度下的連續(xù)墻彎矩隨深度分布的規(guī)律基本一致。在基坑中心對稱面上(A—A斷面)，均為隨開挖深度的增加，彎矩逐漸增大，當(dāng)增大到最大值時(shí)開始減??；最大彎矩基本位于開挖面附近。在墻體頂部和下部局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)彎矩，但量值較小，原因是連續(xù)墻頂部內(nèi)撐和下部土體的約束作用。開挖完成后最大正彎矩值為529.3 kN·m/m，下部最大負(fù)彎矩值為21.9 kN·m/m，上部最大負(fù)彎矩值為48.7 kN·m/m。

在基坑角部附近斷面上(B—B斷面)連續(xù)墻受到彎矩的變化規(guī)律與中心對稱面上相似，從彎矩大小來看角部彎矩值遠(yuǎn)小于中心對稱面處，原因是基坑角部附近連續(xù)墻受到空間約束效應(yīng)，其變形相對較小。開挖完成后，靠近基坑角部斷面上最大彎矩值為126.5 kN·m/m，中心對稱面上最大彎矩值為529.3 kN·m/m，中心處彎矩值達(dá)到角部處4.2倍。表明連續(xù)墻的彎矩沿其水平軸線長度方向分布的不均勻性，因此根據(jù)該規(guī)律，可對連續(xù)墻的配筋合理進(jìn)行優(yōu)化提供指導(dǎo)。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)受力分析

支撐在開挖過程中實(shí)測應(yīng)力變化曲線如圖7所示，由圖7可知，豎向支撐在剛架設(shè)完成時(shí)，其軸向應(yīng)力為12.0 MPa；第二層開挖完成時(shí)，軸向應(yīng)力為12.5 MPa；第三層開挖完成時(shí)，軸向應(yīng)力為13.0 MPa；第四層開挖完成后，増加到28.1 MPa；由應(yīng)力變化過程可知，前三層開挖對豎向支撐應(yīng)力變化影響較小，在第四層開挖完成后突然增大，主要原因是前期開挖基坑主要以水平位移為主，隨著開挖的進(jìn)行，基坑隆起現(xiàn)象越來越明顯，基坑隆起使豎向支撐有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，而上部水平支撐在重力作用下具有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，兩者共同作用使豎向支撐受力較為明顯。

由水平支撐應(yīng)力曲線可知，水平支撐應(yīng)力隨土體的開挖呈現(xiàn)明顯的增長。第一道鋼支撐在開挖第一層之前的應(yīng)力為2.6 MPa；第一層開挖完成時(shí)的應(yīng)力迅速增加為2.9 MPa；在第一層開挖完成后至第二層開挖前的這段時(shí)間應(yīng)力無明顯變化；隨著第二層開挖的進(jìn)行，第一道支撐的軸力由2.9 MPa迅速增加到3.6 MPa；第三層開挖完成后的應(yīng)力為4.3 MPa；第四層開挖完成后的應(yīng)力為4.7 MPa。每道鋼支撐架設(shè)后均存在應(yīng)力快速上升過程。隨基坑開挖的進(jìn)行，第一道水平支撐的軸力迅速增大，在增大至某一值后會(huì)有一小幅度的減小，主要原因是第二道水平支撐的架設(shè)會(huì)對第一道支撐產(chǎn)生影響，致使其應(yīng)力值有所減小。

4 支撐體系參數(shù)敏感性分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受多種因素的共同影響，主要包含結(jié)構(gòu)厚度、間距、開挖方式、基坑長寬比等。本節(jié)在實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立數(shù)值計(jì)算模型，首先與實(shí)測數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，進(jìn)一步通過變參數(shù)法詳細(xì)分析這些相關(guān)的因素對基坑變形的影響。

4.1 連續(xù)墻厚度的影響

連續(xù)墻的厚度影響其抗彎剛度，能夠?qū)ψ陨淼淖冃纹鸬娇刂谱饔?。因而本?jié)詳細(xì)分析連續(xù)墻厚度對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

本研究所依托深基坑工程地連墻厚度為1 200 mm，分別再取厚度為1 000 mm和800 mm進(jìn)行計(jì)算。建立計(jì)算模型，對三種不同地連墻厚度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，其計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由支撐應(yīng)力變化過程可知，地下連續(xù)墻厚度對支撐應(yīng)力影響較小，即當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻厚度為600 mm時(shí)，支撐最大應(yīng)力為28.6 MPa，較原工況(27.9 MPa)增大了2.6%。說明地連墻厚度對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形影響較小。

4.2 水平支撐樓板厚度的影響

支撐剛度對基坑變形有較大影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑工程中，主體結(jié)構(gòu)中梁板體系是作為基坑水平支護(hù)體系的一部分，因此基坑水平支撐剛度大小主要取決于主體結(jié)構(gòu)樓板的厚度和梁的布置。此外，梁軸向的剛度可等效到水平樓板中。計(jì)算可得，等效后的水平樓板厚度為100 mm時(shí)，水平支撐的軸向剛度達(dá)2 400 MN/m/m(混凝土的彈性模量取2.4×1010Pa)，計(jì)算所得剛度遠(yuǎn)大于基坑支護(hù)中一般臨時(shí)支撐的剛度，因此可以看出主體結(jié)構(gòu)樓板厚度是影響基坑變形的一大因素。

地下工程中常見地下室樓板厚度為100 mm，120 mm等，特殊情況下為滿足特性要求可達(dá)到250 mm。因此，綜合考慮各種情況下樓板厚度的影響，取80 mm，100 mm，120 mm，150 mm，200 mm及250 mm六種參數(shù)工況。計(jì)算過程中模型和計(jì)算參數(shù)僅考慮水平支撐樓板厚度變化，其他參數(shù)與本文基本分析模型保持一致。

不同樓板厚度工況下基坑開挖過程中的最大變形和連續(xù)墻受到最大應(yīng)力圖如圖9所示。從圖9中可以看出，基坑開挖深度小于12 m時(shí)，樓板厚度變化對基坑開挖過程中地連墻變形量和彎矩(由應(yīng)力換算所得)變化的影響較小，主要原因是基坑開挖深度較淺，水平支撐剛度足夠，增加樓板厚度并不能顯著限制變形。當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到32 m時(shí)，支撐樓板厚度自80 mm逐漸加厚到250 mm時(shí)，基坑開挖過程中連續(xù)墻的最大側(cè)移、墻后土體最大沉降、連續(xù)墻最大彎矩、墻后土體最大側(cè)移、基底回彈、墻頂回彈顯著減小，減小量分別為13.0%，17.7%，8.6%，15.7%，3.4%和9.5%。其中，墻頂回彈量的減小主要原因是水平支撐樓板自重隨著厚度的增加而增大。

4.3 地連墻深度的影響

為研究地連墻深度對其變形的影響，設(shè)置地連墻深度分別為21.7 m，24.0 m，36.0 m三種工況進(jìn)行計(jì)算，圖10為不同深度時(shí)的地連墻側(cè)移曲線，由圖10可知，地連墻深度對其側(cè)移有一定程度的影響，三種工況下地連墻側(cè)移的最大值均出現(xiàn)在地連墻中部，側(cè)移的整體趨勢可分為三個(gè)階段：第一階段，深度不超過5 m時(shí)，三種工況下的地連墻側(cè)移都隨著入土深度的增加，從側(cè)移為-3 mm不斷減少為0，主要受水平支撐體系的影響；第二階段，深度在5 m～16 m時(shí)，三種工況下的地連墻側(cè)移分別隨著入土深度的增加，從位移為0 mm不斷增大為3.5 mm，3.0 mm，2.5 mm；第三階段，深度大于16.0 m時(shí)，隨著深度的繼續(xù)增加，三種工況下的地連墻側(cè)移又逐漸變?yōu)?；隨著地連墻深度的進(jìn)一步增加，地連墻未再有較大幅度的減小側(cè)移。由此說明，地連墻達(dá)到一定深度后，再通過增加地連墻深度來控制側(cè)移量的方法不可取。

4.4 坑底加固的影響

該地區(qū)地質(zhì)條件差，常采用基坑內(nèi)地基加固的方法來減少基坑變形、減小對基坑周邊環(huán)境的擾動(dòng)。常用的加固方法包括注漿、水泥土攪拌樁以及高壓旋噴加固等。其中深層攪拌樁加固以其施工簡便、成樁快、價(jià)格低廉和施工無噪聲等優(yōu)點(diǎn)在建筑和地鐵基坑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

水泥土攪拌樁加固方法常有塊狀加固、抽條加固和柱狀加固，如圖11所示，關(guān)于水泥土攪拌樁的加固機(jī)理，陳興年[21]作了較詳細(xì)的研究，本節(jié)不再贅述，僅對水泥土攪拌樁加固對基坑變形的影響進(jìn)行分析。

考慮到建模方便，這里僅考慮塊狀加固對基坑變形的影響，加固范圍為基坑底下4 m深，4 m寬，鑒于不同開挖深度下基坑底加固的位置不同，因此各開挖深度下模型加固均不同，考慮控制變量下結(jié)果對比，因此結(jié)構(gòu)尺寸、參數(shù)及未加固區(qū)域土體參數(shù)均與本文基本模型一致。加固范圍內(nèi)土體模型采用Mohr-Coulomb模型，水泥土加固體力學(xué)參數(shù)取值為[21]：粘聚力c變化范圍為0.1 MPa～1.0 MPa，這里取平均值0.55 MPa；內(nèi)摩擦角φ變化范圍為20°～30°；這里取平均值25°；壓縮模量變化范圍為60 MPa～100 MPa，這里取平均值80 MPa；模型中彈性模量參數(shù)取為壓縮模量的3倍，即E=240 MPa。連續(xù)墻與加固土體間接觸面摩擦系數(shù)取μ=0.4；葛中華[22]通過試驗(yàn)研究分析，認(rèn)為摻水泥后樁土界面抗剪強(qiáng)度提升可達(dá)到原狀的1.5倍，因此本文將攪拌樁加固后土體與連續(xù)墻間接觸面極限摩阻力提升到原來的1.5倍。

基坑開挖過程中坑底加固和未加固兩種工況下基坑的最大變形和連續(xù)墻最大應(yīng)力變化曲線如圖12所示。從圖12中可以看出，基坑開挖深度在12 m～24 m過程中，坑底加固對連續(xù)墻最大水平位移和應(yīng)力的控制效果較為明顯，其中開挖深度為20 m時(shí)效果最佳，該開挖深度下連續(xù)墻的最大水平位移、最大彎矩(由應(yīng)力換算得到)、墻后地層的最大水平位移和豎向沉降分別較未加固時(shí)減少10.3%，12.3%，18.1%和9.4%?？拥准庸虒椎耐馏w回彈及連續(xù)墻頂回彈影響相對較小，基本可以忽略。由此可知，坑底加固對控制基坑的變形效果有限，這是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基坑本身整體剛度較大，采用基底加固的方法效果不再明顯。

4.5 基坑長寬比的影響

基坑開挖具有明顯的空間約束效應(yīng)，其影響的大小主要受基坑幾何形狀的影響。本節(jié)主要考慮不同幾何尺寸基坑效應(yīng)，為簡化計(jì)算，保持本研究的基本分析模型的寬度(B/2=28 m)不變。改變基坑的長度(L/2)，考慮三種情況，即基坑長度L/2分別為28.0 m，56.0 m和112.0 m，從而基坑的長寬比分別為1∶1，2∶1和4∶1。

不同長寬比時(shí)基坑在開挖完成后的變形曲線如圖13所示，由圖13可知，L/B=2時(shí)連續(xù)墻短邊的側(cè)移較方形基坑的側(cè)移增大26.5%，而L/B=4時(shí)連續(xù)墻長邊的側(cè)移較方形基坑的側(cè)移增大29.4%；L/B=2時(shí)連續(xù)墻長邊側(cè)移較方形基坑的側(cè)移增大29.4%，而L/B=4時(shí)連續(xù)墻長邊側(cè)移較方形基坑的側(cè)移增大33.1%。這說明基坑的長寬比主要影響長邊變形。從計(jì)算結(jié)果可看出，L/B=4和L/B=2時(shí)連續(xù)墻的變形相差不明顯。這說明L/B=2時(shí)基坑長邊中點(diǎn)的變形已接近于平面應(yīng)變狀態(tài)，再增加基坑長邊尺寸時(shí)，基坑的空間效應(yīng)對長邊的影響已經(jīng)不大。

從地表豎向沉降圖可以看出，長寬比對墻后地表沉降和側(cè)移的影響與其對連續(xù)墻變形的影響相似。L/B=2時(shí)基坑長邊中點(diǎn)的地表沉降和側(cè)移與L/B=4時(shí)的沉降和側(cè)移較為接近。L/B=2時(shí)基坑短邊中點(diǎn)的地表沉降和側(cè)移與L/B=4時(shí)基坑短邊的沉降和側(cè)移較為接近。在開挖深度較小時(shí)，L/B=2和L/B=4時(shí)短邊的沉降和側(cè)移與方形基坑相差不大，隨著開挖深度的增大，其差值逐漸增大。L/B=4時(shí)長邊的地表沉降和側(cè)移較方形基坑分別增加56.1%和75.4%，這說明長寬比對長邊的地表沉降和側(cè)移的影響更顯著。從圖13中可以看出，長寬比不同時(shí)短邊的沉降分布相差不大，且沉降的影響范圍基本保持不變。

5 結(jié)語

1)介紹了本研究所依托深基坑工程開挖過程中能夠?qū)崿F(xiàn)“動(dòng)態(tài)施工”的信息化監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)可有效監(jiān)測深埋地連墻內(nèi)力、變形等演化過程，并及時(shí)反饋，建立預(yù)警機(jī)制，保證施工安全。

2)根據(jù)信息化監(jiān)測手段獲取的地連墻內(nèi)力演化過程，對開挖至不同深度時(shí)地連墻的內(nèi)力特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。揭示了地連墻在開挖過程中彎矩的分布規(guī)律，得出最大彎矩及不利斷面位置，有助于為配筋設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3)支撐體系實(shí)測內(nèi)力特征表明：前三層開挖對豎向支撐應(yīng)力變化影響較小，在第四層開挖完成后突然增大，說明豎向支撐主要在第四層開挖時(shí)發(fā)揮作用，可有效控制水平支撐豎向變形。每道鋼支撐架設(shè)后均存在應(yīng)力快速上升過程；后續(xù)支撐的施加會(huì)使已施加支撐的內(nèi)力有小幅度的減小。

4)通過對支撐體系參數(shù)敏感性分析可知，地連墻厚度對支撐體系的受力基本無明顯影響；由于主體結(jié)構(gòu)自身剛度相對較大，在開挖深度較淺時(shí)，水平支撐樓板厚度對地連墻變形無明顯影響；地連墻深度存在一個(gè)最佳值，采用較深的地連墻并不能顯著提高其抗變形能力；采用坑底加固措施時(shí)，在淺部開挖中效果較為顯著，進(jìn)入深部地層后地層條件相對較好，加固的效果不再明顯；基坑長寬比主要影響基坑的長邊變形，對連續(xù)墻的側(cè)移和基坑的回彈影響較小。