基坑開挖土體回彈變形研究

陳建康，矯偉剛，張琳，楊遠(yuǎn)營(yíng)，高翔

（1.北京現(xiàn)代金宇巖土工程有限公司，北京 101400；2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

1 引言

目前，越來(lái)越多的城市都是高層建筑，因此出現(xiàn)了大量的深基坑工程，深基坑支護(hù)問(wèn)題也隨之而來(lái)[1]。地下空間和高層建筑可以通過(guò)深基坑支護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，建筑質(zhì)量的好壞與深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有直接關(guān)系?；庸こ讨杏捎谕馏w的開挖與自重應(yīng)力釋放，致使坑底向上回彈，開挖后，基底以下部分墻體向基坑方向變位時(shí)，擠推墻前的土體，造成坑底隆起變形加劇?；勇∑鹆康拇笮∈桥袛嗷臃€(wěn)定性的重要指標(biāo)。因此，較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基坑的回彈變形量，可以為將來(lái)的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

深基坑支護(hù)形式多種多樣，通常可分為非結(jié)構(gòu)支護(hù)體系和結(jié)構(gòu)支護(hù)體系兩大類[2]，本文主要采用結(jié)構(gòu)支護(hù)體系。通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目基坑開挖后支護(hù)和監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)，成功解決了該項(xiàng)目深基坑的支護(hù)安全問(wèn)題。并通過(guò)數(shù)值模擬方法得出坑底回彈量隨不同位置的變化關(guān)系，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，希望可以為其他類似工程提供參考。

2 土體回彈機(jī)理

基坑開挖前，土體在重力作用下經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的壓縮固結(jié)過(guò)程，在沒(méi)有其他外力作用的情況下，短時(shí)間內(nèi)很難變形。基坑開挖破壞了基坑內(nèi)外土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，基坑底部以下土體產(chǎn)生卸荷回彈變形?；拥撞炕貜椬冃蔚挠绊懸蛩嘏c基坑內(nèi)外土體的孔隙比、粘聚力等參數(shù)有關(guān)[3]?；娱_挖完成后，基坑底面的變形量由兩部分組成：一部分是基坑周圍土體在自重作用下使坑底土向上隆起；另一部分是開挖后的卸載引起的回彈量。擋墻在側(cè)水壓力作用下，墻角與內(nèi)外土體發(fā)生塑性變形而上涌。基坑回彈觀測(cè)，應(yīng)測(cè)定深埋基礎(chǔ)在基坑開挖后，由于卸除地基土自重而引起的基坑內(nèi)外影響范圍內(nèi)外相對(duì)于開挖前的回彈量。

由于各個(gè)基坑的大小、周圍條件及開挖支護(hù)形式各不相同，因此在研究基坑底部的回彈變形時(shí)需要考慮眾多因素[4]。然而，一般認(rèn)為回彈模量和回彈應(yīng)力直接影響基坑底部的回彈變形，土體的密度和粘聚力通過(guò)回彈模量和回彈應(yīng)力的影響，影響基坑底部的回彈變形。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目位于北京市朝陽(yáng)區(qū)東壩，地塊占地面積4.22 萬(wàn)m2，基坑總面積27252m2。本項(xiàng)目擬建建筑物主要由2座辦公樓、2 座星級(jí)酒店、購(gòu)物中心及地下車庫(kù)組成，具體層數(shù)見表1。擬建物室內(nèi)地坪標(biāo)高(±0.00)為30.50m，如圖1所示?；釉O(shè)計(jì)深度15.8m, 基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

圖1 擬建建筑布置圖

擬建建筑物初步設(shè)計(jì)條件一覽表 表1

3.2 地質(zhì)及水文條件

3.2.1 地質(zhì)條件

擬建工程場(chǎng)地位于永定河沖洪積扇下部，地形基本平坦，建設(shè)用地現(xiàn)狀為已拆除完畢的空地，且建設(shè)用地已開展過(guò)文物勘查工作，分布有文物勘查探坑，場(chǎng)地中間部分表層1.5m 深度范圍內(nèi)的房渣土、素填土已基本被清除，形成了中間低四周高的地形。工程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地為空地，地勢(shì)總體較為平坦。

將擬建場(chǎng)地現(xiàn)狀地面以下50m 深度范圍內(nèi)的地層，按其成因年代劃分為人工堆積層、第四紀(jì)沉積層二大類，并按地層巖性及其物理力學(xué)指標(biāo)劃分為9 個(gè)大層及亞層，具體參數(shù)見表2。

土層參數(shù) 表2

3.2.2 地下水條件

本項(xiàng)目場(chǎng)地勘探鉆孔實(shí)測(cè)到4 層地下水，地下水類型包括潛水、層間水和承壓水。據(jù)勘察成果，擬建場(chǎng)區(qū)自1955 年以來(lái)最高地下水位接近自然地面。近3～5 年最高地下水位標(biāo)高約為29.10m（場(chǎng)區(qū)地勢(shì)低洼處接近自然地面）。

3.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本文主要對(duì)1-1 支護(hù)段分析，主要模擬對(duì)基底土體回彈進(jìn)行分析。其支護(hù)形式采用護(hù)坡樁與錨桿支護(hù)體系。護(hù)坡樁樁徑為800mm，樁長(zhǎng)19m；錨桿設(shè)置三道，每道長(zhǎng)度分別為28m、29m、28m。具體開挖工序見表3。

工況信息表 表3

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

基坑的開挖主要通過(guò)FLAC 3D 中的“null”單元實(shí)現(xiàn)，灌注樁的施工和錨桿的嵌入則主要通過(guò)“pile”和“cable”語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)，基坑開挖之前首先要使土體在重力作用下固結(jié)，然后進(jìn)行后續(xù)的開挖工作。

根據(jù)建立的數(shù)值計(jì)算基坑模型，選取數(shù)值計(jì)算基坑模型為實(shí)際基坑尺寸的1/4。應(yīng)用FLAC 3D 軟件建立模型，基坑平面尺寸為40m×20m，計(jì)算域?yàn)?00m×50m×70m 的三維有限元計(jì)算模型，按基坑開挖深度分為5.3m、9.8m、13.3m、15.8m共4種工況開挖。整個(gè)計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖2 所示。模型四周邊界僅約束法向位移，底部采用固定約束，地表面、建筑物上表面設(shè)定為自由邊界。

圖2 三維計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

支護(hù)結(jié)構(gòu)主要有灌注樁和錨桿，灌注樁的直徑為800mm，嵌入深度為5.2m，采用C30 混凝土，樁間距為1.6m。錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿，水平間距為1.6m，長(zhǎng)度為28m，傾角為15°。支護(hù)結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)布置圖

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

基坑開挖至5.3m 時(shí)，坑底回彈值為6.05mm（圖4）。

圖4 開挖至5.3m基坑豎向位移圖

基坑開挖至9.8m 時(shí)，坑底回彈值為11.00mm（圖5），比基坑開挖至5.3m 的回彈值增加81.8%。

圖5 開挖至9.8m基坑豎向位移圖

基坑開挖至13.3m 時(shí)，坑底回彈值為14.97mm（圖6），比基坑開挖至9.8m的回彈值增加36.1%。

圖6 開挖至13.3m基坑豎向位移圖

基坑開挖至15.8m 時(shí)，坑底回彈值為17.72mm（圖7），比基坑開挖至13.3m 的回彈值增加18.4%。隨著基坑開挖深度的增加，回彈值增幅逐漸減小。

圖7 開挖至15.8m基坑豎向位移圖

其中錨桿支護(hù)不影響坑底回彈變形，只對(duì)基坑側(cè)壁變形產(chǎn)生影響，在此忽略不計(jì)。此外，開挖至坑底-15.8m 處，基坑周圍地表變形仍在安全范圍以內(nèi)，說(shuō)明基坑整體設(shè)計(jì)符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

施工期間，通過(guò)第三方對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從表4 中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果由于未考慮排水固結(jié)的狀態(tài)，導(dǎo)致其結(jié)果偏大。

數(shù)據(jù)對(duì)比表 表4

4.3 結(jié)果分析

本文分別對(duì)坑底的長(zhǎng)向和對(duì)角線方向劃分切面，對(duì)比分析了每個(gè)切面在不同坑底深度下土體的回彈變形情況。從圖8 可以看出，沿基坑走向上，中心附近位置的回彈量大于靠近支護(hù)結(jié)構(gòu)附近的回彈量。這是因?yàn)楫?dāng)基坑開挖時(shí)，坑內(nèi)土體在豎向和水平向均要發(fā)生卸荷，故在豎直方向和水平方向均要發(fā)生卸荷回彈變形?？拷ёo(hù)結(jié)構(gòu)的土體由于受到摩擦作用，因此約束了土體的部分回彈變形，越靠近中心位置受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束越弱，豎向回彈量越大，離支護(hù)結(jié)構(gòu)越近，受到的約束越強(qiáng)，豎向回彈量越小。

圖8 坑底沿長(zhǎng)方向回彈曲線

從圖9 可以明顯地看出坑角效應(yīng)的影響，近基坑中心的回彈量遠(yuǎn)大于近坑角處的回彈量。

圖9 坑底沿對(duì)角線方向回彈曲線

5 結(jié)論

本文主要利用FLAC3D 有限差分軟件對(duì)基坑開挖回彈變形，進(jìn)行建模并分析結(jié)果。從以上結(jié)果中可以看出：

①應(yīng)用摩爾庫(kù)倫模型時(shí)，數(shù)值模型模擬結(jié)果比實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果大，主要原因可能是未考慮降水作用，但整體差異值不大，說(shuō)明模擬結(jié)果較為合理；

②坑底變形主要以遠(yuǎn)離支護(hù)結(jié)構(gòu)的坑中心位置回彈量較大，越往四周回彈量越小，且考慮到坑角效應(yīng)的影響，四周坑角位置回彈量亦較低；

③隨著開挖深度的增加，回彈值的增幅從81.8%減小到18.4%，回彈值趨于穩(wěn)定；

④由于施工現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)以軟弱土為主，且地下水位較高，所以在實(shí)際施工中需要考慮基坑開挖導(dǎo)致的坑底回彈變形。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)要預(yù)先降水固結(jié)，禁止超挖，及時(shí)支護(hù)。