砂性土深基坑開挖與支護(hù)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)值分析

趙秀紹，艾成剛，王 旭，鄭 偉

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

砂性土深基坑開挖與支護(hù)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)值分析

趙秀紹，艾成剛，王 旭，鄭 偉

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

地鐵車站深基坑開挖面大、變形控制等級(jí)高，而南昌又處在砂性土地區(qū)，土層黏聚力較小，與其他地區(qū)地質(zhì)差異較大，基坑開挖與支護(hù)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。因此，需要對(duì)其變形規(guī)律進(jìn)行研究，為其他車站深基坑設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考。本文以南昌軌道交通某深基坑工程為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并結(jié)合FLAC3D建立計(jì)算模型，對(duì)其開挖與支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過計(jì)算得出不同開挖階段的地表沉降、圍護(hù)樁和周圍土壤分層水平位移、軸力的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：圍護(hù)樁分層水平位移和軸力以及周圍地表沉降直接反映了基坑變形特性，而鋼支撐的施加則明顯限制了基坑的變形?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果得到的規(guī)律基本一致。

深基坑；FLAC3D軟件；變形規(guī)律；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展以及人口的膨脹，交通的擁堵越來越嚴(yán)重，在新形勢(shì)下，地下交通成為越來越多的城市緩解交通壓力的一種重要手段［1－2］。近期，國(guó)務(wù)院又批復(fù)了22個(gè)城市的地鐵建設(shè)規(guī)劃，總投資達(dá)8 820.03億元人民幣，至2016年中國(guó)將新建軌道交通線路89條，總建設(shè)里程為2 500 km，當(dāng)前中國(guó)廣泛掀起一股地鐵建設(shè)高潮［3］。

深基坑的研究多集中在高層建筑工程領(lǐng)域，而關(guān)于砂性土地區(qū)地鐵車站深基坑穩(wěn)定性及變形規(guī)律的研究成果還較少。因?yàn)榈罔F車站一般位于城市交通較繁華地帶，人口以及建筑物較多，因此，在車站施工的過程中必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)以確保附近道路以及建筑的安全［4］。根據(jù)南昌軌道交通線路的規(guī)劃，許多站點(diǎn)處于主干道上，其周邊建構(gòu)筑物（特別是老城區(qū)周邊的低矮建構(gòu)筑物）及管線較多，周邊環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，而且砂性土地帶土壤黏聚力較差，因此，在地鐵車站深基坑施工的過程中就要特別注意防范，采用信息化施工技術(shù)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證深基坑開挖的安全。本文以南昌軌道交通某深基坑施工為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值分析，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了一些關(guān)于砂性土地區(qū)深基坑的變形規(guī)律，為類似工程的施工設(shè)計(jì)提供一些參考［5］。

1 工程背景

該基坑沿南昌市北京東路下方設(shè)置，呈東西走向。北京東路為南昌市的交通主干道，交通繁忙，車流量大。車站周邊環(huán)境主要是住宅，并有商業(yè)金融和少量配套設(shè)施用地，地面交通車流量大，情況復(fù)雜。本基坑車站為地下兩層島式結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)約192 m，最大寬度為22.4 m?？碧缴疃葍?nèi)，按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、中砂、粗砂、粉質(zhì)黏土、礫砂、圓礫、泥質(zhì)粉砂巖。

2 現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)

車站基坑整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的是鉆孔灌注樁＋混凝土支撐＋鋼管支撐聯(lián)合作用的方式?；娱_挖之前，根據(jù)降水設(shè)計(jì)方案，基坑周圍已經(jīng)布置了36口深井進(jìn)行基坑降水。車站深基坑標(biāo)準(zhǔn)段鉆孔灌注樁直徑800 mm，樁間距為900 mm，深度為21 m，嵌入下層基巖，車站主體標(biāo)準(zhǔn)斷面及加寬段在基坑開挖后施作混凝土支撐，隨著開挖的進(jìn)行，自上而下分別設(shè)置兩道鋼支撐，鋼支撐采用直徑為609 mm的鋼管、壁厚為20 mm，鋼管支撐提前加預(yù)應(yīng)力。

3 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

基坑開挖之前布置好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)要求，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要有樁體水平位移、鋼支撐軸力、土體分層位移、基坑周邊地表變形以及周圍建筑物沉降。監(jiān)測(cè)方案的布置方式是：（1）樁頂水平位移測(cè)點(diǎn)間隔式布置在圍護(hù)樁樁冠梁上；（2）周圍樁體分層位移以及土體分層位移，分別采用在樁體以及基坑四周埋設(shè)帶有軌槽的測(cè)斜管，分為土體測(cè)斜和樁體測(cè)斜，使用美國(guó)進(jìn)口基康測(cè)斜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（3）地表沉降是在基坑四周以一定間距分別打地表監(jiān)測(cè)孔，先鉆孔后打入12號(hào)圓鋼，深度0.8 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

4 開挖過程FLAC3D計(jì)算

土體是一種極其復(fù)雜的復(fù)合體，具有很復(fù)雜的力學(xué)特征［6－8］，在外力作用下，土體不僅會(huì)產(chǎn)生彈性變形而且還會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形［9］，深基坑開挖的影響范圍取決于基坑開挖的平面形狀、開挖深度以及土的特征分類等［10－12］。計(jì)算邊界的選取就顯得尤為重要，由于基坑是狹長(zhǎng)的空間結(jié)構(gòu)，只選取一段進(jìn)行模擬計(jì)算，所以本模型建立了100 m×60 m（寬×深）的范圍，共劃分52 480個(gè)網(wǎng)格單元，57 851個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型的底部采用固端約束，左右邊界采用法向約束，如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探報(bào)告，將各相似土層做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，各土層計(jì)算參數(shù)及厚度如表1所示。因?yàn)楸净娱_挖之前已經(jīng)進(jìn)行了深井降水，所以數(shù)值計(jì)算時(shí)不考慮水力滲流因素。

圖2 FLAC計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖

表1 模型計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用摩爾－庫(kù)倫彈塑性模型［13］，基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸面用接觸單元，鋼支撐的模擬采用Beam單元，圍護(hù)樁采用實(shí)體單元來模擬。模型的開挖、支護(hù)模擬共分為3步；第1步，開挖－2.6 m后，在冠梁上施作第1道混凝土支撐；第2步，開挖至－10.2 m后，在－8.7 m處加裝第2層鋼支撐，并預(yù)加力；第3步，開挖至－15.6 m時(shí)，在－14.1 m處加第3層鋼支撐，直至開挖完成。

5 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

數(shù)值計(jì)算使用null命令分3步進(jìn)行開挖，每一步開挖豎向沉降云圖如圖3～圖5所示，開挖完成后，將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。由圖6可以看出：在距基坑邊緣9 m位置出現(xiàn)沉降最大值，中間出現(xiàn)微量隆起，計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)相近，表明了數(shù)值模型及參數(shù)選取較正確。但計(jì)算值較實(shí)際監(jiān)測(cè)值平均小4 mm左右，主要是沒考慮基坑周圍施工機(jī)械荷載的影響所致。

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樁身水平位移、基坑周邊地表沉降點(diǎn)、土壤分層水平位移進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中，樁身水平位移和土壤分層水平位移使用的是同一種儀器，即美國(guó)基康GK-604測(cè)斜儀，因?yàn)槠?，現(xiàn)在對(duì)圖2中的樁身水平位移、土壤分層水平位移斷面的測(cè)點(diǎn)CX-05、TCX-05和地表沉降點(diǎn)D01-05以及軸力ZL-05的變化規(guī)律進(jìn)行FLAC計(jì)算和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

圖3 開挖步驟1沉降云圖（單位：mm）

圖4 開挖步驟2沉降云圖（單位：mm）

圖5 開挖步驟3沉降云圖（單位：mm）

圖6 開挖完成后沉降隨距基坑邊距離變化

5.1 樁體水平位移和土壤分層水平位移計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由于在開挖之前已經(jīng)在基坑四周打上圍護(hù)樁，是本基坑工程中的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)樁變形的大小直接關(guān)系到基坑的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)開挖步驟2和步驟3的CX-05、TCX-05測(cè)點(diǎn)的樁身水平位移和土壤分層水平位移的計(jì)算結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果變化情況進(jìn)行比較分析，如表2所示。分析表2可知：計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果在數(shù)值上有些不同，但是變形的趨勢(shì)基本一致，這可能是數(shù)值計(jì)算沒有考慮天氣、施工機(jī)械、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)土車、地下滲流的影響的原因。圍護(hù)樁最大位移處并沒有出現(xiàn)在樁頂，而是在二分之一樁身偏上的位置，土壤水平位移同樣顯示出這樣的趨勢(shì)，在測(cè)斜孔中部偏上位置土層的位移最大，大概處在地下13 m左右。

5.2 地表沉降計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

以斷面上的測(cè)點(diǎn)D05-01、D05-02、D05-03為例，分析其在3個(gè)開挖步驟中的地表沉降變化規(guī)律，如圖7～圖9所示。其中，D05-01、D05-02、D05-03與基坑周邊間距分別為3 m、7 m、14 m，對(duì)比圖7～圖9可以看出：隨著開挖的進(jìn)行，基坑四周的地表沉降都在慢慢增大，在整個(gè)基坑開挖完成并加上第3道鋼支撐后，基坑四周地表沉降增速減慢，并趨向穩(wěn)定，且從FLAC3D模擬來看，沉降量最大值出現(xiàn)在施加第3道鋼支撐之前的一段時(shí)間。從實(shí)測(cè)值和計(jì)算值來看，兩者數(shù)據(jù)上有一些出入，但總體變化趨勢(shì)大致吻合。由圖7～圖9對(duì)比還可以看出：在一定范圍內(nèi)，隨著與基坑邊緣距離的增加，地表沉降總體有增加的趨勢(shì)，即一定范圍內(nèi)基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響跟距離基坑的遠(yuǎn)近正相關(guān)，因此，在基坑開挖影響范圍內(nèi)的建筑要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)過大的沉降變形。

表2 基坑四周圍護(hù)樁水平位移和基坑周邊土壤分層水平位移

圖7 D05-01現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖8 D05-02現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

5.3 鋼支撐受力的計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在斷面上取第2道鋼支撐ZL02-05為例，分析其在各開挖步驟中軸力的變化規(guī)律，如圖10所示。由圖10可以看出：鋼支撐軸力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化趨勢(shì)大致接近。在第2道鋼支撐施加之后，軸力值有不斷增大的趨勢(shì)，隨著開挖進(jìn)行，軸力值趨近于最大，而后在下一道支撐施加后，軸力值又有微量減小，慢慢穩(wěn)定下來，最后趨于穩(wěn)定，在開挖至底部時(shí)，軸力還有所增加，但增大量較小。

圖9 D05-03現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖10 ZL-05鋼支撐軸力計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

6 結(jié)論

以南昌地鐵1號(hào)線某車站深基坑工程為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與FLAC3D軟件模擬相結(jié)合的方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)深基坑開挖與支護(hù)變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究，得到如下結(jié)論：

（1）運(yùn)用FLAC3D建立了深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程的計(jì)算模型，并按現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完成了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作?；娱_挖完成以后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果來看：兩者相差不大，且變化規(guī)律基本一致，說明FLAC3D能很好地對(duì)基坑分步開挖和支護(hù)進(jìn)行模擬。

（2）深基坑圍護(hù)樁是重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，限制著基坑周邊土層的位移，因此，樁身水平位移能夠很好的反映基坑本身的變形情況，可以作為一個(gè)重要的基坑安全指標(biāo)。地表位移沉降則可以側(cè)面反映基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，地表沉降在一定范圍隨距基坑邊緣距離增加有增大的趨勢(shì)，而鋼支撐的施加可以限制樁身水平位移和地表沉降等基坑變形，對(duì)基坑安全有著重要作用。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況來看：有時(shí)會(huì)出現(xiàn)沉降點(diǎn)相對(duì)前幾天沉降有隆起的趨勢(shì)，本文推測(cè)可能是因?yàn)殇撝畏戳ψ饔玫慕Y(jié)果，從而保證了基坑變形不致過大，保持基坑穩(wěn)定。

（3）根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，樁身水平位移和土壤分層水平位移預(yù)警值為25 mm，控制值為30 mm，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況表明樁身水平位移最大值為7.98 mm，土壤分層水平位移為7.1 mm；地表沉降設(shè)計(jì)預(yù)警值為19 mm，控制值為24 mm，而實(shí)際監(jiān)測(cè)位移則不到10 mm；軸力情況設(shè)計(jì)預(yù)警值為1 026 kN，控制值為1 283 kN，實(shí)際監(jiān)測(cè)軸力最大卻不到800 kN，充分說明此深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)安全系數(shù)很高，但也說明安全設(shè)計(jì)偏于保守，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)為后續(xù)類似設(shè)計(jì)施工提供一定參考。

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U212

A

1672－6871（2014）06－0061－05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208198）；江西省教育廳基金項(xiàng)目（JXJG－13－5－15）

趙秀紹（1978－），男，河南鶴壁人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、道路與鐵道工程研究.

2014－03－07