粉質(zhì)粘土地層深基坑變形數(shù)值模擬研究

李永剛 周慧珍 賈德鵬

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024； 2.太原理工大學圖書館，山西 太原 030024)

0 引言

在城市地鐵車站深基坑施工過程中，保證地鐵基坑本身和周邊環(huán)境安全是基坑土方開挖施工過程中的首要任務(wù)[1]。根據(jù)地鐵基坑變形機理[2-4]分析，土方開挖卸荷作用會導致圍護結(jié)構(gòu)變形、基底隆起及地表沉降。太原地鐵2號線位于汾河東岸漫灘及一級階地，沿線地下水位普遍較高，埋深一般為2 m～6 m，深基坑開挖范圍內(nèi)主要以飽和狀態(tài)全新統(tǒng)②2-1粉質(zhì)粘土、②3-1粘質(zhì)粉土、②3-2粘質(zhì)粉土為主，密度為稍密～中密，且呈軟塑～可塑狀，具有觸變現(xiàn)象，其主要參數(shù)指標未達到軟土指標，工程性質(zhì)較差，影響工程的基坑圍護、淺基礎(chǔ)的附屬工程等，應(yīng)按軟弱土層考慮。張存根[5]通過粉質(zhì)粘土剪切實驗發(fā)現(xiàn)，當土體含水量大于11.37%時，隨著含水量的增加，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量的增加而減小，土體摩爾—庫侖強度減小。單仁亮等[6]運用FLAC3D有限差分軟件，考慮土層分布、分層開挖支護等因素，分析得出軟弱土層是基坑失穩(wěn)的重要影響因素。周勇、張康康[7]等通過有限元分析討論了軟弱夾層粘聚力、內(nèi)摩擦角、厚度、埋深等對基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形的影響。劉江濤[8]通過對昆明軟土地區(qū)不同的土體抗剪強度進行分析比較，認為在基坑設(shè)計時，宜采用聯(lián)合強度指標。針對飽和粉質(zhì)粘土地區(qū)及粘質(zhì)粉土地層、地下水位高特殊地質(zhì)條件下的基坑工程研究相對較少，對其開挖變形規(guī)律認識不全。

針對高地下水位粉質(zhì)粘土地層，以太原某地鐵車站深基坑工程為例，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，模擬其分層、分段開挖全過程，計算變形大小，研究變形規(guī)律，為相同質(zhì)條件深基坑工程設(shè)計施工提供參考。

1 工程概況

太原地鐵某車站主體結(jié)構(gòu)形式為地下2層雙柱三跨矩形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)島式車站。車站總長為221.0m，標準段寬度為22.1 m，主體基坑開挖深度17 m～19 m，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護形式，輔以基坑內(nèi)疏干井降水，地連墻嵌固比在1∶0.4～1∶0.5之間。其中地下連續(xù)墻厚度為800 mm，標準段地連墻深度 26 m，嵌固深度9 m，兩端盾構(gòu)井段地連墻深度28 m，嵌固深度10 m；盾構(gòu)井段第一道支撐為800×800鋼筋混凝土支撐，第二道、第三道支撐為φ800×16 mm鋼支撐；標準段第一道～第三道均為φ800×16 mm鋼支撐。鉆探揭露深度范圍的地層為第四系全新統(tǒng)填土、粉質(zhì)粘土、粉土、砂土和第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、粉細砂、砂質(zhì)粉土和細圓礫土透鏡體。

2 FLAC3D基坑開挖數(shù)值模擬分析

2.1 基坑數(shù)值計算模型

深基坑開挖模型的建立選取基坑南段基坑長度方向1/2作為研究對象?；娱_挖影響寬度范圍約為4倍開挖深度，深度為3倍開挖深度，整個模型的尺寸為132 m×144 m×54 m(長×寬×高)。模型共有31 968個節(jié)點，28 980個單元，如圖1所示。

模型中限制模型底部及四周的位移，在整體模型上施加整體向下的重力加速度，模擬地層的沉降和初始應(yīng)力狀態(tài)計算。地表施加均布超載q=20 kPa，土體采用摩爾—庫侖(mohr-coulomb)模型；將挖掉的土體逐步設(shè)置成空模型(null)。地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)采用襯砌(Liner)單元來模擬。水平桿支撐采用梁(Beam)單元模擬。

2.2 基坑開挖模擬工況及方法

根據(jù)深基坑工程施工方案，車站基坑采用分層分段法開挖，開挖過程中，考慮支撐架設(shè)及時，且不存在“超挖”現(xiàn)象，分為7個步數(shù)(工序)，見表1。

表1 工況定義

2.3 基坑模擬開挖結(jié)果分析

2.3.1基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形分析

不同工況下，基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形如圖2所示?；娱_挖初期，開挖深度較小，第一道支撐尚未架設(shè)，地連墻處于懸臂式受力狀態(tài)，其頂部水平變形最大；基坑開挖深度增加，地連墻水平變形增大，由于支撐對地連墻位移的限制，地連墻變形呈現(xiàn)“弓”形，墻體上下兩端位移較小，中部向基坑內(nèi)變形；支撐架設(shè)限制地連墻水平位移，支撐點處變形相對較?。坏剡B墻最大水平位移15.39 mm，約為0.086%H(H為基坑開挖深度)，小于30 mm控制值，最大水平變形約在圍護結(jié)構(gòu)0.8H處，圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度及變形要求。

2.3.2基坑周邊地表沉降分析

不同工況下，基坑周邊地表沉降如圖3所示，隨開挖進行，基坑周邊地表沉降值不斷加大，其沉降曲線呈現(xiàn)“凹槽”形；地表沉降值最大為19.03 mm，約0.106%H；最大變形位置距基坑邊緣4 m，約0.22H，相對于軟土地區(qū)的(0.4～0.7)H，距離圍護結(jié)構(gòu)較近?；娱_挖引起的地表沉降影響范圍較大，但其主要影響范圍為0 m～26 m之間，即0H～1.44H之間，而軟土地層沉降影響范圍為2.5倍～4倍開挖深度。粉質(zhì)粘土地區(qū)比軟土地區(qū)工程性質(zhì)好，地表沉降值較小，最大值位置距離基坑邊緣更近，地表沉降影響范圍更小。

2.3.3基坑變形空間效應(yīng)分析

圖4，圖5分別為基坑短邊中部和基坑長邊中部圍護結(jié)構(gòu)變形和周地表沉降對比圖。基坑短邊中部的圍護結(jié)構(gòu)變形和地表沉降比長邊中部小。基坑短邊中部圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移約10.50 mm，約為基坑長邊中部水平變形的68.2%；基坑短邊中部地表沉降最大值-14 mm,約為長邊中部位置的73.57%；基坑短邊中部的圍護結(jié)構(gòu)水平變形和地表沉降約為基坑長邊中部65%～75%，基坑變形表現(xiàn)出明顯的“空間效應(yīng)”，這是由于車站深基坑長寬比較大，短邊圍護結(jié)構(gòu)相對于長邊圍護結(jié)構(gòu)，其尺寸小，整體的結(jié)構(gòu)剛度相對較大，相應(yīng)的抵抗變形能力強，圍護結(jié)構(gòu)水平變形小，土體變形移動和地表沉降相應(yīng)減小。

3 數(shù)值模擬及監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

基坑在實際開挖過程中，坑內(nèi)土體開挖后呈現(xiàn)“淤泥”狀態(tài)，如圖6所示，導致支撐架設(shè)不及時。數(shù)值模擬計算時，根據(jù)實際工況，同時考慮土體為飽和含水狀態(tài)和支撐架設(shè)滯后兩種因素，圍護結(jié)構(gòu)變形曲線如圖7所示。當土體強度折減系數(shù)為1.0時，土體抗剪強度與勘察報告所提供相同，在支撐架設(shè)滯后情況下，圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形為29.11 mm，比標準工況下最大水平變形15.39 mm增加13.72 mm，增幅為89.15%，表明支撐架設(shè)滯后會導致基坑圍護結(jié)構(gòu)變形大幅增加。

隨土體抗剪強度降低，圍護結(jié)構(gòu)變形增大，變形速率加快。土體強度折減系數(shù)為0.4時的圍護結(jié)構(gòu)變形曲線與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變形曲線趨勢一致，圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測最大水平變形為59.39 mm，數(shù)值模擬最大值為60.97 mm，兩者差異很小?；娱_挖過程中，粉質(zhì)粘土及粘質(zhì)粉土地層由于降水效果差及機械擾動等因素，飽和含水狀態(tài)的土體抗剪強度減幅較大。

4 結(jié)語

1)圍護結(jié)構(gòu)變形和地表沉降隨開挖深度增加而增加，圍護結(jié)構(gòu)變形曲線為“弓”形，最大水平變形為0.086%H，最大變形位置位于圍護結(jié)構(gòu)0.8H深處；墻后地表沉降曲線為“凹槽”形，最大沉降變形為0.106%H，距基坑邊緣0.22H；地表沉降主要影響區(qū)為基坑周邊0H～1.44H范圍內(nèi)，1.44H以外受基坑開挖影響較??；圍護結(jié)構(gòu)變形和地表沉降受基坑“空間效應(yīng)”影響，基坑長邊中部變形遠大于短邊中部；

2)對于飽和含水狀態(tài)粉質(zhì)粘土地層，基坑開挖過程中的支撐架設(shè)滯后導致基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的大幅增加；飽和含水狀態(tài)的土體抗剪強度減幅較大，圍護結(jié)構(gòu)變形增大，變形速率加快。