深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)及有限元分析

□文/閆偉 張亞楠 張立明

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形實(shí)測(cè)及有限元分析

□文/閆偉 張亞楠 張立明

基于某深基坑工程，對(duì)實(shí)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用彈性抗力法和有限元方法分別對(duì)基坑進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

深基坑；變形；實(shí)測(cè)；有限元分析；圍護(hù)結(jié)構(gòu)

深基坑工程的復(fù)雜性決定了不可能采用理論解析計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、內(nèi)力及周邊環(huán)境變形等。設(shè)計(jì)中通常采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析［1～2］，但是該方法對(duì)邊界條件的簡化可能造成較大誤差。數(shù)值計(jì)算方法可以考慮較復(fù)雜的邊界條件并采用較合理的土體本構(gòu)模型對(duì)土體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行模擬，可以較精確的計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及周邊環(huán)境的變形［3～4］。本文基于一個(gè)深基坑工程，采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算［5］并將計(jì)算結(jié)果與基坑實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比［6～7］，分析深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性和各種計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

1　工程概況

1.1基坑概況

天津某地下3層地鐵車站，車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段基坑深23.2 m，盾構(gòu)井基坑深24.6 m，基坑平面尺寸約為20 m×151 m。車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用整體剛度大、防水性能好的鋼筋混凝土連續(xù)墻，連續(xù)墻厚1 000 mm，十字鋼板接頭，墻長43.3 m（墻底3.9 m為素混凝土）。

基坑支撐體系采用5道混凝土撐，混凝土撐寬和高為900 mm×1 000 mm，從上至下支撐間距依次為4.5、4.5、3.5、5.5、4 m，水平間距為6 m，見圖1和圖2。

圖1　基坑標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)剖面

圖2　車站結(jié)構(gòu)平面及支撐布置

1.2工程地質(zhì)概況

站區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（人工堆積），第Ⅰ陸相層（第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅰ海相層（第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積及河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练e）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ海相層（第四系上更新統(tǒng)二組淺海～濱海相沉積）、第Ⅴ陸相層（第四系上更新統(tǒng)一組河床～河漫灘相沉積）。

本場地地下水類型為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水補(bǔ)給為主，以附近地表水系補(bǔ)給為輔?？睖y(cè)期間地下水位埋深0.5～2.0 m（大沽高程1.61～-0.26 m）。賦存于第Ⅱ陸相層與第Ⅳ陸相層之間的粉土、砂土層中的地下水具微承壓性，為淺層承壓水。微承壓水以第Ⅱ陸相層1粉質(zhì)粘土為隔水頂板。⑥2粉土、⑥4粉砂、⑦2粉土滲透系數(shù)0.5 m/d，⑨2粉土滲透系數(shù)1.0 m/d，⑨4粉砂滲透系數(shù)2.0 m/d，⑨5細(xì)砂滲透系數(shù)2.5 m/d，⑨9粉砂為主要含水地層，含水層厚度較大，分布相對(duì)穩(wěn)定。勘測(cè)期間微承壓水穩(wěn)定水位埋深約為3.22 m。

2　理論計(jì)算

本工程采用某基坑軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。對(duì)基坑標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行計(jì)算，考慮坑外地面20 kPa超載。

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

各開挖步圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移均向基坑內(nèi)部發(fā)展，水平位移最大值發(fā)生在基坑開挖面附近?；娱_挖較淺時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移范圍較大，第一步開挖深度為4.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在15 m左右的范圍產(chǎn)生了較大的位移，約為開挖深度的3倍。而當(dāng)基坑開挖至坑底，深度達(dá)到23.2 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在33 m左右的范圍產(chǎn)生了較大的水平位移，約為基坑開挖深度的1.5倍。

圖3　設(shè)計(jì)軟件計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

3　有限元計(jì)算

3.1有限元模型

采用有限元軟件Plaxis進(jìn)行計(jì)算，模型整體尺寸為100 m×100 m。約束模型左右兩側(cè)水平位移和模型底部水平和豎向位移。

采用梁單元對(duì)地連墻進(jìn)行模擬，墻與土界面折減系數(shù)為0.7。支撐采用桿單元進(jìn)行模擬，支撐與樁之間為剛接。基坑外地面考慮一定范圍的20 kPa超載。

有限元模型中土體本構(gòu)模型采用硬化模型（HS），根據(jù)天津地區(qū)軟土工程經(jīng)驗(yàn)，土體參數(shù)Eoed取Es1-2的3倍，回彈模量Eur取3Eoed。

3.2有限元計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算基坑標(biāo)準(zhǔn)段各開挖步圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移見圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)二者整體水平位移分布形式基本一致，但有限元計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與設(shè)計(jì)軟件按照彈性抗力法計(jì)算的結(jié)果相比，整體水平位移偏大并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移位置有限元計(jì)算的結(jié)果更靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部。

彈性抗力法計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部一定范圍水平位移幾乎為0，而有限元計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎整體都發(fā)生了一定水平位移。

圖4　有限元計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

4　計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本工程基坑變形監(jiān)測(cè)從第二步土方開挖才開始，有部分變形未被監(jiān)測(cè)到。CX1為基坑中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5。

圖5　CX1實(shí)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

CX1測(cè)點(diǎn)整體水平位移較平滑，深部向坑內(nèi)的水平位移也較合理，但頂部發(fā)生了向坑外的水平位移。分析其原因可能為測(cè)斜管的基點(diǎn)位于底部，地連墻整體發(fā)生向坑內(nèi)的水平位移，導(dǎo)致了圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部呈現(xiàn)出向坑外位移的現(xiàn)象。而圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部向坑外的水平位移可能性比較小。因此認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)生的水平位移應(yīng)大于目前監(jiān)測(cè)所得數(shù)值，工程監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)及時(shí)對(duì)測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，才能真正實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況。

另外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在開挖初期時(shí)發(fā)生了整體的向坑內(nèi)的水平位移，比理論計(jì)算的變形模式影響范圍更大。經(jīng)與現(xiàn)場施工人員了解，現(xiàn)場在第一道混凝土支撐施工前即開始基坑降水，完成支撐施工并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才開始進(jìn)行土方開挖。分析其原因?yàn)樵谖催M(jìn)行有效支撐的情況下，在坑內(nèi)進(jìn)行疏干降水，坑內(nèi)土體由于失水發(fā)生收縮，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)部發(fā)生水平位移。

圖6-圖8為第三步到第五步開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分布形式以及相應(yīng)變形值與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好，而設(shè)計(jì)軟件中采用彈性抗力法計(jì)算低估了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

分析其原因?yàn)橐环矫嬗捎诨庸こ痰膹?fù)雜性，彈性抗力法的簡化導(dǎo)致了計(jì)算與實(shí)際情況的差別較大；另一方面，按照勘察報(bào)告中取用的m值偏高并且越是下部力學(xué)性質(zhì)較好的土層m值取值較合理值更大，導(dǎo)致了按照彈性抗力法計(jì)算整體水平位移偏小并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)下部水平位移發(fā)揮很小的變形模式。

圖6　第三步開挖計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖7　第四步開挖計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖8　第五步開挖計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比

5　結(jié)論

1）采用常規(guī)彈性抗力法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行計(jì)算很可能低估圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，可采取對(duì)勘察所得的m值進(jìn)行適當(dāng)折減的方法更準(zhǔn)確的估算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

2）根據(jù)勘察報(bào)告提供參數(shù)按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，有限元計(jì)算可以較好的模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

3）實(shí)測(cè)結(jié)果表明，每一步土方開挖后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移均發(fā)生在開挖面下部3～5 m左右的位置。

4）在基坑支撐施工前進(jìn)行降水會(huì)導(dǎo)致地連墻向坑內(nèi)產(chǎn)生較大的水平位移，不利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及對(duì)坑外變形的控制。建議在基坑支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行降水施工。

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□張亞楠/中國民航大學(xué)。

□張立明/天津軌道交通集團(tuán)有限公司。

U231+.3

C

1008-3197（2016）02-45-03

中國民航大學(xué)科科研啟動(dòng)基金（2013QD10X）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（3122015C019）

2016-02-05

閆偉/男，1982年出生，工程師，博士，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事路橋、隧道施工及理論研究工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.015