軟土厚度對(duì)基坑與連續(xù)墻變形影響研究

楊 斌 周艷紅

（中國(guó)水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 前言

軟土的空間分布是影響基坑開挖變形的重要因素。許多學(xué)者針對(duì)軟土與基坑開挖變形進(jìn)行了相關(guān)研究。王立新等人[1]借助MIDAS GTS NX有限元軟件研究了基坑開挖過程對(duì)附近地鐵車站的影響。研究結(jié)果表明，雙排樁結(jié)構(gòu)能有效約束基坑變形，車站與基坑結(jié)構(gòu)的位移呈“內(nèi)凸型”，車站中部出現(xiàn)最大水平位移和豎向位移。張?chǎng)稳热薣2]以湖南某基坑工程為研究對(duì)象，采用有限元分析方法研究了深基坑再開挖過程對(duì)附近建筑及土體的影響。研究結(jié)果認(rèn)為沉降主要發(fā)生在靠近基坑一側(cè)，建筑會(huì)逐漸由南向北傾斜，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本保持一致。唐軍平等人[3]用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法分析了佛山軟土的指標(biāo)變異性和相關(guān)性。研究結(jié)果表明，該地區(qū)軟土的土粒比重、飽和度和天然密度基本保持穩(wěn)定，且該軟土在塑形圖上呈條帶狀分布。王闖[4]以某小區(qū)為實(shí)例，通過邁達(dá)斯GTS NX軟件模擬了富水軟土地層基坑支護(hù)過程。結(jié)果表明，半逆作法施工前準(zhǔn)備的土體可發(fā)揮出一定的支護(hù)效果，亦可在一定程度上降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力。

但現(xiàn)有研究大多針對(duì)基坑開挖方式對(duì)基坑變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響[4-5]，少有學(xué)者從軟土的空間分布特征角度對(duì)基坑變形以及連續(xù)墻位移進(jìn)行研究。該文以Flac3D有限元軟件，依托貴州省黔南州中共貴定縣委黨校遷建項(xiàng)目開挖基坑，研究軟土厚度對(duì)基坑土體及連續(xù)墻位移的影響。

1 工程概況與數(shù)值模擬方案

1.1 基坑工程概況

貴州省黔南州中共貴定縣委黨校遷建項(xiàng)目位于貴州省黔南自治州貴定縣城關(guān)鎮(zhèn)姜家莊，建筑面積為18771.66m2。該項(xiàng)目包括接待中心、人才公寓、會(huì)務(wù)中心、綜合教學(xué)樓、學(xué)員宿舍、綜合食堂以及附屬設(shè)施等均為框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為乙類，混凝土采用商品混凝土。

開挖基坑自上而下主要由碎石填土、粉質(zhì)黏土、黏性軟土和中等風(fēng)化灰?guī)r組成。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定以及工點(diǎn)地質(zhì)勘察報(bào)告，確定4種成分的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 基坑成分物理力學(xué)參數(shù)

基坑設(shè)計(jì)開挖分4步完成，每步開挖均沿基坑豎直方向開挖5m。每步開挖結(jié)束后，立即施加內(nèi)支撐，第一道支撐設(shè)計(jì)為混凝土支撐，其余三道支撐設(shè)計(jì)為鋼支撐?；觾?nèi)的連續(xù)墻以及內(nèi)支撐的具體材料參數(shù)見表2。

表2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

軟土地層是影響基坑變形的主要組成成分，為模擬研究不同軟土空間特征對(duì)基坑變形的影響，該文設(shè)計(jì)9組數(shù)值模擬方案來研究軟土厚度對(duì)基坑開挖變形的影響，如圖1所示?；又刑钔梁穸?m，粉質(zhì)黏土6m，控制軟土層中心高度位于10m處不變，設(shè)計(jì)9組不同軟土厚度h的模擬試驗(yàn)，分別為0m、2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m。

圖1 基坑開挖（左半側(cè)）示意圖

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 模型建立與選擇

根據(jù)嘉興車站開挖設(shè)計(jì)圖確定模型的大小、基坑開挖的深度以及內(nèi)支撐的設(shè)置位置，采用Rhino.6建立實(shí)體模型，選用四面體單元建立網(wǎng)格，最后導(dǎo)入Flac3D生成數(shù)值計(jì)算模型，如圖2所示。模型整體長(zhǎng)180m，寬95m，高40m，開挖尺寸為28m×22m×70m，由于模型對(duì)稱，因此只需建模計(jì)算一半。模型三側(cè)邊界采用法向約束條件，底面約束z方向位移，模型總共有16982個(gè)單元和18325個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 數(shù)值模型圖

該研究中基坑模型采用Mohr Coulomb進(jìn)行計(jì)算，其中連續(xù)墻采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，內(nèi)支撐采用beam單元模擬。

2.2 軟土厚度對(duì)基坑豎向變形影響分析

軟土厚度為0時(shí)，沉降變形主要集中在基坑側(cè)壁的左右兩側(cè)，最大沉降位移分別位于基坑側(cè)壁往外側(cè)12m（0.63倍開挖寬度）左右，數(shù)值約為14mm，整體沉降位移呈“中心發(fā)散”狀，約在基坑內(nèi)壁外側(cè)46m處（2.1倍開挖寬度）不再發(fā)生沉降位移。實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)基坑側(cè)壁外0.5倍~1倍開挖寬度處的土體位移[6]。

基坑回彈變形基本發(fā)生在基坑底部，變形呈“下凸型”。最大回彈變形位于基坑底部中心點(diǎn)位，數(shù)值約為62mm。約在基底以下15m處（0.68倍開挖深度）不再出現(xiàn)回彈變形。產(chǎn)生較大回彈變形的主要原因是基坑的卸荷作用導(dǎo)致基坑底部應(yīng)力重分布出現(xiàn)較大的豎向應(yīng)力，實(shí)際工程中應(yīng)加強(qiáng)基坑底部支護(hù)。

基坑最大沉降變形與最大水平變形隨軟土厚度變化趨勢(shì)圖如圖3所示。根據(jù)圖3可知，基坑最大沉降變形與最大回彈變形均隨軟土厚度增加而增加，其中最大沉降位移隨軟土厚度增加，位移數(shù)值從14mm先緩慢增加至20mm，后快速增加至25mm，最后逐漸收斂至38mm。最大回彈變形與軟土厚度基本呈正比關(guān)系，原因是軟土厚度直接影響了基坑底部卸荷應(yīng)力的釋放。

圖3 基坑最大豎向變形隨軟土厚度變化圖

2.3 軟土厚度對(duì)基坑水平變形影響分析

當(dāng)基坑中的軟土厚度為0m時(shí)，基坑的水平變形變化規(guī)律呈現(xiàn)為左右對(duì)稱分布，而基坑的最大水平位移分別位于基坑底部的左側(cè)與右側(cè)，數(shù)值約為30mm?；拥恼w變形規(guī)律呈現(xiàn)出從基坑頂部至基坑底部逐漸增加的趨勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是基坑中內(nèi)支撐起到了關(guān)鍵作用，基坑內(nèi)支撐抵抗了較大程度的水平方向應(yīng)力，而基坑底部未采取相應(yīng)的支撐作用，因此基坑底部水平應(yīng)力較大，導(dǎo)致基坑底部的水平位移也較大。

當(dāng)基坑中的軟土厚度為16m時(shí)，基坑的水平變形明顯比軟土厚度為0m時(shí)增加，最大水平位移達(dá)到49mm，增長(zhǎng)了約63.3%。由此可見，軟土厚度的增加對(duì)基坑水平變形的影響較大。主要原因是軟土的物理力學(xué)性質(zhì)較弱，在基坑開挖應(yīng)力場(chǎng)重分布以后，在水平應(yīng)力的擠壓作用下軟土?xí)诨觽?cè)壁方向產(chǎn)生較大的法向方向變形。基于此，在實(shí)際基坑開挖過程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)基坑底部的水平位移監(jiān)測(cè)，同時(shí)應(yīng)針對(duì)不同軟土厚度的地層采取不同支護(hù)強(qiáng)度的內(nèi)支撐，防止基坑內(nèi)壁出現(xiàn)較大水平變形，導(dǎo)致坍塌。

2.4 軟土厚度對(duì)連續(xù)墻最大水平位移及位置影響分析

連續(xù)墻最大水平位移與位置隨軟土厚度變化的曲線圖如圖4所示。由圖4可以看出，連續(xù)墻最大水平位移隨軟土厚度增加而增加，最大可達(dá)約90mm，最小有14mm，增加趨勢(shì)總體表現(xiàn)有3個(gè)階段：1）基坑軟土厚度較小時(shí)（0m~4m），連續(xù)墻最大水平位移隨軟土厚度從14mm緩慢增加至25mm。2）軟土厚度繼續(xù)增加（4m~10m），連續(xù)墻最大水平位移快速增加，數(shù)值從25mm增加至80mm。3）隨著軟土厚度繼續(xù)增加（10m~18m），連續(xù)墻最大水平位移逐漸收斂至90mm。

圖4 連續(xù)墻最大沉降位移及位置

連續(xù)墻的最大水平位移隨軟土厚度變化而變化。當(dāng)軟土厚度小于6m時(shí)，連續(xù)墻的最大水平位移隨軟土厚度的增加而逐漸下降，數(shù)值從-6m下降至-20m。當(dāng)繼續(xù)增加軟土厚度時(shí)，最大水平位移位置基本不發(fā)生變化。

綜合分析圖4可得，軟土的厚度直接影響了連續(xù)墻的最大水平位移。在遇到軟土厚度較大的地層時(shí)，應(yīng)選擇高強(qiáng)度的連續(xù)墻或增加連續(xù)墻的厚度以抵抗基坑外壁土體的推力。同時(shí)，發(fā)生最大水平位移的位置與連續(xù)墻也有較強(qiáng)的相關(guān)性，工程實(shí)踐中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軟土的厚度?？刹捎脭?shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)連續(xù)墻出現(xiàn)較大位移的區(qū)域，進(jìn)而在易發(fā)生水平位移處增加支護(hù)措施。

3 結(jié)論

該文以貴州省黔南州中共貴定縣委黨校遷建項(xiàng)目開挖基坑為實(shí)例，采用有限元分析方法研究了軟土厚度對(duì)開挖后基坑沉降變形、回彈變形、連續(xù)墻最大水平變形及位置的影響。研究結(jié)果表明：1）基坑的沉降位移呈對(duì)稱分布，最大沉降位移位于基坑側(cè)壁往外0.63倍開挖寬度附近，呈“發(fā)散”狀，而基坑的回彈變形基本發(fā)生在基坑底部的中心位置，呈“下凸”狀。2）基坑最大沉降位移與回彈位移均隨軟土厚度的增加而增加，其中回彈變形與軟土厚度基本成正比，而最大沉降位移隨軟土厚度增加最終緩慢收斂至38mm。在實(shí)際工程中，如遇高厚度軟土，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)基坑底部回彈變形情況。3）連續(xù)墻最大水平位移與軟土厚度呈正相關(guān)，在數(shù)值上先緩慢增加，后加速增長(zhǎng)，最后逐漸收斂至90mm。連續(xù)墻最大水平位移位置（豎直方向）會(huì)隨軟土厚度增加而下降，具體表現(xiàn)為先快速下降至-20m，最后保持穩(wěn)定。在工程應(yīng)用中，如軟土厚度較大，應(yīng)增加連續(xù)墻厚度，進(jìn)而限制基坑與墻體的水平位移。