復(fù)雜環(huán)境下超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀數(shù)值模擬

陳 忠

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210007)

復(fù)雜環(huán)境下超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀數(shù)值模擬

陳 忠*

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210007)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)重要的組成部分。由于超深基坑周邊環(huán)境的復(fù)雜性、土體性質(zhì)的多變性及超深基坑計(jì)算軟件的局限性，很難預(yù)計(jì)在超深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀。利用Plaxis軟件對南京市世紀(jì)花園超深基坑開挖時(shí)南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示：圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度一般位于開挖面附近，隨開挖深度增加而不斷向下移動(dòng)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂最大側(cè)移的大小取決于初期懸臂開挖的深度及首道支撐的位置和剛度；隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂?shù)呢Q向位移呈現(xiàn)出先線性增長，后趨于穩(wěn)定的趨勢。數(shù)值模擬能很好地預(yù)測復(fù)雜環(huán)境下超深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形性狀，能為類似復(fù)雜環(huán)境下超深基坑工程的設(shè)計(jì)、安全開挖起到借鑒作用。

超深基坑；敏感環(huán)境；H-S模型；開挖效應(yīng)

1 概述

由于土地資源的緊張，在城市中心地區(qū)開挖深度大于12m的超深基坑工程越來越多。在城市中心地區(qū)，對超深基坑工程本身及周邊建（構(gòu)）筑物的變形控制要求十分嚴(yán)格。在施工過程中如果出現(xiàn)異常，且這種異常又沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)任其發(fā)展，最后導(dǎo)致超深基坑環(huán)境效應(yīng)問題的發(fā)生，后果不堪設(shè)想[1-3]。為了確保超深基坑工程安全，必須采用可靠的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證超深基坑本身和周邊建（構(gòu)）筑物的正常使用。

由于超深基坑周邊環(huán)境的復(fù)雜性、土體性質(zhì)的多變性及超深基坑計(jì)算軟件的局限性，很難預(yù)計(jì)在超深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的特征及變化趨勢，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)方案沒底，特別是超深基坑位于高層建筑、地鐵車站、隧道、市政廣場等各類復(fù)雜環(huán)境中，而數(shù)值模擬則提供了解決方法。它能預(yù)計(jì)開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的特征及變化趨勢。本文用Plaxis有限元數(shù)值模擬軟件對超深基坑工程分步開挖時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的特征及變化趨勢進(jìn)行了數(shù)值模擬，為同行在復(fù)雜環(huán)境下超深基坑工程的設(shè)計(jì)、安全開挖起到借鑒作用。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀的理論分析[4]

（1）水平位移。當(dāng)基坑開挖較淺，還未設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，不論對鉆孔灌注樁墻、水泥土攪拌樁墻、旋噴樁樁墻等剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，還是鋼板樁、地下連續(xù)墻等柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，皆表現(xiàn)為墻頂位移最大，向基坑深度方向水平位移，呈懸臂式位移分布。隨著基坑開挖深度的增加，剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)繼續(xù)表現(xiàn)為向基坑內(nèi)的三角形水平位移或平行剛體位移。而一般柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)若設(shè)支撐，則表現(xiàn)為墻頂位移不變或逐漸向基坑外移動(dòng)，墻體腹部向基坑內(nèi)突出，即拋物線型位移。而對于有多道內(nèi)支撐的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其常見的是拋物線形位移，其最大變形位置一般位于開挖面附近。

（2）豎向位移。在實(shí)際工程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移往往被忽視，事實(shí)上由于基坑開挖土體自重應(yīng)力的釋放，致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)有所上升。但影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移的因素較多，支撐、樓板的重量施加又會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)底下因清孔不凈有沉渣時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖中會(huì)下沉，地表也沉降。因此在實(shí)際工程中出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隆起和沉降都是有可能的。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不均勻下沉?xí)a(chǎn)生較大的危害，實(shí)際工程中就出現(xiàn)過圍護(hù)結(jié)構(gòu)不均勻沉降造成冠梁拉裂等情況。而圍護(hù)結(jié)構(gòu)同立柱的差異沉降又會(huì)使內(nèi)支撐偏心而產(chǎn)生次生應(yīng)力，尤其是在逆作法施工當(dāng)中，可能會(huì)使樓板和梁系產(chǎn)生裂縫，從而危及結(jié)構(gòu)的安全。因此應(yīng)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向位移有足夠的重視。

3 南京世紀(jì)花園超深基坑工程簡介

南京世紀(jì)花園是南京市區(qū)內(nèi)的一個(gè)綜合性工程項(xiàng)目，主樓4棟16層，4層地下室。該工程項(xiàng)目的基坑呈近正方形，東西寬約146m，南北長約179m，開挖面積約2.6×104m2，開挖深度20m，局部22m。該超深基坑周邊全為敏感建（構(gòu)）筑物：東、西、北分別是城市主干道——王府路、中華路、建業(yè)路，道路繁忙，車流、人流量大；南是花園小區(qū)，小區(qū)三幢居民樓為復(fù)合地基的7層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深1.8m，基礎(chǔ)下為長5.8m石灰樁，距超深基坑邊緣5～7m；小區(qū)周邊地下為不同時(shí)期給排水、通訊、燃?xì)?、電力等新舊管線，一般距超深基坑邊緣5m（圖1）。

圖1 超深基坑周邊環(huán)境圖

為了保證支護(hù)結(jié)構(gòu)及超深基坑本身的安全，同時(shí)嚴(yán)格控制開挖引起的周邊土體的變形，以保證超深基坑周邊敏感建（構(gòu)）筑物的正常使用，因此，該超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用灌注樁+止水帷幕+多支點(diǎn)4層內(nèi)支撐，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)為為?1250mm＠1400mm、嵌固深度16m的鉆孔灌注樁（圖2）[5]。

4 超深基坑開挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形性狀數(shù)值模擬

（1）本構(gòu)模型。Hardening Soil Model（簡稱H-S模型）是Plaxis軟件中的一種本構(gòu)模型，由Schanz提出。該模型為等向硬化彈塑性模型，既可適用于軟土也適用于較硬土層。H-S模型使用3個(gè)剛度（軸向加荷剛度E50、軸向卸荷剛度Eur及主固結(jié)儀加載中的切線剛度Eoed）來描述土體特性，對于模擬基坑開挖這種要求較準(zhǔn)確地反映加、卸荷狀態(tài)下土體力學(xué)屬性的工程，選用H-S模型較為適合[6]。

（2）計(jì)算模型。由于超深基坑南側(cè)有3幢7層居民樓加上各種管線密布，該區(qū)段引起的基坑環(huán)境效應(yīng)問題的影響最大，因而選取該區(qū)段中部為計(jì)算斷面，斷面圖見圖2。由圖2可見：該斷面處開挖深度20m，設(shè)置4道砼支撐，各支撐點(diǎn)中心標(biāo)高分別為-2.5m、-7.9m、-12.2m和-16.5m。

圖2 超深基坑南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖（未標(biāo)尺寸：mm）

（3）模型參數(shù)。灌注樁與土體的相互作用采用PLAXIS軟件中的Goodman接觸面單元來模擬，該接觸單元切線方向服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力形式與地下連續(xù)墻相類似，因此本模型中按照剛度等效的原則把灌注樁等效成地下連續(xù)墻進(jìn)行分析，這樣有利于模型的建立和網(wǎng)格的劃分。經(jīng)驗(yàn)表明：按等效的壁式地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)，結(jié)果偏于安全。所選斷面處鉆孔灌注樁直徑為1250mm，樁間距為1400mm，等效后的地下連續(xù)墻厚度為1009mm[7]。灌注樁的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

（4）模型建立。在水平方向，模型的坑內(nèi)部分自灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)延至第一道對撐處，坑外部分自灌注樁向外延伸58m；豎直方向按實(shí)際情況分層設(shè)置土層，并自坑底向下延伸40m；模型的總尺寸為80m×60m。土體采用15結(jié)點(diǎn)的三角形單元模擬，灌注樁采用梁單元模擬，水平支撐采用彈簧單元模擬。豎向邊界約束水平位移，下邊界約束水平和豎直方向的位移。計(jì)算網(wǎng)格總單元數(shù)為862個(gè)，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為7253個(gè)，墻后一定范圍內(nèi)考慮建筑物荷載125kPa（圖3）。有限元分析過程見表2。

表1 世紀(jì)花園超深基坑灌注樁計(jì)算參數(shù)表

表2 超深基坑有限元模擬過程表

圖3 超深基坑典型斷面平面有限元模擬網(wǎng)格圖

（5）數(shù)值模擬結(jié)果及分析。圖4為計(jì)算斷面處鉆孔灌注樁在不同工況下的水平位移計(jì)算結(jié)果。從圖4可見：①開挖初期，由于首道混凝土支撐尚未澆筑，灌注樁最大側(cè)移出現(xiàn)在樁頂位置，灌注樁上部傾斜變形；②隨著開挖深度增加，樁體的側(cè)向位移增大，最大側(cè)移的位置開始下移且基本位于開挖面位置，首道混凝土支撐的澆筑有效地限制了樁頂?shù)乃轿灰?，樁頂?shù)乃轿灰浦饾u減小，灌注樁的變形呈現(xiàn)出頂部和底部變形小，中間位移大的紡錘形形態(tài)；③當(dāng)基坑開挖8～9m時(shí)，開挖面到達(dá)強(qiáng)度較低的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，坑內(nèi)土體抵抗變形的能力下降，樁體側(cè)移的增長較快，但樁體變形的形態(tài)基本不變。

圖4 灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況下的水平位移圖

圖5（a）為灌注樁在不同開挖深度下的最大側(cè)向位移圖。由圖5（a）可知：①樁體的側(cè)向位移在開挖初期增長較慢，當(dāng)開挖深度大于8.4m后，變形速率增長較快。這是因?yàn)殚_挖深度較淺時(shí)，中上部土層經(jīng)加固后強(qiáng)度大幅度提高，灌注樁內(nèi)、外側(cè)所受的土壓力差較小，且第一道混凝土支撐的剛度較大，能夠有效約束樁體上部變形；②當(dāng)開挖深度大于8.4m后，坑內(nèi)強(qiáng)度較高的粉土、粉砂層厚度不斷減小，灌注樁內(nèi)、外側(cè)所受的土壓力差增大，而第一道混凝土支撐對樁體中下部的變形約束能力較低，導(dǎo)致樁體變形增長較快。

圖5（b）為不同開挖深度下灌注樁最大側(cè)移對應(yīng)的深度圖。由圖5（b）可知：隨著開挖深度增加，樁體最大側(cè)移的深度也不斷增加，且由于基坑上部支護(hù)剛度較大，最大側(cè)移對應(yīng)的深度始終位于開挖面以上。

圖5 灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同開挖深度下的最大側(cè)移及對應(yīng)的深度圖

圖6（a）為灌注樁樁頂在不同開挖深度下的水平位移。由圖6可知：①樁頂水平位移表現(xiàn)出隨著開挖深度的增大而減小的趨勢，這說明樁頂水平位移的大小主要取決于初期懸臂開挖的深度及首道支撐的位置和剛度，初期懸臂開挖量越大，樁頂?shù)乃轿灰屏恳苍酱?。由于首道鋼筋混凝土支撐的剛度較大，能夠很好地約束樁體上部的變形，隨著開挖深度增加，樁體變形向下發(fā)展，上部樁體在鋼筋混凝土支撐的作用下出現(xiàn)一定的變形回復(fù)，樁頂?shù)乃轿灰茰p?。虎跍p小初期基坑懸臂開挖深度，盡量將支撐設(shè)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部對于減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移具有積極的意義。

圖6 灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂在不同開挖深度下的豎向位移

圖6（b）為灌注樁樁頂在不同開挖深度下的豎向位移。由圖6（b）可知：①受開挖卸載的影響，灌注樁樁頂?shù)呢Q向位移表現(xiàn)為回彈；②隨著開挖深度的增大，樁頂回彈呈現(xiàn)出先線性增長，后趨于穩(wěn)定的趨勢。

5 結(jié)論

應(yīng)用PLAXIS有限元分析軟件對江蘇南京世紀(jì)花園超深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨開挖深度變化的規(guī)律進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移隨開挖深度增加而增大，且隨著開挖深度增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增長的速度加快；圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的深度一般位于開挖面附近，隨開挖深度增加而不斷向下移動(dòng)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨著開挖深度的增大而減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂最大側(cè)移的大小主要取決于初期懸臂開挖的深度及首道支撐的位置和剛度；（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂?shù)呢Q向位移表現(xiàn)為回彈，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂?shù)呢Q向位移呈現(xiàn)出先線性增長，后趨于穩(wěn)定的趨勢。

[1]王平,王衛(wèi)東,王子江.深基坑圍護(hù)技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2]王京，曹代勇，趙珍梅.基于GIS的線性構(gòu)造異常和裂縫綜合分析[J].物探與化探,2012,36(1):33-38.

[3]李遠(yuǎn)強(qiáng).探地雷達(dá)探測地裂縫的幾個(gè)實(shí)例[J].物探與化探, 2012,36(4):651-654.

[4]中國土本工程學(xué)會(huì)土力學(xué)及巖土工程學(xué)會(huì).深基坑支護(hù)技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[5]胡光云,余日勇,胡一池.城市中心超深基坑工程變形控制的設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2009，35(19)：89-90.

[6]Brinkgreve R B J.Selection of Soil Models and Parameters for GeotechnicalEngineering Application[R].Soils Constitutive Models，Proceedings of the Sessions of the Geo-Frontiers 2005 Congress,ASCE,Austin,Texas:69-98.

[7]徐中華,王建華,王衛(wèi)東.軟土地區(qū)采用灌注樁擋土的深基坑工程變形性狀研究[J].巖土力學(xué),2009,30(5):1362-1366.

TU473

A

1004-5716(2015)01-0015-05

2014-02-21

陳忠（1968-），男（漢族），江蘇海安人，高級工程師，現(xiàn)從事巖土工程的生產(chǎn)、管理和科研工作。