狹隘場(chǎng)地深基坑工程施工過(guò)程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

朱正東， 李濤濤

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

現(xiàn)代城市的快速發(fā)展使城市用地越來(lái)越緊張，在這種情況下對(duì)地下空間的探索與開(kāi)發(fā)成為解決這一問(wèn)題的重要方式[1]?；庸こ淌且豁?xiàng)綜合性難題[2]，早些年我國(guó)基坑支護(hù)技術(shù)落后，多數(shù)項(xiàng)目采用放坡支護(hù)或其他簡(jiǎn)單支護(hù)形式[3]。如今的深基坑工程施工條件更加復(fù)雜，施工與監(jiān)測(cè)緊密配合成為保證基坑工程質(zhì)量的重要手段[4]。本文以某狹隘場(chǎng)地項(xiàng)目深基坑工程為背景，利用數(shù)值模擬軟件分析該工程基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律[5]，對(duì)該工程開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)比分析模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為同類(lèi)型深基坑工程的支護(hù)方案設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工提出指導(dǎo)意見(jiàn)[6]。

1 項(xiàng)目介紹

1.1 工程概況

某狹隘場(chǎng)地項(xiàng)目建設(shè)用地面積約5 009 m2，建筑功能為酒店及其相關(guān)配套設(shè)施。主樓地上19層，地下3層，建筑高度74.4 m；裙樓地上4層，地下3層，建筑高度20.4 m，基坑開(kāi)挖深度為12.5 m。

本工程場(chǎng)地平整，基坑?xùn)|側(cè)緊鄰市政主干道石臺(tái)路，南側(cè)緊鄰市政次干道月明路，2條市政干道相鄰規(guī)劃建筑物側(cè)下均埋設(shè)有城市各類(lèi)管網(wǎng)和通訊光纜，北側(cè)為居民活動(dòng)用地，西北側(cè)緊鄰一棟居民樓建筑，西南側(cè)與一棟8層酒店建筑相鄰，相隔一道沉降縫，裙房與酒店建筑相通。施工場(chǎng)地十分狹窄，周邊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)變形控制要求較高。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程勘探深度范圍內(nèi)各巖土層分布情況如下：

(1)素填土層：色雜，稍濕～濕狀態(tài)，稍密～中密狀態(tài)，層厚0.80～3.50 m，層底埋深0.80～3.50 m。

(2)黏土層Ⅰ：黃褐色，可塑～硬塑狀態(tài)，斷面光滑有光澤，干強(qiáng)度和韌性高，含大量高嶺土團(tuán)塊。層厚0.80～4.00 m，層底埋深3.50～5.70 m。

(3)黏土層Ⅱ：褐黃色，硬塑～堅(jiān)硬狀態(tài)，含大量鐵錳結(jié)核及高嶺土，斷面光滑有光澤，干強(qiáng)度和韌性高。層厚15.20～17.30 m，層底埋深19.60～21.50 m。

(4)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層：棕紅色，已風(fēng)化成土狀，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。層厚4.50～6.70 m，層底埋深24.60～27.50 m。

(5)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層：棕紅色，泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。發(fā)育近垂直向的一組節(jié)理，節(jié)理面浸染鐵氧化物，層面傾角約15°。層厚20.50～36.70 m，層底埋深51.60～57.50 m。

1.3 深基坑工程支護(hù)方案概述

工程選用的深基坑支護(hù)方案為排樁+內(nèi)支撐支護(hù)。排樁樁徑0.9 m，樁長(zhǎng)21.5 m，嵌固深度9 m，樁間距1.8 m，設(shè)置2道內(nèi)支撐，第一道內(nèi)支撐位于基坑深度-2.5 m位置處，第二道內(nèi)支撐位于基坑深度-6.9 m處。冠梁及圈梁尺寸均為0.9 m × 1.0 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)信息如表1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)信息表

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

2 施工過(guò)程有限元模擬分析

2.1 模型建立

2.1.1 基本假定與本構(gòu)模型選取

在建模前做如下假設(shè)：

(1)所用材料均質(zhì)、連續(xù)且各向同性。

(2)由于混凝土和鋼材在力的作用下主要發(fā)生彈性變形，因此選用彈性模型[7]。

(3)工程現(xiàn)場(chǎng)各層土體稍有起伏，為建模方便，假設(shè)各層土體呈水平分布。

(4)忽略開(kāi)挖過(guò)程中引起的土體、材料參數(shù)變化。

模擬現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)土質(zhì)情況結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)特性，土體本構(gòu)模型選取修正莫爾-庫(kù)倫模型。

2.1.2 材料參數(shù)

將排樁等效為地下連續(xù)墻，主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

2.1.3 模型尺寸

本工程基坑模型南北方向最長(zhǎng)處約110 m，東西方向最寬處約44 m，開(kāi)挖深度為12.5 m，圍護(hù)樁嵌固深度為9 m。周邊建筑物一棟為酒店建筑(樁基礎(chǔ))，模型長(zhǎng)度為66 m，寬度為28 m，高度為20 m。另一棟為居民樓建筑(條形基礎(chǔ))，模型長(zhǎng)度為60 m，寬度為14 m，高度為18 m?？紤]到邊界效應(yīng)以及鄰近建筑物對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本工程整個(gè)模型尺寸取330 m × 240 m × 55 m。有限元整體模型如圖3所示。

圖3 有限元整體模型

2.1.4 工況定義

本次模擬共劃分8個(gè)施工階段，均為應(yīng)力階段。具體劃分如下：

施工階段一：初始應(yīng)力平衡階段。

施工階段二：建筑物施作階段。

施工階段三：施工圍護(hù)樁、冠梁及支撐立柱。

施工階段四：開(kāi)挖第一層土體，開(kāi)挖土體至-2.5 m處。

施工階段五：施工第一道內(nèi)支撐與冠梁。

施工階段六：開(kāi)挖第二層土體，開(kāi)挖土體至-6.9 m處。

施工階段七：施工第二道內(nèi)支撐與冠梁。

施工階段八：開(kāi)挖第三層土體，開(kāi)挖土體至-12.5 m處。

將施工階段四～施工階段八設(shè)定為工況1～工況5。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移數(shù)值模擬分析

下文將排樁、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于基坑?xùn)|側(cè)為市政主干道石臺(tái)路，車(chē)流量大，且出土口位于該側(cè)，這里選取基坑?xùn)|側(cè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果進(jìn)行分析。工況1～工況5圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖如圖4～圖8所示，基坑?xùn)|側(cè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果如圖9所示。

圖4 工況1圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖 圖5 工況2圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖

圖6 工況3圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖 圖7 工況4圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖

圖8 工況5圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向深層水平位移云圖 圖9 工況1～工況5圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果

由圖9可以得出，工況1中，基坑開(kāi)挖至-2.5 m處，此時(shí)開(kāi)挖深度較淺，基坑內(nèi)外土體壓力差較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移較小，最大位移出現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，為1.54 mm。工況2中，施工第一道內(nèi)支撐，無(wú)土體開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線與工況1中變形曲線相近，最大位移為1.59 mm，相比上階段位移僅增加0.05 mm，說(shuō)明內(nèi)支撐的施加對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響較小。工況3中，開(kāi)挖土體至-4.9 m處，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為3.32 mm，相比較上階段，最大位移增加1.73 mm，最大位移位于基坑深度約-4m位置，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部至底部整體位移變化趨勢(shì)為“先增大，后減小”，這是由于基坑-2.5 m處有第一道內(nèi)支撐且圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體嵌固深度較大，第一道內(nèi)支撐限制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固部分限制了其下部變形。工況4中，施工第二道內(nèi)支撐，同樣無(wú)土體開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)與工況3變形趨勢(shì)相近，最大位移為3.40 mm，相比上階段位移增加0.08 mm。工況5中，開(kāi)挖土體至-12.5 m處，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為7.02 mm，位于基坑深度-8.5 m處，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部至底部整體變化趨勢(shì)為“先增大，后減小”。此階段最大位移較上階段增加3.62 mm，變化較大，這是由于本階段開(kāi)挖深度較深，達(dá)5.6 m，盡管基坑深度-6.9 m處布置了第二道內(nèi)支撐，但支撐的影響作用有限，最終在基坑深度約-8 m處產(chǎn)生了最大位移。

綜合來(lái)看，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形逐漸增大[8-10]。開(kāi)挖深度較淺時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部變形最大，開(kāi)挖深度逐漸增加時(shí)，最大位移位置逐漸下移，最終穩(wěn)定在開(kāi)挖深度的2/3處，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形從頂部至底部呈“先增大，后減小”的趨勢(shì)。

3 施圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)分析

由于基坑?xùn)|側(cè)為市政主干道石臺(tái)路，車(chē)流量大，且出土口也位于該側(cè)，這里選取基坑?xùn)|側(cè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?；娱_(kāi)挖階段處圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖10可以得出，基坑開(kāi)挖至-2.5m時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為1.25 mm，距離頂部約3 m，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小。第一道內(nèi)支撐施工完成時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移變化規(guī)律與上階段較為接近，最大位移由1.25 mm增長(zhǎng)至1.49 mm，增長(zhǎng)了0.24 mm?；娱_(kāi)挖至-6.9 m處時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移位置距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部約6 m，最大位移為3.58 mm，相比上階段增加了2.09 mm。第一道內(nèi)支撐施工完成時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平最大位移為4.28 mm，相比上階段增長(zhǎng)了0.70 mm?；娱_(kāi)挖至-12.5 m處時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為6.95 mm，較上階段增加2.67 mm，最大位移位置距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部約10 m，相比上階段仍繼續(xù)下移，接近于開(kāi)挖深度的2/3處。此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)“凹”的趨勢(shì)更加明顯，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部至底部的變形趨勢(shì)為“先增大，后減小”。

分析得知，在內(nèi)支撐施工過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形不明顯，在土方開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增長(zhǎng)迅速，這是由于土方開(kāi)挖過(guò)程中，坑內(nèi)外土體壓力差迅速增大，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受側(cè)向土壓力增長(zhǎng)迅速，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體位移增長(zhǎng)明顯。綜合來(lái)看，應(yīng)當(dāng)對(duì)土方開(kāi)挖工況重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，各層土體開(kāi)挖完成后，迅速進(jìn)行內(nèi)支撐的架設(shè)。

4 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

將基坑?xùn)|側(cè)長(zhǎng)邊中點(diǎn)處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果相對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果變化曲線更為平緩，變化趨勢(shì)基本吻合。隨著基坑開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移逐漸增加，變形趨勢(shì)為從圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部到底部“先增大，后減小”。基坑開(kāi)挖至-12.5 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值達(dá)到最大，為6.95 mm，監(jiān)測(cè)值也達(dá)到了最大，為6.80 mm，最大模擬值與最大監(jiān)測(cè)值分別出現(xiàn)在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部8 m和10 m處，均位于基坑開(kāi)挖深度的約2/3處。

研究發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)值總體略大于模擬值。因?yàn)樵谟邢拊M過(guò)程中做了一些簡(jiǎn)化，如：假定土層呈水平均勻分布狀態(tài)、土層參數(shù)隨基坑開(kāi)挖不發(fā)生變化等，再加上工程現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，天氣情況、儀器精準(zhǔn)度等都影響著監(jiān)測(cè)結(jié)果。盡管存在偏差，但兩者變化趨勢(shì)較為吻合，模擬結(jié)果較為合理。

圖11 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

以某狹隘場(chǎng)地深基坑工程為背景，利用Midas/GTS軟件模擬基坑工程開(kāi)挖過(guò)程，研究基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律，分析模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異性。結(jié)論如下：

(1)基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不斷增大，從頂部至底部變形呈“先增大，后減小”的趨勢(shì)，最大變形位置逐漸穩(wěn)定在開(kāi)挖深度的2/3處。開(kāi)挖至坑底時(shí)，圍護(hù)結(jié)果水平位移最大模擬值與監(jiān)測(cè)值均未超過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)警值。

(2)針對(duì)基坑開(kāi)挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的較大增長(zhǎng)，在土方開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后迅速施工內(nèi)支撐，同時(shí)應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，避免先開(kāi)挖側(cè)產(chǎn)生較大位移影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

(3)基本能夠反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的變化趨勢(shì)，基坑工程開(kāi)挖過(guò)程模擬具有可行性，模擬結(jié)果較為可靠。