逆作深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形空間效應(yīng)分析

何向玲，吳東云，周嘉賓

(1.上海市城市管理職業(yè)技術(shù)學院，上海 200432;2.天津城市建設(shè)學院 土木系，天津 300384;3.河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司，鄭州 450000)

深基坑支護設(shè)計必須確保整個圍護結(jié)構(gòu)在施工過程中穩(wěn)定，同時要對圍護結(jié)構(gòu)及其周圍土體的變形進行控制，以保證周圍建筑和地下管線的安全。

工程實踐表明[1-3]，對于懸臂支護基坑或有內(nèi)支撐的基坑，開挖較淺，還未設(shè)支撐時，不論是剛性墻體還是柔性墻體，墻體側(cè)向變形均表現(xiàn)為三角形分布，即墻頂位移最大，墻體繞底部以下某一點向坑內(nèi)傾轉(zhuǎn);基坑加設(shè)內(nèi)撐后，隨著開挖深度增加，墻體側(cè)向變形表現(xiàn)為墻頂位移不變，墻體腹部向坑內(nèi)突出。而逆作法施工由于以層板結(jié)構(gòu)永久支撐代替臨時水平支撐，使圍護結(jié)構(gòu)在變形上與順作法相比，會表現(xiàn)出不同的變化情況，逆作基坑變形過大將對地下工程本身產(chǎn)生不利影響，同時對周邊環(huán)境也會造成破壞，因此，對逆作基坑變形規(guī)律進行研究，掌握其變形特征對工程的安全進展是十分必要的。

目前對圍護結(jié)構(gòu)變形的研究主要是一些工程經(jīng)驗與施工方法的總結(jié)，或是對基坑監(jiān)測資料的分析[4-6]，而對基坑圍護結(jié)構(gòu)整體變形缺少宏觀把握。本文以某交通樞紐超深基坑工程為例，基于數(shù)值模擬計算，對基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)不同位置處、不同方向上的水平變形進行分析，掌握了逆作基坑開挖過程中地連墻的變位情況，得出了逆作法深基坑區(qū)別于順作基坑變形的特點。

1 工程概況及模型簡介

1.1 工程概況

某交通樞紐工程位于天津市區(qū)，地下三層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底板埋深約25.0 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，墻深42～53 m，墻厚1.2 m。坑內(nèi)底板下的抗浮樁為φ2 200 mm鉆孔灌注樁，有效樁長為35.0～56.0 m;樁上設(shè)φ1 000～φ1 500 mm鋼管柱作為豎向支承結(jié)構(gòu)，柱距為9 000 mm。結(jié)構(gòu)頂板厚為1 000 mm，中層板厚為600 mm，底板厚為1 200 mm;基坑采用蓋挖逆作法施工?；悠矫鏋?34.0 m×64.0 m的近似矩形。

1.2 計算模型簡介

該基坑可簡化為長方形對稱結(jié)構(gòu)，其模型取基坑1/2長度做計算。計算結(jié)構(gòu)長度取九個柱距117.0 m，寬64.0 m;土體橫向取基坑墻外50.0 m，縱向深100.0 m。土體與圍護結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點減縮積分單元(C3D8R)模擬，梁、板采用殼單元(S4R)模擬，立柱及樁采用梁單元(B31)模擬，圍護結(jié)構(gòu)和土之間建立接觸。土層參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報告給定的土層分布情況，依據(jù)按厚度加權(quán)平均的原則進行合并，見表1。土體本構(gòu)采用 Drucker—Prager模型，支護結(jié)構(gòu)(墻、梁、板和柱)賦予彈性性質(zhì)。依據(jù)開挖工況，模擬計算步簡化為表2;模型計算域及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分情況見圖1。

表1 數(shù)值模擬土層參數(shù)取值

為比較圍護結(jié)構(gòu)不同位置處的水平變形，在墻體不同位置設(shè)置了3個模擬計算點，分別位于基坑短邊墻體中部位置、基坑短邊墻體端部和基坑長邊墻體中部位置，定義為 CXM1、CXM2、CXM3。具體位置見圖1。

表2 模擬計算步

2 計算模型的驗證

為驗證本文所建立模型和所選計算參數(shù)的合理性，將計算點CXM3的模擬計算結(jié)果與在該位置測點CX8的實測測斜數(shù)據(jù)進行對比，如圖2?？梢钥闯?

1)數(shù)值模擬計算得到的地連墻水平變形曲線的整體形狀與實測曲線比較接近。模擬曲線更加光滑，而實測曲線由于受施工或人為因素的影響，測點擾動較大，曲線離散性較大。

2)模擬計算結(jié)果較實測結(jié)果略大，分析認為，數(shù)值模擬時未考慮基坑開挖的時間效應(yīng)，是在支護結(jié)構(gòu)形成空間受力體系的情況下，分步一次開挖卸載，而實際開挖過程是分段分層挖土，空間結(jié)構(gòu)逐步形成時效，荷載的釋放有一定的過程，所以兩者數(shù)值有一定差異。

綜上可見，本文所建模型雖與實際工況略有差異，但針對圍護結(jié)構(gòu)變形的空間效應(yīng)進行研究時，本模型能夠很好地反映墻體變形的真實情況。

圖1 數(shù)值模擬示意(單位:m)

圖2 地連墻水平位移對比

3 圍護結(jié)構(gòu)空間變形分析

3.1 墻體變形整體云圖

基坑開挖至－25.0 m基底時，圍護墻體變形云圖見圖3?？梢钥闯?

1)總體上，在開挖至基底時，圍護墻體主要產(chǎn)生向坑內(nèi)的變形，墻體中部位置變形大于墻體兩端，位移最大值發(fā)生在中部靠上位置。

2)基坑長邊方向墻體變形大于基坑短邊墻體變形，狹長基坑具有顯著的空間效應(yīng)。在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工中，應(yīng)注意基坑長邊中部位置墻體的變形，必要時對狹長基坑可在中部位置設(shè)置分割地連墻，使其變成幾個小基坑，以消弱該類基坑的空間效應(yīng)。

3)開挖至基底(H)25.0 m時，水平位移最大值δmax為 29.28 mm，該值與開挖 深度之比 δmax/H=1.3‰，遠小于《基坑變形保護等級標準》中結(jié)構(gòu)水平位移控制要求的容許值范圍?？梢娀幽孀鞣ㄓ捎诓捎媒Y(jié)構(gòu)板作為橫向支撐，剛度較大，對圍護墻體的變形起到了良好的約束作用。

圖3 開挖至基底時墻體變形云圖

3.2 縱向不同位置處水平變形分析

1)地連墻深層水平位移均為墻頂和墻底兩端變形小、中間變形大，曲線呈鼓肚狀;且隨著基坑開挖深度的加大，這種形狀趨勢愈加明顯。

2)在負1層底板澆筑后，第2層土開挖之前，墻頂均有向坑外的變形現(xiàn)象。分析原因在于頂板與墻體形成很好的整體，大體積混凝土的膨脹應(yīng)力造成墻頂位置的側(cè)移向坑外;開挖第2層土方后，由于墻體中部位置變形加大，在墻體自平衡作用下墻頂位移表現(xiàn)為正值。

3)隨著開挖的進行，地連墻的水平位移越來越大，最大值出現(xiàn)的深度不斷下移。開挖至基底時，在基坑短邊中部墻段計算點CXM1位移最大，為25.2 mm，出現(xiàn)在深度19.0 m處;墻段端部計算點CXM2的最大位移為17.6 mm，出現(xiàn)在深度20.0 m處;而基坑長邊方向，墻體中部計算點 CXM3(圖2(a))最大位移為29.28 mm，出現(xiàn)在深度21.0 m處。三處依位移最大值排序為:長邊墻體中部＞短邊墻體中部＞短邊墻體端部?？梢?，墻體的邊角由于遮攔效應(yīng)導(dǎo)致其位移值小于基坑中部相應(yīng)值，且墻段距邊角越遠，變形越大。

3.3 橫向水平變形分析

在基坑短邊方向上，沿橫墻自上至下建立四條橫向路徑，與墻頂距離分別為 5.0 m，20.0 m，25.0 m，45.0 m，見圖4。各個路徑在開挖至基底時水平位移曲線如圖5所示?？梢钥闯?，不同深度位置墻體的水平位移曲線形狀基本相同，呈兩邊大中間小的鍋底狀，距墻頂20.0 m處水平位移最大，其次為坑底25.0 m位置，再次為墻頂，最后為墻底。印證了逆作基坑墻體豎向上側(cè)移最大值并不出現(xiàn)在開挖面，而是在坑底以上相當于(0.2～0.3)H范圍內(nèi)?？梢?，橫向上最大水平位移發(fā)生在墻體深度的中部位置，該區(qū)域變形劇烈，而墻頂與墻底位置變形則較平緩。

圖4 橫向路徑位置示意

圖5 橫向水平位移變形曲線

4 結(jié)論

本文基于某一實際深基坑工程，通過數(shù)值模擬計算，對逆作超深基坑地下連續(xù)墻的變形進行了綜合分析，得到的主要結(jié)論為:

1)逆作基坑地連墻水平變形隨深度變化的曲線呈鼓肚狀，且隨著基坑開挖深度的加大，這種形狀趨勢表現(xiàn)愈加明顯;墻頂有向坑外的變形現(xiàn)象;水平位移最大值較順作開挖要小，最大位移出現(xiàn)位置約為基坑開挖面以上(0.2～0.3)H深度處。

2)隨著開挖的進行，地連墻的水平位移越來越大，且最大值出現(xiàn)的深度不斷下移，開挖至基底時，基坑中部位移大于墻體的邊角位移值，且墻段位置距邊角越遠，變形越大。狹長基坑空間效應(yīng)明顯，在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工中，應(yīng)采取有效方法控制基坑長邊中部位置墻體的變形。

3)逆作基坑沿地連墻水平方向，其側(cè)向變形曲線呈鍋底狀，墻體最大位移發(fā)生在墻體深度的中部位置;縱向中部區(qū)域變形較大且變化劇烈，而墻頂與墻底位置水平變形較小，且變化平緩。

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