淤泥深基坑開挖下土體的變形特征

嚴佳捷，樊秀峰,2，吳振祥,2

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350108; 2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108)

我國的東南沿海如濱海地帶、長江三角洲、珠江三角洲等區(qū)域廣泛分布著特定沉積環(huán)境下形成的深厚淤泥土層[1-2]，其淤泥層的厚度可達30 m，埋藏深度一般在2 m～20 m之間[3]。由《巖土工程勘察規(guī)范》[4](GB 50021—2001)可知淤泥是一種在靜力、緩慢流水環(huán)境中形成的以細顆粒為主的軟土，這類沉積物的天然孔隙比一般大等于1.0，具有低強度、高壓縮性、易蠕變、高含水率等的物理力學(xué)特性。由于淤泥類軟土強度低、靈敏度高，在工程建設(shè)中作為建筑地基一般表現(xiàn)出軟弱、不穩(wěn)定和易破壞的特性，在深厚淤泥發(fā)育地區(qū)常發(fā)生較大的變形(不均勻下沉以及滑動等)導(dǎo)致地基或邊坡失穩(wěn)的工程災(zāi)害，威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展與城市建設(shè)用地的限制，淤泥深基坑的工程項目越來越多，深厚淤泥層基坑開挖、維護涉及的問題存在高復(fù)雜性和不確定性[5-7]，其中深基坑工程的圍護結(jié)構(gòu)(支撐剛度、施加軸力、圍護體嵌固比等)對施工過程中基坑的應(yīng)力、應(yīng)變的改變起到關(guān)鍵作用[8]，因此，有必要開展淤泥深基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)與土層的變形特征的研究。

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者通過工程實踐、數(shù)值模擬等方法圍繞基坑開挖過程、圍護結(jié)構(gòu)方式、周邊環(huán)境等進行了大量研究[9-10]，但針對淤泥深基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)與土層變形特征的研究內(nèi)容仍比較有限，因此，本文以長樂某淤泥深基坑的工程項目為例，通過工程實例監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及小應(yīng)變剛度土體硬化本構(gòu)模型(簡稱HSS模型)、摩爾-庫侖本構(gòu)模型(簡稱MC 模型)數(shù)值模擬支護結(jié)構(gòu)在開挖過程中的方法開展淤泥深基坑開挖過程的變形破壞特征研究。

1 工程概況

工程擬建埋深約5.2 m(從室內(nèi)正負零起算)的地下室，地勢總體較平坦，基坑的平均開挖深度為2.95 m～5.00 m，基坑周長約430 m。場地屬烏龍江Ⅰ級階地地貌單元，根據(jù)地質(zhì)勘察得到影響基坑開挖的巖土層由上至下主要為①粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)、②淤泥(Q4m)與③粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)，且后期因場地南側(cè)(即剖面14-14′位置)道路施工，于粉質(zhì)黏土層上分層碾壓回填的素填土層，厚度約1.5 m～3.5 m，通過室內(nèi)試驗確定巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)見表1，勘察期間綜合水位埋深為0.1 m～0.8 m，位于①粉質(zhì)黏土層。

表1 基坑開挖巖土體指標(biāo)參數(shù)

2 基坑變形監(jiān)測

2.1 圍護結(jié)構(gòu)形式

基坑工程圍護結(jié)構(gòu)為復(fù)合型，包括基坑側(cè)壁采用的排樁、擴頭錨、水泥土墻、坑內(nèi)加固以及基坑上部放坡的支護形式，在坡頂、坡腳分別設(shè)置截水溝和排水溝，坡面設(shè)泄水管以減少側(cè)向水壓力，整體支護形式見圖1。

圖1 圍護結(jié)構(gòu)整體平面、剖面示意圖

2.2 基坑監(jiān)測概況

為基坑工程預(yù)警做好實時監(jiān)控，在基坑周邊布置監(jiān)測點，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形可以分為水平變形、豎向變形，所以監(jiān)測內(nèi)容主要包括深層水平位移監(jiān)測(圍護樁)、基坑坡頂位移監(jiān)測。基坑工程監(jiān)測工作貫穿于地下工程施工的全過程，監(jiān)測時間段從基坑圍護樁開始施工(工況1)、基坑局部開挖(工況2)、局部底板澆筑結(jié)束的后續(xù)變形監(jiān)測(工況3)共歷時95 d，期間進行實時記錄反饋。

本基坑工程施工過程中，南側(cè)基坑(14-14′剖面)開挖后發(fā)生較大變形，路面發(fā)生沉降及位移超過預(yù)警值，因此取14-14′剖面附近的監(jiān)測情況進行分析，監(jiān)測點布置圖見圖2。

圖2 基坑14-14′剖面監(jiān)測點布置圖

2.2.1 深層水平位移監(jiān)測

選取截面位置的C6、C8作為基坑?xùn)|側(cè)與南側(cè)的代表監(jiān)測點(見圖2)進行分析，按照上述所提及的基坑施工開挖過程時間段分為3種工況，各位置的監(jiān)測情況有所不同，但大體位移趨勢一致，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知支護結(jié)構(gòu)位移量隨深度變化呈現(xiàn)先小幅增大再減小的現(xiàn)象，至開挖后期(工況3)深層位移曲線出現(xiàn)由上至下呈現(xiàn)“弓型”形態(tài)(見圖3)，其中曲線突出部分的上方因錨桿約束作用降低了位移變化量。由圖3可知，C6與C8測斜孔最大累計水平位移分別超過100 mm、400 mm，圍護樁變形量極大，已超出預(yù)警，由于C8基坑坡頂堆載素填土對應(yīng)的水平位移從基坑局部開挖(工況2)開始表現(xiàn)出較大的位移變形且水平位移大于C6位置監(jiān)測位移，說明圍護樁強度、周邊堆載情況對深厚淤泥層基坑穩(wěn)定有嚴重影響。

2.2.2 基坑坡頂位移監(jiān)測

選取截面位置的J15、J16、J17、J18作為沉降觀測點(見圖1)各監(jiān)測點觀測得到的沉降位移隨時間的變化曲線見圖4。由圖4可知，同一側(cè)鄰近位置開挖地層相近的且圍護結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的工況下仍存在差別較大沉降位移，最大位移超過400 mm，沉降值超出預(yù)警值。其中沉降主要變形發(fā)生在基坑局部開挖的過程，說明低強度的淤泥土層為嚴重變形的主導(dǎo)因素，由于南側(cè)道路施工后期場地上覆厚度不一的大面積填土，導(dǎo)致下部淤泥轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸雀偷那饭探Y(jié)土，其中J15、J16位置的填土厚度不同對應(yīng)的加載不同，反映對淤泥強度的變化情況的影響程度，除了上覆土層厚度外相應(yīng)的支護設(shè)計剛度的大小也為出現(xiàn)整體較大位移變形的重要原因。

圖3 監(jiān)測點各工況下不同深度的水平位移

圖4 各監(jiān)測點的沉降位移隨時間變化的曲線

3 有限元數(shù)值模擬

現(xiàn)場監(jiān)測花費的時間、金錢成本高昂，有限元方法比監(jiān)測簡單且計算成本小，能夠較有效地模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下的基坑開挖、土體與支護結(jié)構(gòu)的變形破壞特征等，可廣泛應(yīng)用到土體穩(wěn)定性分析與基坑開挖變形影響參數(shù)的評估分析[11-12]。土層本構(gòu)模型的合理選用為有限元數(shù)值模擬結(jié)果準確的關(guān)鍵因素之一，本文選用基坑開挖分析中常用的MC模型和HSS模型來模擬深厚淤泥基坑工程的變形特征，通過兩類模型模擬結(jié)果的對比分析，確定適用于深厚淤泥土層的數(shù)值模型并分析土體與圍護結(jié)構(gòu)的變形特征。

3.1 模型參數(shù)

MC模型參數(shù)少相對簡單，能較描述土體的破壞特征，具體模型參數(shù)見表2。

表2 MC模型土體物理力學(xué)參數(shù)

表3 HSS模型土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模型

對基坑的14-14′剖面進行二維建模(見圖5)，周圍土體影響區(qū)域取基坑深度的3倍以上，模型長、寬分別為83 m×27.5 m。建模土層由上至下分別為素填土(2.1 m)、①粉質(zhì)黏土(1.24 m)、②淤泥(17.5 m)、③粉質(zhì)黏土四層，土體左右兩側(cè)約束水平位移，底部固定約束，按照基坑施工原則分層分段開挖(土層開挖小于2 m，淤泥地層開挖小于1 m)。

圖5 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 圍護結(jié)構(gòu)的深層水平位移

鑒于基坑開挖變形量較大，對基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)周邊土體的變形破壞的工況進行數(shù)值模擬對比分析，模型模擬與實測的深層水平位移結(jié)果見圖6。其中曲線1、曲線2分別代表淤泥土層開挖前后的側(cè)向位移變形情況，曲線3代表基坑開挖結(jié)束后的最終側(cè)向位移，由圖6可知，實測曲線與模型曲線3的趨勢相近，水平位移隨深度呈現(xiàn)“弓型”變化特征，HSS模型的模擬結(jié)果更貼近實際位移，MC模型模擬結(jié)果偏大與實際位移相差較多，所以HSS模型比MC模型更適合深層淤泥深基坑的模擬，與管飛[17]提出HSS模型是一類適用于軟土基坑的本構(gòu)模型的結(jié)論相符。

圖6 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移隨深度變化曲線

由于深厚淤泥土層在開挖過程中會發(fā)生嚴重的流泥現(xiàn)象，易導(dǎo)致土體大位移變形，所以淤泥土層開挖前(曲線1)后(曲線2)的側(cè)向位移增量較大，與淤泥土層的開挖過程發(fā)生主要位移變形相符。

3.3.2 基坑外的土體沉降

基坑開挖過程的外部沉降數(shù)值模擬結(jié)果如圖7與圖8所示，MC模型、HSS模型沉降變化與實測曲線趨勢一致，擬合程度較高，其中MC模型的沉降位移數(shù)值偏大，表示基坑開挖發(fā)生破壞位移量較大處的工況。HSS-1、HSS-2、HSS-3分別表示采用HSS本構(gòu)模型模擬淤泥土層開挖前后與基坑開挖結(jié)束后的沉降位移的變化，其中沉降位移總體隨離基坑邊的距離先增大后減小，呈開口向上的拋物線狀，MC模型開挖淤泥土層前后的位移變化量遠大于HSS模型。

圖7 沉降位移隨時間變化曲線

圖8 基坑外土體沉降位移變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 淤泥深基坑開挖過程的圍護結(jié)構(gòu)的水平位移由于支護結(jié)構(gòu)錨桿作用導(dǎo)致上部位移變形量減小，隨深度呈現(xiàn)“弓型”特征分布。沉降位移隨離基坑邊的距離增大呈開口向上的拋物線狀。

(2) 基坑開挖變形主要發(fā)生在淤泥層開挖階段，深厚淤泥土層基坑開挖過程常伴隨流泥現(xiàn)象。其中淤泥土層強度、頂部加載以及支護設(shè)計剛度為影響深厚淤泥土層基坑開挖過程變形量的大小的主要因素。

(3) HSS本構(gòu)模型相對于MC模型能較好地擬合深厚淤泥層的變形特征。