軟土地區(qū)墻式支擋開挖地表水平位移分析

江 鋒,李曦宇,陳建軍,吳恭成,黃紹燈,陳奕天

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

深基坑工程逐漸趨向“大、緊、深”的特點(diǎn),基坑變形控制要求逐漸嚴(yán)格。尤其在軟土地區(qū),深基坑開挖過程引起的地面運(yùn)動(dòng)易使周圍建筑物、道路、地下管線等重要設(shè)施間接損傷[1]。因此深基坑開挖引起地面運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)和其對(duì)建構(gòu)筑物的損害研究正逐漸被重視。

針對(duì)地表沉降運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)問題的研究主要有模型試驗(yàn)法[2-3]、解析理論解[4-5]、實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)[6-7]和有限元法[8-9],但大多數(shù)研究集中討論基坑開挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移和地表豎向沉降之間的關(guān)系。地表沉降造成路面凹陷和建筑物下沉等影響是直觀可見的，實(shí)際工程也往往將建筑物與地表沉降的相互聯(lián)系來評(píng)估基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的嚴(yán)重程度。但部分學(xué)者[10-13]逐漸認(rèn)識(shí)到基坑開挖引起鄰近地表土體和建筑物產(chǎn)生的水平拉應(yīng)變,會(huì)對(duì)建筑物造成較大裂縫甚至結(jié)構(gòu)扭曲,其造成的破壞影響并不小于地表沉降。

綜上所述,本文將建立有限元模型來逐漸深入研究基坑開挖引起地表土體水平變形特性,及其與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形之間的相互聯(lián)系；同時(shí)以有限元模擬結(jié)果提出合理的地表水平位移預(yù)測(cè)公式，并以實(shí)際工程案例進(jìn)行誤差分析,驗(yàn)證地表水平位移預(yù)測(cè)公式的有效性。

1 工程概況

地鐵浙大國(guó)際學(xué)院站位于海寧海州東路與碧云南路交叉路口。車站主體長(zhǎng)432.23 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段深16～17 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系。車站開挖方式采用明挖法開挖。

2 有限元模型

本次有限元模型采用Plaxis2D進(jìn)行分析,土體本構(gòu)模型采用土體硬化小應(yīng)變(HSS)模型,土體參數(shù)主要參考杭州海寧地區(qū)的實(shí)際工程案例中的勘察報(bào)告,主要輸入?yún)?shù)見表1。根據(jù)2組土質(zhì)參數(shù)基坑案例,探討基坑開挖深度、土層厚度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與鄰近基坑外地面水平位移的關(guān)系,其中相關(guān)的參數(shù)變化范圍見表2。

表1 有限元土質(zhì)參數(shù)

表2 工況參數(shù)變化范圍

有限元模型建模長(zhǎng)度為4He,建模深度為5He,其中基坑開挖寬度為20 m,地下連續(xù)墻深度為40 m,共設(shè)置4道水平內(nèi)支撐,其深度位置分別為0、3.1、6.4 m和11.4 m。

有限元模擬開挖共分為：1)開挖第一層土,開挖深度達(dá)到地下1 m;2)施加第一道水平內(nèi)支撐;3)開挖至地表以下3.5 m;4)施加第二道水平內(nèi)支撐;5)開挖至地表以下6.9 m;6)施加第三道水平內(nèi)支撐;7)開挖至地表以下11.9 m;8)施加第四道水平內(nèi)支撐;9)開挖至地表以下16.6 m。

3 坑外土體豎向沉降和水平位移

圖1顯示了地表土體水平位移以及豎向沉降,其中本文規(guī)定水平位移方向朝向基坑內(nèi)為負(fù),朝向基坑外為正；地表沉降沿開挖方向向下為正,向上為負(fù)。本文中字母含義如下：x為距離圍護(hù)墻的垂直距離,δvs為土體豎向沉降位移,δhm為土體水平位移,He為開挖深度,EI為圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度,Dh為地下連續(xù)墻深度。從圖中可以看出地表土體水平和豎向位移變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)基坑開挖較淺時(shí),地表沉降呈 “凹槽型”趨勢(shì),而地表水平位移向基坑外位移。當(dāng)基坑開挖深度較大時(shí),地表沉降和地表水平位移的趨勢(shì)較為一致,皆呈“凹槽型”模式。其中開挖深度達(dá)到16.6 m時(shí),地表沉降在最大值距離基坑11.55 m處達(dá)到5.17 mm,而地表水平位移在距離基坑7 m處,其最大值為2.78 mm。

圖1 基坑開挖引起坑外土體位移

雖然,地表水平位移比地表沉降小,但地表水平位移仍有地表沉降的50%以上,且地表水平位移最大值更接近于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)x=0與xmax兩點(diǎn)處,地表水平位移變形率為0.39,地表沉降變形率為0.44。而基坑開挖引起鄰近建筑物的損傷評(píng)估，規(guī)范中曾指出對(duì)于水平位移阻力較小的建筑,其受到地表水平位移產(chǎn)生的拉應(yīng)變作用引起的損傷遠(yuǎn)大于地表豎向位移的作用[14]。

4 不同地表水平位移參數(shù)影響分析

圖2變化參數(shù)為不同基坑開挖深度。地表水平位移值隨著開挖深度增加而逐漸增大,同時(shí)地表水平位移最大值所處位置與基坑間距逐漸增大。地表水平位移最大值在開挖深度為7.1、11.9、16.6 m 時(shí),A組圍護(hù)結(jié)構(gòu)間距為8、12、15.57 m。B組與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間距為7、11、12.80 m。顯然,兩組間距與開挖深度的比值皆接近于1。同時(shí),水平位移最大值點(diǎn)(xhmax)與初始點(diǎn)(x=0)兩點(diǎn)之間的位移差值隨著開挖深度的增加而逐漸增大,但B組地表水平位移差值比A組大。

圖2 不同開挖深度地表水平位移曲線

圖3變化參數(shù)為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度。墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增加必然會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移減小,地表水平位移運(yùn)動(dòng)也隨之減少。因此,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度EI與地表水平位移成反比。而A組地表水平位移最大值點(diǎn)(xhmax)皆在12.80 m附近,B組地表水平位移最大值點(diǎn)(xhmax)在11.00 m附近?？梢?圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的改變并不影響地表水平位移最大值所處位置。

圖3 不同剛度地表水平位移

圖4變化參數(shù)為不同土層厚度。當(dāng)頂部粉質(zhì)黏土厚度逐漸增大時(shí)(即1、2、3),地表水平位移值也相應(yīng)的增加,地表水平位移最大值點(diǎn)變化并不明顯。當(dāng)中間層淤泥質(zhì)黏土厚度如4、5、6依次增大時(shí),地表水平位移同樣增加,地表水平位移最大值所處位置逐漸遠(yuǎn)離圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖4 不同土層厚度地表水平位移

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形對(duì)地表水平位移影響 分析

地表水平位移與地表沉降具有較大的相似性,圖5給出地表水平位移最大值(δhvmax)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值(δhmax)之間的關(guān)系。從圖中看出,地表水平位移最大值大約為圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值的0.3倍左右,且不同土質(zhì)情況、開挖深度以及土層厚度對(duì)其比值影響變化不大,因此可得：

圖5 地表水平位移最大值與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值

δhvmax=0.3δhmax

(1)

劉濤[13]基于上海地鐵182個(gè)實(shí)測(cè)斷面得出地表豎向沉降最大值點(diǎn)距離基坑水平位移x值大約為基坑開挖深度He的0.5～0.7倍。但基坑開挖深度大于16.6 m時(shí),基坑最大的變形位置逐漸上移。圖6則給出地面水平位移最大值點(diǎn)(xhmax)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值(zmax)之間的關(guān)系,可以看出,xhmax與zmax皆隨著開挖深度的增加而逐漸增加,但兩者比值仍在一定范圍內(nèi),其比值上限接近于1.1zmax,下限接近于0.6zmax。

圖6 地表水平位移最大值點(diǎn)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大值所處深度

xhmax=0.6～1.1zmax

(2)

6 預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化公式

由上述分析可知,地表水平位移曲線不僅與地表豎向沉降曲線類似,同時(shí)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形有著一定的聯(lián)系。值得一提的是,地表豎向沉降預(yù)測(cè)曲線能用正態(tài)函數(shù)[14]或者偏態(tài)函數(shù)[15]擬合,兩種擬合公式都具有較好的適用性。

不妨假定偏態(tài)函數(shù)亦適用于地表水平位移曲線,其具體公式如下：

(3)

式(3)中：A、B、C和D為待定研究的參數(shù)。

通過公式擬合108次凹槽型地表水平位移值來評(píng)估參數(shù)對(duì)地表水平位移曲線的擬合影響。

圖7為參數(shù)A與地表水平位移最大值之間的關(guān)系。顯然,參數(shù)A的取值與地表水平位移最大值的比值接近于1,此比值受不同土質(zhì)、不同土層厚度、開挖深度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響較小。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移值與地表水平位移最大值幾乎相等，因此,參數(shù)A也可以由圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移值得到：

圖7 參數(shù)A與地表水平位移最大值

A=δhv=0.3δhm

(4)

圖8為參數(shù)C與地表水平位移最大值所處位置的關(guān)系。從圖中可以看出,當(dāng)?shù)乇硭轿灰谱畲笾迭c(diǎn)與基坑邊距離增加時(shí),參數(shù)C的取值逐漸增加,兩者比值接近于1。因此,地表水平位移與基坑的距離可用圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值所處深度表示,參數(shù)C的取值為：

圖8 參數(shù)C與地表水平位移最大值所處位置

C=xmax=0.6～1.1zmax

(5)

圖9為參數(shù)B和地表水平位移最大值(δhv)之間的關(guān)系。可以看出,參數(shù)B隨著地表水平位移最大值的增加而逐漸減小。在第一組(A組)土質(zhì)情況下,參數(shù)B更偏向于下限(yb1曲線)。當(dāng)處于第二組(B組)土質(zhì)情況時(shí),參數(shù)B更偏向于上限(yb2曲線)。顯然,參數(shù)B不僅與地表水平位移最大值有一定的聯(lián)系,且與不同土質(zhì)情況有聯(lián)系。結(jié)合地表水平位移最大值與圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移值之間的關(guān)系,給出參數(shù)B的經(jīng)驗(yàn)公式,如公式(6)所示。

圖9 參數(shù)B與地表水平位移最大值

圖10為參數(shù)D和地表水平位移最大值(δhv)之間的關(guān)系?？梢钥闯?參數(shù)D隨著地表水平位移最大值的增加反而逐漸增加。當(dāng)開挖深度較淺時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移值較小,地表水平位移最大值與參數(shù)D皆較小。而隨著開挖深度逐漸增加,參數(shù)D與地表水平位移最大值也同時(shí)增加,但數(shù)據(jù)皆在曲線yd1和yd2之間。因此公式(7)給出參數(shù)D的經(jīng)驗(yàn)公式。

圖10 參數(shù)D與地表水平位移最大值

(6)

D=4×e(δhmax/2)+Td

(7)

其中Tb、Td的參數(shù)在軟土地區(qū)中分別取值1.6～2.1和-3～-4。

7 預(yù)測(cè)公式驗(yàn)證

基坑開挖引起的地表水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少且不完整,無法像地表豎向沉降一樣能獲得較好的曲線以驗(yàn)證地表豎向沉降曲線的合理性。

基坑開挖深度內(nèi)土質(zhì)較差,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土在土層中厚度較大，見表4。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8 m厚地下連續(xù)墻兼主體結(jié)構(gòu)外墻?；娱_挖深度He=16.5 m,并且共設(shè)置3道混凝土內(nèi)支撐,地下連續(xù)墻插入深度為35 m。在距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)10 m處布置測(cè)斜管。

表4 工程案例相關(guān)地層信息

根據(jù)土質(zhì)情況分析可得,其Tb與Td值分別取1.6和-4。根據(jù)公式可得參數(shù)A、B、C和D,再將其代入公式中。

圖11給出地下連續(xù)墻側(cè)向位移值與測(cè)斜管的實(shí)測(cè)值對(duì)比,其中Hhm為地下連續(xù)墻側(cè)向位移值?？梢钥闯?預(yù)測(cè)曲線較接近于實(shí)測(cè)值,誤差平均值僅有6%。說明本文提出的預(yù)測(cè)公式能較好地預(yù)測(cè)軟土地區(qū)基坑開挖引起的地表水平位移。

圖11 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)曲線

8 結(jié) 語

本文基于土體小應(yīng)變特性與海寧地鐵基坑車站實(shí)測(cè)土層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立數(shù)值模型。并在此基礎(chǔ)上研究不同土質(zhì)情況、土層厚度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下,基坑開挖對(duì)鄰近地表土體水平位移的影響,具體結(jié)論如下：

1)基坑開挖引起地表水平位移曲線與地表豎向沉降曲線形態(tài)上類似,但地表水平位移最大值點(diǎn)相較于地表豎向沉降最大值點(diǎn)更接近基坑,且地表水平位移最大值要小于地表豎向沉降。因此,實(shí)際工程中地表水平位移造成周邊環(huán)境及建筑物影響不容忽視。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度僅影響地表水平位移數(shù)值大小,軟弱土層厚度、開挖深度、不同土質(zhì)參數(shù)不僅影響地表水平位移數(shù)值大小,而且影響地表水平位移影響范圍和最大水平位移點(diǎn)與基坑的距離。

3)偏態(tài)函數(shù)能較好地?cái)M合軟土地區(qū)中深基坑開挖引起鄰近地表水平位移曲線。通過實(shí)測(cè)值與其對(duì)比, 證明了本文提出的地表水平位移曲線能較好地預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)鄰近土體的地表水平位移值的影響。地表水平位移值的影響因素不僅僅與基坑開挖的過程相關(guān),而且與基坑降水、不同內(nèi)支撐形式、鄰近建筑物對(duì)其的影響等因素相關(guān),這些因素仍需進(jìn)一步研究。