超期服役深基坑再開挖對周圍環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究

張鑫全 尹玉平 曾 樂 余 俊

(1.中鐵城建集團(tuán)有限公司總承包分公司 湖南長沙 410208；2.中南大學(xué) 湖南長沙 410083)

1 引言

在工程建設(shè)期由于各種原因，部分深基坑主要支護(hù)體系施工完成，土方開挖進(jìn)展到一定深度后停止后續(xù)施工，形成超期服役深基坑工程。復(fù)工后，土方再開挖進(jìn)一步卸荷，對前期逐漸穩(wěn)定的土體應(yīng)力平衡產(chǎn)生新的擾動，由此造成鄰近建筑物和基坑周邊地面下沉并引起事故的案例不斷增多。

黃敬賢[1]、劉建威[2]、祁孜威[3]等人結(jié)合工程實(shí)際對深基坑的超期使用進(jìn)行了相應(yīng)的工程評估和維護(hù)加固，其針對特定地區(qū)超期的既有深基坑，闡述了如何進(jìn)行檢測鑒定分析以保證后續(xù)工程的順利進(jìn)行。顏超[4]將灰色GM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型用于超期服役基坑工程，提出了一種預(yù)估基坑保持安全狀態(tài)時長的方法。李志偉[5]結(jié)合工程案例對超期深基坑周邊建筑物的沉降影響進(jìn)行了研究，通過對某超期深基坑的檢測鑒定，綜合現(xiàn)場勘驗情況、降水方案、基坑支護(hù)方式及監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了該基坑工程對周邊建筑物的沉降影響。

從國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)來看，超期服役深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)性能評估的方法較少[6-8]，對其變形提出可靠的預(yù)測亦較少[9-11]；且對于在既有基坑超期使用的基礎(chǔ)上進(jìn)行再開挖對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響的相關(guān)研究更是鮮有人開展[12]，亟待研究。

本文以湖南文化廣場(二期)基坑工程為研究對象，運(yùn)用大型有限元分析軟件對該超期基坑整個施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析和停工階段的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，對超期基坑工程的特征、時變性特點(diǎn)和一般規(guī)律進(jìn)行研究，為該類超期基坑工程的性能評估、加固改造以及后續(xù)安全施工提供參考。

2 工程概況與環(huán)境狀況

2.1 工程概況

湖南文化廣場(二期)項目，基坑工程安全等級為一級，基坑支護(hù)采用樁徑1 200 mm@2 200 mm的混凝土灌注樁，樁頂冠梁，東側(cè)5道、南側(cè)2道、西側(cè)、北側(cè)均4道鋼筋混凝土腰梁，預(yù)應(yīng)力錨索，80 mm厚鋼筋網(wǎng)混凝土噴面，樁間擺噴止水的樁錨支護(hù)體系，開挖深度為17.00～26.00 m。

2.2 環(huán)境狀況

該基坑南側(cè)與100 m高的湖南大劇院建筑外墻距離5.4 m；西側(cè)距韶山北路地下通道出入口5 m，東側(cè)支護(hù)樁頂為項目3層臨時板房，間隔4 m消防通道為溫莎KTV；北側(cè)與解放東路公交站臺距離3 m；基坑土體為遇水軟化的紅壤土體，水穩(wěn)性差；基坑南側(cè)支護(hù)冠梁頂與大劇院基礎(chǔ)底同一標(biāo)高。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)于2014年9月開工、12月完成支護(hù)樁、冠梁，2015年10月完成60%左右的錨索、土方并停止施工，于2017年2月底復(fù)工。該基坑支護(hù)工程設(shè)計使用年限僅為1年，復(fù)工時已超過設(shè)計使用年限且?guī)Ш奢d暴露時間過長，基坑再開挖前需模擬基坑周圍土體、建筑等實(shí)際工況，分析再開挖過程中相互作用體系的位移和受力規(guī)律，以保障基坑施工安全和周圍環(huán)境的安全穩(wěn)定。

3 計算模型與基本假定

3.1 有限元模型

按照基坑開挖方案建立整體有限元模型進(jìn)行計算分析。以湖南大劇院長軸向為X軸，短軸向為Y軸，豎直向為Z軸建立三維模型計算分析，為消除模型邊界效應(yīng)，X軸向取240 m，Y軸向取245 m，Z軸向取50 m。計算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系如圖1所示。工況采用具有流變特性的本構(gòu)模型，考慮土壓力、錨索預(yù)應(yīng)力損失、基坑底部土抗力時變性，對基坑的整個施工過程進(jìn)行有限元數(shù)值動態(tài)模擬和分析，各分步、各階段開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊土體的豎向、水平位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、模擬計算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析。

圖1 計算模型基本尺寸及相應(yīng)的位置關(guān)系

3.2 模型假設(shè)

有限元數(shù)值模擬基于一定的假設(shè)和模型簡化進(jìn)行，假定如下:

(1)認(rèn)為各土層均呈勻質(zhì)水平近層狀分布且同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)；

(2)未考慮固結(jié)和地下水滲流；

(3)模型中圍護(hù)灌注樁結(jié)構(gòu)根據(jù)等剛度原理采用地下連續(xù)墻模擬；

(4)模擬將地面整平至一定高程。

3.3 分析步驟

為了準(zhǔn)確地模擬文化廣場(二期)基坑開挖對湖南大劇院的影響，依照實(shí)際施工方案采用動態(tài)模擬施工過程的方法，按照施工圖紙在基坑周圍打入一定數(shù)量的圍護(hù)樁后，再對基坑進(jìn)行開挖，并在開挖的同時及時進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)。

4 有限元模型計算結(jié)果分析

4.1 基坑周邊土體位移分析

文化廣場(二期)基坑開挖時，周邊土體失去原有應(yīng)力平衡釋放應(yīng)力，使土體產(chǎn)生相應(yīng)的沉降和水平位移。

4.1.1 基坑周邊土體豎向位移分析

基坑各主要工況土體豎向位移云圖如圖2(正值表隆起，負(fù)值表沉降)，開挖階段沉降數(shù)據(jù)如表1(負(fù)值表沉降)。從圖3和表1可知，各開挖階段土體的隆起發(fā)生于基坑底部，沉降發(fā)生于土體開挖處的基坑外四周?；油獾某两稻强拷鬟呏胁枯^大，角部較小，周邊土體沉降均在控制指標(biāo)內(nèi)。

圖2 各階段土方開挖完成土體豎向位移

表1 基坑周邊土體豎向位移數(shù)據(jù)

在基坑施工的整個過程中，基坑外側(cè)地面土體距支護(hù)樁不同距離處的豎向位移隨時間的全過程變化(基坑?xùn)|側(cè))如圖3所示。基坑外側(cè)地面土體的最大豎向位移在每個階段沒有固定位置，復(fù)工后開挖的最大沉降距樁頂10 m地面處，為22.58 mm。在停工期間基坑外側(cè)地面豎向位移隨時間的變化明顯，變化值從開始變化速率較大，到后期變化速率逐漸減小，趨于一個平穩(wěn)的小幅度增長模式，具有明顯的時間效應(yīng)。對超期服役基坑工程進(jìn)行分析時，須重點(diǎn)關(guān)注基坑外側(cè)地面土體的沉降。

圖3 基坑外側(cè)地面距支護(hù)樁不同距離處土體豎向位移隨時間的全過程變化(隆起為正，沉降為負(fù))

在停工階段，基坑內(nèi)側(cè)坑底距支護(hù)樁不同距離處土體豎向位移隨時間變化(基坑?xùn)|側(cè))如圖4所示。基坑內(nèi)側(cè)坑底土體距支護(hù)樁越遠(yuǎn)隆起越大，最大值距支護(hù)樁30 m左右的位置，為44.77 mm。基坑內(nèi)側(cè)坑底土體的豎向位移隨時間基本不變，只有微量的減小。對超期服役基坑工程進(jìn)行分析時，基坑停工時基坑內(nèi)側(cè)坑底土體的隆起可忽略。

圖4 基坑內(nèi)側(cè)坑底距支護(hù)樁不同距離處土體豎向位移在停工期間隨時間的變化(隆起為正，沉降為負(fù))

4.1.2 基坑周邊土體水平位移分析

各主要工況水平位移數(shù)據(jù)如表2(表中正值表示由坡頂至坡底方向，負(fù)值表示由坡底至坡頂方向)。從表中可知，在各開挖階段，基坑周邊土體水平位移為坡頂至坡底方向，基坑外的水平位移均是靠近基坑各邊的中部較大，坑角處較小。其水平位移皆在控制指標(biāo)內(nèi)?；訌拈_工到完工，基坑外側(cè)地面土體距支護(hù)樁不同距離處水平側(cè)向位移隨時間的全過程變化如圖5所示?；油鈧?cè)地面土體最大水平位移在每個階段都發(fā)生在樁頂處，停工前開挖階段為6.89 mm，停工期間為13.52 mm，復(fù)工后開挖階段為24.04 mm；距支護(hù)樁頂越遠(yuǎn)，地面土體的水平位移越?。婚_挖階段隨時間變化速率較大，停工期間隨時間變化較平緩，停工期間水平位移變化值開始變化速率較大，后期變化速率逐漸減小，趨于一個平穩(wěn)、小幅度增長模式，該規(guī)律在樁頂處土體表現(xiàn)最為明顯。在基坑施工的整個過程中，尤其是停工期間，基坑外側(cè)土體水平位移具有明顯的時間效應(yīng)，離基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)越近位移越大，時變效應(yīng)越明顯。分析時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注基坑支護(hù)樁樁頂附近地面土體。

表2 基坑周邊土體水平位移數(shù)據(jù)

圖5 基坑外側(cè)地面距支護(hù)樁不同距離處土體水平位移隨時間的全過程變化(基坑外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)的方向為正)

基坑整個施工過程中，基坑側(cè)壁土體距地面不同深度水平位移隨時間的全過程變化如圖6所示?；觽?cè)壁土體水平側(cè)向位移在開工和復(fù)工開挖階段隨時間變化速率較大，停工期間隨時間變化為一個較為平緩的階段；在停工期間，開始變化速率較大，后期變化速率減小，趨于一個平穩(wěn)、小幅度增長模式，該規(guī)律在基坑側(cè)壁地面處土體表現(xiàn)最為明顯，從地面往下，基坑側(cè)壁土體水平位移變化速率沿著深度逐漸減小，停工前開挖階段最大水平位移為6.89 mm，停工期間最大水平位移為13.52 mm，增幅達(dá)到了96%，反映出停工期間具有明顯的時間效應(yīng)，分析時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注基坑支護(hù)樁頂附近的地面土體。

圖6 基坑側(cè)壁土體距地面不同深度處水平位移隨時間的全過程變化(基坑外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)的方向為正)

4.2 數(shù)值模擬計算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析

根據(jù)已有實(shí)測數(shù)據(jù)，對支護(hù)樁頂在停工期間水平位移變化和基坑外側(cè)距支護(hù)樁10 m處土體沉降值，通過數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

在停工期間，支護(hù)樁頂水平側(cè)向位移數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析如圖7所示。由圖可知:實(shí)測數(shù)據(jù)由于測量精度和誤差等原因雖有明顯的離散性，但與數(shù)值計算數(shù)據(jù)大致趨于擬合。從數(shù)據(jù)圖線的變化規(guī)律和趨勢可以看出，不論是數(shù)值模擬數(shù)據(jù)還是實(shí)測數(shù)據(jù)，支護(hù)樁頂水平側(cè)向位移值在停工期間總體有顯著增長，增長率達(dá)到1倍左右，而在該停工期間的前期，支護(hù)樁頂水平位移增長率較大，到后期其增長速率逐漸減小，趨于平穩(wěn)、小幅度緩慢增長狀態(tài)。

圖7 支護(hù)樁樁頂水平位移在停工期間隨時間的變化-數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對比(基坑外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)的方向為正)

可以看出，基坑支護(hù)樁頂水平位移在基坑停工階段具有明顯的時間效應(yīng)，對超期服役基坑工程研究分析時，需對支護(hù)樁頂水平位移進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

基坑停工期間，基坑外側(cè)10 m處沉降數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析如圖8所示。實(shí)測數(shù)據(jù)由于測量精度和誤差等原因雖有明顯的離散性，與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)沒有良好吻合，但兩數(shù)據(jù)變化在大致趨勢上具有很大相似性。從數(shù)據(jù)圖線的變化規(guī)律和趨勢可看出，不論是數(shù)值模擬數(shù)據(jù)還是實(shí)測數(shù)據(jù)，基坑外側(cè)土體沉降值在停工期間總體呈顯著的增長，其中實(shí)測數(shù)據(jù)增長率達(dá)63%，而停工期前期，基坑外側(cè)土體沉降值增長率較大，越到后期其增長速率逐漸減小，趨于平穩(wěn)、小幅度緩慢增長狀態(tài)。

圖8 基坑外側(cè)10 m處的豎向位移在停工期間隨時間的變化-數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對比

4.3 鄰近建筑位移分析

選取基坑開挖的5個主要階段，對湖南大劇院建筑物的沉降和水平位移進(jìn)行分析。

4.3.1 鄰近建筑沉降分析

以湖南大劇院結(jié)構(gòu)和地面部分為研究對象，將其以南北方向劃分5個軸。具體沉降數(shù)據(jù)如表3(正值表隆起，負(fù)值表沉降)。

表3 湖南大劇院結(jié)構(gòu)沉降值

從表3可以看出，在各開挖階段中，湖南大劇院結(jié)構(gòu)及地面層的沉降是不均勻的，沉降總體呈北大南小，產(chǎn)生沿南北方向的差異性沉降，即建筑產(chǎn)生由南向北的傾斜。且隨著開挖工序而不斷地變化，最大沉降值為5.3 mm，在控制指標(biāo)15 mm以內(nèi)。

4.3.2 鄰近建筑水平位移分析

根據(jù)文化廣場(二期)基坑各階段開挖完成，文化大廈結(jié)構(gòu)水平位移云圖統(tǒng)計如表4所示。

表4 湖南大劇院結(jié)構(gòu)水平位移值

從表4可知，在文化廣場(二期)基坑各開挖階段中，湖南大劇院水平位移主要集中于地下室結(jié)構(gòu)的四周，且隨著土方開挖施工工序的變化，最大水平位移的位置逐漸穩(wěn)定于湖南大劇院北側(cè)中間地下室地下1層處。主要是由于該位置對應(yīng)于湖南大劇院建筑結(jié)構(gòu)高層部分的最底端，該位置所受的建筑自重荷載最大，相鄰?fù)馏w開挖卸載變形，該處產(chǎn)生朝向基坑北側(cè)最大的水平位移值8.5 mm，在控制指標(biāo)20 mm以內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過數(shù)值模擬文化廣場基坑從開工、停工、復(fù)工至開挖完成的全過程，結(jié)合數(shù)值模型的結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)，對比分析、評估得出以下結(jié)論:

(1)基坑大面積開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)顯著，湖南大劇院的沉降主要集中于湖南大劇院結(jié)構(gòu)的北側(cè)(靠近基坑側(cè))部分，且隨著開挖施工工序的變化，最大沉降的位置發(fā)生變化。

(2)在文化廣場(二期)基坑各開挖階段中，湖南大劇院結(jié)構(gòu)地面層產(chǎn)生沿南北方向的差異性沉降，即建筑產(chǎn)生由南向北的傾斜；湖南大劇院的水平位移主要集中于地下室結(jié)構(gòu)的四周，且隨著土方開挖施工工序的變化，最大水平位移的位置逐漸穩(wěn)定于湖南大劇院北側(cè)中間地下室地下1層處。

(3)通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，得出數(shù)值模擬的計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)在大致趨勢上具有良好的擬合效果，數(shù)值模擬中基坑外側(cè)土體沉降與實(shí)測數(shù)據(jù)具有大致相同的變化規(guī)律，證明了數(shù)值模型中參數(shù)選取的可靠性，以及超期基坑隨時間變形規(guī)律的準(zhǔn)確性。