基坑開挖土體位移變化實(shí)測與數(shù)值模擬分析

鄒升偉

(南京市江寧區(qū)交通運(yùn)輸局，南京 211100)

對于城市中心的基坑工程，完好保護(hù)地面建筑物、地下構(gòu)筑物及周邊環(huán)境，逐漸成為設(shè)計(jì)和施工的主要控制因素，應(yīng)使基坑工程施工對環(huán)境影響控制在允許范圍內(nèi)[1]。研究并總結(jié)土體位移傳遞規(guī)律，能夠有效地對基坑工程進(jìn)行變形控制[2]。

基坑開挖時由于開挖卸荷導(dǎo)致坑底土體隆起引發(fā)周邊地層移動，也導(dǎo)致圍護(hù)墻在外側(cè)水土壓力的作用下產(chǎn)生水平位移。隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，高差達(dá)到一定程度造成的加載和地面超載作用，會使墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動，同時引起較明顯的地面沉降[3]。當(dāng)前針對墻后地面以下土層的位移研究還僅限于規(guī)律性的探討,如Blackburn等[4]、Wang等[5]對基坑周邊土體位移場變化所做的研究?；娱_挖引發(fā)的四周地層變形，從基坑周邊起逐步向外傳遞，存在一個位移傳遞路徑以及漸變[6]的過程。當(dāng)基坑鄰近地面建筑物時，會導(dǎo)致建筑物面向基坑傾斜[7]；當(dāng)基坑鄰近剛度較大的地下構(gòu)筑物時，基坑開挖引發(fā)的周邊土層變形的位移場傳遞會表現(xiàn)出與正常基坑位移場的差別及突變過程。鑒于西安市南門廣場市政下穿隧道基坑工程東臨城墻、西臨地鐵車站開挖工程，結(jié)合本工程實(shí)測數(shù)據(jù)及有限元數(shù)值模擬，對比基坑?xùn)|、西位移場的差異，研究其位移傳遞規(guī)律。

1 工程概況

西安市南門廣場市政下穿隧道基坑長為118.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為20.4 m，最大深度為9.2 m。距離基坑西側(cè)6.4 m處為地鐵2號線永寧門站開挖工程點(diǎn)。距離基坑?xùn)|側(cè)11.7 m處為西安城墻?；优c地鐵車站及城墻的平面布置如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵車站及城墻的平面布置

該基坑采用半逆作法施工，坑周澆筑地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)設(shè)3道豎向鋼支撐。以基坑某軸施工為參考，工況一于2014年3月8日開始圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻施工，于2014年4月28日完工；工況二于2014年 5月8日—5月21日開挖至-2 m處，于-1.5 m處設(shè)置第一道鋼支撐；工況三于2014年5月28日—6月9日開挖至-4.5 m處，于-4 m處設(shè)置第二道鋼支撐；工況四于2014年6月15日—6月22日開挖至-7 m處，于-6.5 m處設(shè)置第三道鋼支撐；工況五于2014年6月28日—7月6日開挖至基底并完成底板澆筑?；娱_挖與地鐵車站及城墻的立面示意如圖2所示。

圖2 基坑開挖與地鐵車站及城墻的立面示意(單位：m)

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 東側(cè)城墻位移

以該基坑工程8～9軸施工為依據(jù)，分析各工況施工過程中基坑?xùn)|側(cè)城墻的整體位移變形，基坑施工階段城墻沉降如圖3所示。DJC1～DJC4分別為由西向東布設(shè)于城墻頂端的監(jiān)測點(diǎn)，假定初始狀態(tài)頂端位置為0.0 mm。由圖3可知，工況一施工階段城墻整體上升，西側(cè)上升了0.3 mm，東側(cè)上升了0.1 mm，剛開始呈現(xiàn)出背向基坑傾斜的趨勢；工況二施工階段城墻發(fā)生下沉，西側(cè)下沉至-0.4 mm，東側(cè)下沉至-0.2 mm，與開始階段不同，此時呈現(xiàn)出面向基坑傾斜的趨勢；工況三施工階段城墻繼續(xù)下沉，在工況二的基礎(chǔ)上，西側(cè)又下沉了0.5 mm，東側(cè)又下沉了0.2 mm，面向基坑傾斜趨勢增大；工況四施工階段西側(cè)進(jìn)一步下沉至-1.4 mm，東側(cè)進(jìn)一步下沉至-0.7 mm；工況五施工階段至底板完工，面向基坑傾斜趨勢更為明顯，城墻西側(cè)累計(jì)下沉了-2.4 mm，東側(cè)累計(jì)下沉了-1.1 mm。

圖3 基坑施工階段城墻沉降

2.2 西側(cè)地鐵車站位移

同樣以8～9軸施工為依據(jù)，基坑施工階段車站底板變形如圖4所示。XJC1～XJC4分別是由西向東布設(shè)于西側(cè)隧道底板、西側(cè)立柱、東側(cè)立柱、東側(cè)隧道底板上的監(jiān)測點(diǎn)，假定初始狀態(tài)底板位置為0.0 mm。由圖4可知，工況一施工階段西側(cè)隧道抬升至0.2 mm，東側(cè)隧道抬升至0.7 mm，車站結(jié)構(gòu)整體抬升，剛開始同樣呈現(xiàn)出背向基坑傾斜的趨勢；工況二施工階段，與城墻不同，地鐵車站背向基坑傾斜的趨勢更加明顯，在工況一的基礎(chǔ)上西側(cè)隧道下降了0.8 mm，東側(cè)隧道抬升了1.2 mm；工況三、工況四和工況五施工階段，車站結(jié)構(gòu)背向基坑傾斜趨勢持續(xù)增大，直至施工完成，西側(cè)隧道累計(jì)下降至-1.7 mm，東側(cè)隧道累計(jì)抬升至2.9 mm。

圖4 基坑施工階段車站底板變形

通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析，基坑開挖過程中東側(cè)地面城墻呈整體面向基坑傾斜趨勢，而西側(cè)地鐵車站呈背向基坑傾斜趨勢。鑒于該情況，采用有限元數(shù)值模擬分析基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，通過與實(shí)測對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性，從而進(jìn)一步探討基坑開挖過程中土體位移場的變化。

3 數(shù)值模擬分析

通過對基坑?xùn)|西兩側(cè)位移場和應(yīng)力場的變化比較，運(yùn)用MIDAS GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從中尋找復(fù)雜環(huán)境下位移場的分布特征，進(jìn)而確定基坑開挖過程中土體位移傳遞規(guī)律。為使數(shù)值模擬效果貼近真實(shí)開挖過程，采用分步開挖、分步支護(hù)和分步加卸載的方式。

3.1 計(jì)算模型

采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬[8]分析，計(jì)算基坑開挖過程中土體位移場的變化。分析過程中，土體介質(zhì)假設(shè)為非線性彈塑性介質(zhì)材料，土體破壞準(zhǔn)則采用彈塑性摩爾-庫倫模型準(zhǔn)則。

對于地鐵車站、城墻及地下連續(xù)墻材料，因其彈性模量遠(yuǎn)大于土體，所以都按彈性受力狀況來考慮，對結(jié)構(gòu)材料采用彈性梁單元模擬。由于模擬中計(jì)算參數(shù)的選定是進(jìn)行數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵，為了能夠最大限度反映各介質(zhì)的性質(zhì)，對于土體參數(shù)的選取結(jié)合了西安市南門區(qū)域的巖土工程勘察報告和MIDAS巖土土體參數(shù)的材料庫，各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。地下連續(xù)墻的參數(shù)選取：彈性模量E=3×104MPa，厚度D=600 mm。支撐的參數(shù)選取：彈性模量E=2×105MPa，截面A=4.9×10-3m2，截面慣性矩I=1.2×10-3MPa,預(yù)應(yīng)力P=250 kN。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

模型建立中，地鐵車站、城墻及地下連續(xù)墻采用二維梁單元，支撐結(jié)構(gòu)采用一維梁單元。土體采用軟件自帶的修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，采用4節(jié)點(diǎn)平面單元,將模型中除古土壤層外其余土層都設(shè)置為陜西典型的④-1黃土層。同時通過模型試算將表1中的②-1黃土層和②-2黃土層對基坑及周邊環(huán)境的影響作用簡化為厚度不變的④-1黃土層,二者對基坑及周邊環(huán)境影響相同(不贅述具體的試算簡化過程)。通過設(shè)置和調(diào)整，對比分析實(shí)測數(shù)據(jù)，除基坑底部模擬值較實(shí)測值偏大較多以外，其余數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果較吻合。對于邊界約束的設(shè)置，左右兩側(cè)設(shè)為水平約束，下部設(shè)為豎向約束，上部設(shè)為自由邊界。MIDAS網(wǎng)格如圖5所示，整體看作平面應(yīng)變問題，采取分步開挖和分步支護(hù)來模擬整個施工過程。

圖5 MIDAS網(wǎng)格

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 模擬與實(shí)測結(jié)果對比分析

通過對比分析模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)，判斷模擬中的各計(jì)算參數(shù)選取是否合理，模擬是否能在一定程度上反映實(shí)際情況，從而用于研究位移傳遞規(guī)律。

城墻沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比如圖6所示，由圖6可知，基坑開挖后城墻沉降的數(shù)值模擬計(jì)算曲線與實(shí)際監(jiān)測曲線形狀一致，且隨著開挖深度的增加，兩曲線形狀始終保持基本一致，只是斜率略有差異。

圖6 城墻沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

車站底板變形數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比如圖7所示，由圖7可知，兩曲線形狀比較一致，但不同工況下的模擬值都大于實(shí)測值，通過參數(shù)分析并結(jié)合施工現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)榫嗷游鱾?cè)5 m左右有大型施工設(shè)備經(jīng)常碾壓及臨時建筑材料堆放，導(dǎo)致該部分土體長期承受地表重壓。

圖7 車站底板變形數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果總體較吻合，表明模擬中的計(jì)算參數(shù)選取相對合理，模擬能夠較清晰地反映實(shí)際，也說明后續(xù)的位移傳遞規(guī)律具有研究價值。

3.2.2 基坑?xùn)|西兩側(cè)位移場影響機(jī)制分析

由MIDAS GTS二維數(shù)值模擬的位移場可以看出，東西兩側(cè)的位移場有很大不同。東側(cè)坑周地面下沉，地面建筑物面向基坑傾斜，而西側(cè)坑周地面有少許上抬，地下結(jié)構(gòu)背向基坑傾斜。這表明地下結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致位移場變化，基坑開挖打破了原有的土體內(nèi)力平衡，從而使土體產(chǎn)生位移。東側(cè)的位移是產(chǎn)生后向坑周發(fā)展，并逐步向坑外傳遞的連續(xù)過程，因此地面結(jié)構(gòu)面向基坑傾斜。而西側(cè)位移傳遞到地下結(jié)構(gòu)時，由于結(jié)構(gòu)剛度較大，土體位移的連續(xù)傳遞被中斷，但結(jié)構(gòu)下部的土體位移傳遞卻在繼續(xù)。因?yàn)榱Φ南嗷プ饔茫馏w對結(jié)構(gòu)物有影響，結(jié)構(gòu)物也必然反作用于鄰近土體，相當(dāng)于屏障起遮攔作用，甚至使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后需要補(bǔ)充的土也減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物與基坑間的土體向上位移。另外，地下結(jié)構(gòu)與周邊土體的剪切力作用同樣帶動土體向上，最終導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)背向基坑傾斜。

3.2.3 臨界深度分析

受基坑開挖的影響，土體變形從基坑向外擴(kuò)展進(jìn)行土體的位移傳遞，傳遞過程中車站底板整體抬升，以遠(yuǎn)離基坑那一邊的車站底部為轉(zhuǎn)動支點(diǎn)，隨著基坑開挖深度的增加，繼續(xù)上抬，導(dǎo)致地鐵車站背向基坑傾斜。但隨著開挖深度進(jìn)一步加深，土體位移場再次發(fā)生變化，此時存在一個臨界深度，超過臨界深度后，地下車站由背向基坑傾斜變成面向基坑傾斜。車站底板臨界深度變形曲線如圖8所示，運(yùn)用模擬軟件增加模擬開挖深度，由圖8可知，當(dāng)開挖深度達(dá)到-13.2 m時，位移場已經(jīng)發(fā)生明顯變化，當(dāng)開挖深度達(dá)到-14.2 m時，地鐵車站呈面向基坑傾斜，由此判斷位移場發(fā)生突變的臨界深度應(yīng)該為基坑開挖至地鐵車站深度的1.5倍左右。此基坑開挖臨界深度的進(jìn)一步精準(zhǔn)確立與驗(yàn)證，還須深入的理論模擬和模型試驗(yàn)研究，這對于復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際基坑工程有著關(guān)鍵作用。

圖8 車站底板臨界深度變形曲線

4 結(jié)論

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果說明地下結(jié)構(gòu)對基坑開挖過程中的土體位移場起阻斷和遮攔作用，會導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)背向基坑傾斜。

(2)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，存在一個臨界深度，基坑開挖至此深度時位移場發(fā)生突變，地下結(jié)構(gòu)由背向基坑傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚧觾A斜。