軟土地區(qū)基坑施工對(duì)堤防穩(wěn)定性影響的控制措施

劉 銘，劉愛華，鄒家強(qiáng)，叢沛桐，張 巍

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣州 510642)

隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，跨河大橋工程越來越多。這些大橋一般采用鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，通過承臺(tái)與橋墩連接。橋墩的承臺(tái)一般為地下式，因而在承臺(tái)施工過程中形成了較大規(guī)模的基坑。基坑的開挖施工會(huì)引起周圍土體變形，對(duì)其臨近的土堤穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)防洪安全構(gòu)成威脅。

由于基坑開挖破壞了巖土體的應(yīng)力平衡，將不可避免的在開挖影響區(qū)域內(nèi)引起地表沉降和地層移動(dòng)，對(duì)區(qū)域原有建筑產(chǎn)生一定影響[1-5]。許多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)土體的基坑開挖對(duì)臨近隧道、地鐵、地下結(jié)構(gòu)等建筑物的影響問題進(jìn)行了研究，分析了在不同土體力學(xué)參數(shù)和不同支護(hù)措施下基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響[6-10]。丁勇春等[11]基于FLAC3D(三維快速拉格朗日方法)建立了考慮土體與結(jié)構(gòu)相互作用的三維整體計(jì)算模型，研究基坑開挖對(duì)臨近建筑的影響，探討了不同基坑支護(hù)方案及技術(shù)措施對(duì)基坑變形控制及歷史建筑保護(hù)的有效性；胡琦等[12]通過對(duì)杭州地區(qū)典型軟黏土及其擾動(dòng)土的室內(nèi)單元體試驗(yàn)研究了擾動(dòng)對(duì)軟黏土工程特性的影響，發(fā)現(xiàn)施工擾動(dòng)會(huì)破壞土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，導(dǎo)致土的壓縮性增大、強(qiáng)度降低，會(huì)加劇基坑開挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響；劉念武等[13]結(jié)合深厚軟黏土地區(qū)某個(gè)地鐵車站深基坑工程進(jìn)行了系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明地下連續(xù)墻成槽會(huì)引起臨近土體側(cè)向位移;左殿軍等[14]基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響，計(jì)算結(jié)果表明隨基坑開挖深度加深，地表沉降及隧道襯砌位移逐漸變大；劉東燕等[15]基于FLAC3D模擬深圳某軟土深基坑開挖并分析基坑變形的影響因素，研究結(jié)果表明提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度能較為顯著改善基坑變形；葉帥華等[16]通過對(duì)蘭州地區(qū)濕陷性黃土基坑開挖進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明在基坑開挖過程中支護(hù)支撐軸力隨著基坑開挖趨于穩(wěn)定。

然而，對(duì)于軟土地區(qū)的基坑而言，由于土體力學(xué)參數(shù)較低，基坑開挖后周圍土體的變形更大，且更容易發(fā)生塑性流動(dòng)，因而將對(duì)臨近建筑物造成更大的影響[17-20]。基于此，結(jié)合工程實(shí)例，以數(shù)值分析為主要手段，研究軟土地區(qū)基坑施工對(duì)其附近土堤穩(wěn)定性的影響，并重點(diǎn)研究不同支護(hù)措施下的影響，以期為基坑支護(hù)措施設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)建議。

1 工程背景

某大橋工程跨越廣東省中山市某河涌，全橋橋跨布置為2 m×210 m雙層鋼箱梁獨(dú)塔斜拉橋，全長(zhǎng)420 m。引橋及主橋均采用群樁基礎(chǔ)。主橋索塔基礎(chǔ)為2個(gè)深度為5 m的基坑，平面尺寸均為約21.3 m×28.8 m，開挖深度為5 m，如圖1所示。該基坑距離河道土堤堤腳約20 m。土堤的堤頂寬為8 m，堤身高度為2.8 m，上、下游邊坡均為1∶3.0，堤身為人工填土。

圖1 基坑平面布置圖Fig.1 Foundation pit layout

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露的地質(zhì)資料，該工程地層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，主要包括素填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，各土層力學(xué)參數(shù)較低，其中，淤泥層厚度約為34.2 m，力學(xué)參數(shù)最低。

由于主橋索塔承臺(tái)基坑距離河道土堤堤腳僅約20 m，且基坑處地質(zhì)條件較差，基坑開挖施工可能會(huì)影響土堤穩(wěn)定性，因此需研究采用合適的支護(hù)措施，以確?；邮┕げ粫?huì)影響土堤的穩(wěn)定。

2 數(shù)值分析計(jì)算理論

為研究不同基坑支護(hù)措施下基坑施工對(duì)土堤穩(wěn)定性的影響，采用巖土通用FLAC3D軟件開展計(jì)算分析。數(shù)值計(jì)算中，各層土體采用莫爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)理想彈塑性模型。可能的支護(hù)手段包括鋼板樁、內(nèi)支撐、圍檁等，采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。

FLAC3D采用顯式有限差分法進(jìn)行數(shù)值求解，計(jì)算流程如圖2所示。顯式有限差分法的計(jì)算理論如下[21]。

2.1 運(yùn)動(dòng)方程

FLAC3D以節(jié)點(diǎn)為計(jì)算對(duì)象，將力和質(zhì)量均集中在節(jié)點(diǎn)上，然后通過運(yùn)動(dòng)方程在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行求解。節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程可表示為式(1)的形式。

(1)

將式(1)左端用中心差分來近似，則可得到：

(2)

2.2 本構(gòu)方程

本構(gòu)關(guān)系有：

(3)

2.3 應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)不平衡力

FLAC3D由速率來求某一時(shí)步的單元應(yīng)變?cè)隽浚缡?4)所示：

(4)

式(4)中:Δeij為應(yīng)變?cè)隽?；vi和vj為速率；Δt為時(shí)間增量，下標(biāo),i和j分別表示對(duì)坐標(biāo)i和j的偏導(dǎo)。

通過式(4)得到應(yīng)變?cè)隽?，進(jìn)而可由本構(gòu)方程求出應(yīng)力增量，對(duì)各時(shí)間步的應(yīng)力增量疊加即可得出總應(yīng)力。

2.4 阻尼力

對(duì)于靜態(tài)問題，在式(1)的不平衡力中加入非黏性阻尼，以使系統(tǒng)的振動(dòng)逐漸衰減直至達(dá)到平衡狀態(tài)(即不平衡力接近零)，將式(1)變?yōu)?/p>

(5)

阻尼力為

(6)

式(6)中：α為阻尼系數(shù)；sign為符號(hào)函數(shù)，定義如式(7)所示：

(7)

圖2 顯式有限差分法計(jì)算流程Fig.2 Explicit finite difference method calculation process

3 計(jì)算過程

3.1 計(jì)算模型

主橋索塔基坑為2個(gè)深度為5 m的基坑，平面尺寸均為約21.3 m×28.8 m。根據(jù)模型的對(duì)稱性，選擇靠近連接堤防的基坑建立計(jì)算模型。計(jì)算模型以主橋索塔基坑中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸與堤軸線垂直，以指向堤防的外江側(cè)為正；y軸與堤軸線平行，指向左岸為正；z軸為鉛直向，以向上為正。計(jì)算模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于基坑中心的0.0高程處。模型計(jì)算范圍：x方向?yàn)?24.4～74.1 m，y方向?yàn)?～100 m，z方向?yàn)?40.1～2.6 m。模型共剖分了16 984個(gè)單元和19 067個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖3)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，計(jì)算模型共包含5種地層：堤身填土、素填土、淤泥質(zhì)土、淤泥、粉質(zhì)黏土。

圖3 三維模型網(wǎng)格Fig.3 3D model grid

3.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算分析采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main soil physical and mechanical indicators

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)基坑施工過程、以及可能的基坑支護(hù)措施，擬定的工況如表2所示。在初始工況下，計(jì)算分析基坑開挖前周邊土體初始應(yīng)力狀態(tài)，初始應(yīng)力狀態(tài)主要由土體自身重力作用產(chǎn)生。在基坑開挖工況下，在開挖臨空面釋放荷載作用下基坑周圍土體產(chǎn)生變形，并引起應(yīng)力重分布。

表2 擬定計(jì)算工況及工況條件Table 2 Formulations of calculation conditions and cases

為研究不同支護(hù)措施下基坑開挖施工對(duì)周圍土體的影響，擬定了不考慮支護(hù)措施、僅鋼板樁支護(hù)、鋼板樁加一層內(nèi)支撐支護(hù)、鋼板樁加二層內(nèi)支撐支護(hù)共4種工況進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。其中，鋼板樁采用深度為18 m的拉森III型鋼板樁，內(nèi)支撐的鋼圍檁采用雙拼588型鋼，上層內(nèi)支撐采用DN630×8 mm的鋼管，下層內(nèi)支撐采用DN820×10 mm的鋼管。

4 計(jì)算結(jié)果分析

基坑開挖前的初始工況(工況A)，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布分別如圖4(a)、圖4(b)所示。由圖4(a)、圖4(b)可知，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力等值線總體分布平緩，高程越低，初始地應(yīng)力越大。在基坑開挖區(qū)域，第一主應(yīng)力在-50～0 kPa左右，第三主應(yīng)力分布在-100～0 kPa左右。

不考慮支護(hù)基坑開挖工況(工況B)，由于基坑周圍土體參數(shù)較低，計(jì)算無法收斂，可見，若不考慮支護(hù)措施，基坑周圍土體將失穩(wěn)，進(jìn)而威脅土堤穩(wěn)定性。考慮支護(hù)下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)，計(jì)算均能收斂。為方便與其他考慮支護(hù)措施的工況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不考慮支護(hù)開挖工況(工況B)，由于計(jì)算不收斂，因此取程序終止時(shí)(迭代8 900次)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理。

各工況基坑開挖后，基坑四周土體應(yīng)力發(fā)生明顯的重分布。考慮支護(hù)下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)的應(yīng)力分布規(guī)律總體接近，以鋼板樁加二層內(nèi)支撐支護(hù)下的基坑開挖工況(工況C3)為例，工況C3第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布分別如圖4(c)、圖4(d)所示。

圖4 第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分布Fig.4 First principal stress and third principal stress distribution

各工況基坑開挖后的變形如圖5所示。由圖5可知，基坑開挖后，周圍土體發(fā)生變形。若不考慮支護(hù)措施(工況B)，土體最大位移超過1.8 m，基坑實(shí)際上已經(jīng)失穩(wěn)?？紤]支護(hù)下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)，土體最大位移均發(fā)生在基坑正下方鋼板樁底部高程附近，最大值差別不大，均在0.19～0.20 m。各工況基坑開挖后堤腳的變形如圖6所示。由圖6可知，支護(hù)措施越強(qiáng)，堤腳變形越小，即基坑開挖對(duì)土堤安全性的影響越小。

圖5 各工況基坑開挖后的變形Fig.5 Deformation after excavation of foundation pits under various cases

圖6 各工況基坑開挖后堤腳的變形Fig.6 Deformation of the embankment after excavation of foundation pits under various cases

圖7 各工況基坑開挖后的塑性區(qū)Fig.7 Plastic zone after excavation of foundation pits under various cases

各工況基坑開挖后的塑性區(qū)如圖7所示。其中圖7(a)計(jì)算不收斂，表明基坑開挖后不能維持自身穩(wěn)定。不考慮支護(hù)基坑開挖工況(工況B)和僅采用鋼板樁支護(hù)工況(工況C1)，周圍土體塑性區(qū)擴(kuò)展范圍很大，蔓延至土堤底部，威脅土堤安全?？紤]鋼板樁加內(nèi)支撐支護(hù)的各基坑開挖工況(工況C2、工況C3)，支護(hù)措施越強(qiáng)，塑性區(qū)范圍越小，即基坑開挖引起的土體擾動(dòng)越小，對(duì)土堤安全性的影響也相應(yīng)越小?？紤]支護(hù)下的基坑開挖工況(工況C3)鋼板樁第一主應(yīng)力及內(nèi)支撐軸力如圖8所示?？紤]支護(hù)下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力如表3所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力在鋼材的允許值之內(nèi)(屈服強(qiáng)度為235 MPa)，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。

圖8 工況C3的鋼板樁第一主應(yīng)力及內(nèi)支撐軸力Fig.8 The first principal stress and the inner support axial force of the steel sheet pile in case C3

表3 考慮支護(hù)下的各基坑開挖工況支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力Table 3 Considering the stress of the supporting structure under the excavation condition of each foundation pit under the support

5 討論

對(duì)于普通基坑而言，一般工程經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，基坑開挖的影響范圍為3～5倍的基坑開挖深度。然而，對(duì)于軟土地區(qū)的基坑而言，由于軟土力學(xué)參數(shù)較低，若不采用支護(hù)措施[如工況B計(jì)算結(jié)果，如圖6(a)所示]，基坑開挖后塑性區(qū)可能會(huì)不斷擴(kuò)展，發(fā)生較大范圍的塑性流動(dòng)，基坑開挖的影響范圍將會(huì)明顯大于經(jīng)驗(yàn)值。

對(duì)比考慮支護(hù)下的各基坑開挖工況(工況C1、工況C2、工況C3)的計(jì)算結(jié)果可知，支護(hù)措施越強(qiáng)，堤腳變形越小，基坑開挖對(duì)土堤安全性的影響越小。從塑性區(qū)范圍而言，支護(hù)措施越強(qiáng)，塑性區(qū)范圍越小，即基坑開挖引起的土體擾動(dòng)越小，對(duì)土堤安全性的影響也相應(yīng)越小。

對(duì)于深度不大的基坑，鋼板樁支護(hù)為常見支護(hù)手段。計(jì)算表明，若僅采用鋼板樁支護(hù)(工況C1)，周圍土體塑性區(qū)范圍仍然較大，可見由于周圍土體的力學(xué)參數(shù)較低，僅采用鋼板樁支護(hù)并不能很好的控制土體的破壞。增加內(nèi)支撐后(工況C2和工況C3)，基坑周圍土體的塑性區(qū)范圍均較小。對(duì)于土堤而言，周圍土體均在彈性范圍內(nèi)。因此，此時(shí)基坑施工不會(huì)影響土堤安全性。出于防洪安全可靠性考慮，推薦采用方案C3，即鋼板樁加二層內(nèi)支撐的支護(hù)方案。

6 結(jié)論

由于軟土地區(qū)的土體力學(xué)參數(shù)較低，該地區(qū)基坑開挖與一般地區(qū)基坑開挖不同，將對(duì)臨近建筑物產(chǎn)生更大的影響。結(jié)合某實(shí)際工程，以數(shù)值分析為主要手段，研究了軟土地區(qū)基坑施工對(duì)其附近土堤穩(wěn)定性的影響，并重點(diǎn)對(duì)基坑施工影響的控制措施進(jìn)行了研究。得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)于軟土地區(qū)的基坑而言，由于軟土力學(xué)參數(shù)較低，若不采用合理的支護(hù)措施，基坑開挖的影響范圍將明顯大于經(jīng)驗(yàn)值，需要引起重視。

(2)對(duì)于深度不大的基坑，鋼板樁支護(hù)為常見支護(hù)手段。但對(duì)于軟土地區(qū)的基坑而言，僅采用鋼板樁支護(hù)并不能有效地控制基坑開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)。在鋼板樁內(nèi)部增加1～2層內(nèi)支撐之后，基坑開挖擾動(dòng)能得到有效控制，從而保障臨近建筑物的安全性。