黃劍,李偉,王秀秀
(1.中交四航局第五工程有限公司,福州 350000;2.福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院,福州 350002)
隨著大量的住宅、地鐵、立交橋等工程的建設,出現(xiàn)了大量的基坑工程。為了保證基坑工程的安全,除了做好勘察設計工作外,基坑施工過程中,基坑監(jiān)測的重要作用也不可忽略。這主要是基坑工程在施工過程中可能會遇見各種不可預見事件,會嚴重影響基坑安全,而基坑監(jiān)測能夠?qū)颖旧砑爸苓叚h(huán)境進行有效監(jiān)測,并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋,指導施工工作的順利開展[1]。
目前,已有大量文獻對基坑監(jiān)測進行了闡述。例如,時綠艷等[2]結(jié)合淮安市一地下室基坑工程論述了監(jiān)測技術(shù)在該工程中的應用;文建鵬等[3]以珠海某混凝土內(nèi)撐式支護結(jié)構(gòu)深基坑為依托,介紹了濱海平原場地淤泥質(zhì)土層條件下基坑監(jiān)測的應用;張建龍等[4]利用監(jiān)測技術(shù)指導了廣佛線地鐵朝安站D出口基坑信息化施工;唐維東[5]利用監(jiān)測技術(shù)對一出入段線盾構(gòu)隧道的拱頂沉降進行了實測,保證了施工的安全有序進行。但是針對地鐵出入線段基坑工程的研究較少,本文依托福州某地鐵車輛出入線段基坑工程,采用強度折減法計算基坑的整體穩(wěn)定性,并數(shù)值模擬地表沉降和圍護樁位移分布規(guī)律,為施工工作提供指導。
福州某地鐵車輛段出入線段基坑工程為研究內(nèi)容,車輛段長度約250 m,寬29.5~31.0 m,深度6.85~8.55 m,基坑安全等級為二級,采用直徑800 mm 灌注樁支護,間距1.0 m,樁長約19.4 m,進入強風化巖1 m;排樁后設置三軸攪拌樁止水帷幕,長度22 m。設置兩道900 mm×1000 mm 混凝土支撐,間距9 m。由于基坑跨度較大,內(nèi)支撐中部設置中立柱。圖1為車輛段引出線某一典型基坑支護剖面圖。該基坑影響范圍內(nèi),場地地層從上到下分布有6 層,分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、(含泥)中細砂、強風化熔結(jié)凝灰?guī)r(砂土狀)、中風化熔結(jié)凝灰?guī)r。
采用有限元軟件ABAQUS 進行該基坑的整體穩(wěn)定性、地表沉降和樁體位移進行數(shù)值分析。圖2是該基坑剖面二維平面應變模型及網(wǎng)格劃分。由于該基坑是對稱結(jié)構(gòu),故建立基坑一半的模型?;訉挒?5 m,深7.4 m,為了消除邊界效應,模型寬度取值為60 m,高26 m;整體模型采用CPE4 單元模擬;土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb 屈服準則,排樁、三軸攪拌樁和混凝土水平支撐本構(gòu)采用彈性材料。邊界條件設置:模型左側(cè)限制水平位移,模型底部限制水平和豎向位移,模型右側(cè)采用對稱邊界條件;載荷未考慮外荷載,僅考慮重力荷載。由于基坑工程開挖時,表層雜填土被挖去,故本模型未考慮雜填土的影響。表1為模型計算參數(shù)取值。
表1 模型計算參數(shù)取值
基坑整體穩(wěn)定性采用強度折減法進行計算。強度折減法是通過土體強度參數(shù)的降低來實現(xiàn)對失穩(wěn)情況的模擬。其基本原理是[6,7]:將土體的強度參數(shù)黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 的正切值tanφ 折減一個系數(shù)后,作為一組新的土體參數(shù)代入,判斷土體是否達到極限破壞狀態(tài),反復進行,當土體達到極限平衡時,其強度參數(shù)的折減倍數(shù),就是基坑的穩(wěn)定安全系數(shù)值。具體公式如式(1)和式(2):
式中,cm和φm是強度參數(shù)c 和φ 折減FV倍之后的黏聚力和內(nèi)摩擦角;FV為折減系數(shù)。
在ABAQUS 中,首先需定義一個場變量,即折減系數(shù)FV,之后定義材料參數(shù)隨場變量變化的模型參數(shù),在計算時需選擇輸出FV。采用強度折減法判別基坑達到臨界失穩(wěn)的標準有3 個,分別為數(shù)值計算不收斂、特征部位的位移拐點和形成連續(xù)貫通的塑性區(qū)作為判別標準[8]。本文依據(jù)文獻[7]的思路,選擇數(shù)值計算不收斂作為判別依據(jù)。圖3為計算不收斂時整體模型的折減系數(shù)分布云圖。從圖3中可知,基坑的安全系數(shù)達到2.136,大于國家標準規(guī)定的1.35 安全系數(shù)。說明本基坑的支護結(jié)構(gòu)是安全的。
圖4為有限元模型豎向位移等值云,從圖4中可以看出基坑地表土體有沉降,且距離坑壁越遠沉降值越小,距坑壁最遠端的沉降值基本為零,反映出邊界效應對該模型基本不產(chǎn)生影響,坑底有向上隆起的位移,這主要是基坑開挖卸載,應力釋放,引起力不平衡導致的。提取圖4中所示路徑地表沉降數(shù)值,繪制距離與地表沉降關系曲線,如圖5所示,從圖5可知,地表沉降呈勺子形,數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.54 mm,這主要是基坑開挖引起坑底向上隆起,導致排樁和三軸攪拌樁側(cè)土體在摩擦力作用下,有向上隆起,而稍遠基坑兩側(cè)土體則向下沉降。與文獻[1]、文獻[3]、文獻[8]得到的規(guī)律一致。
圖6為計算不收斂時圍護樁的水平位移U1和豎向位移U2云圖。從圖6中可知,圍護樁水平位移和豎向位移最大值分別為48.11 mm 和74.1 mm,該數(shù)值是土體參數(shù)進行折減后,土體強度降低引起的計算得到的。
圖7為樁體沿深度的水平位移曲線。從圖7可知,土體參數(shù)未折減情況下,樁體水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂,為11.29 mm,小于監(jiān)測控制值±40 mm。折減后,土體強度降低,樁體發(fā)生較大的水平位移。土體中含水量越大土體整體強度越低[9],因此,在施工過程中要嚴格對水的控制,除了對水位的監(jiān)控外,也要及時排除地表水以防止水向土體內(nèi)部的滲透,降低土體強度,影響基坑安全。
通過有限元強度折減法,計算了基坑的整體穩(wěn)定性、地表沉降和圍護樁位移,其中安全系數(shù)為2.136,表明該基坑設計是滿足基坑安全施工要求的。又對實測結(jié)果地表沉降、圍護樁樁頂水平和豎向位移的分析,同樣表明本基坑工程處于安全狀態(tài)。