某房屋建筑基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)與地表變形影響的數(shù)值分析

■ 廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊 劉亞龍

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市流動人口數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致出現(xiàn)了嚴(yán)重的人口集中問題[1]-[4]。為緩解城市內(nèi)部的居住壓力，高層和超高層建筑與地下空間結(jié)構(gòu)的建設(shè)如火如荼。建筑深基坑是城市地下空間建設(shè)中的一個重要結(jié)構(gòu)，多處在城市人口相對密集的地段，其開挖施工過程會給周邊壞境及其支護(hù)結(jié)構(gòu)造成重要影響[5]。對深基坑施工過程中地層變形的控制，成為地下空間建設(shè)中的關(guān)鍵項目[6]。

在城市建筑基坑營建過程中，國內(nèi)外工程現(xiàn)場基坑坍塌等重大安全事故時有發(fā)生。很多學(xué)者對建筑深基坑的開挖特點以及對地層變形的影響開展了大量數(shù)值模擬研究，重點分析開挖工況對周圍地表變形的影響規(guī)律[7]。然而，不同地區(qū)地質(zhì)條件具有復(fù)雜性，基坑施工的工況也具有多變性，使當(dāng)前研究成果無法形成統(tǒng)一的規(guī)律[8]。因此，針對不同地層的建筑深基坑施工過程，應(yīng)當(dāng)開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，分析不同地質(zhì)特征、建模方法和施工工況對建設(shè)的影響，已成為指導(dǎo)相關(guān)地區(qū)基坑工程安全的重要工作[9]。軟土的特殊工程性能有較為明顯的不穩(wěn)定性，會對基坑的開挖建設(shè)形成較大阻礙[10]。因此，針對軟土地層的基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，并將其與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比具有重要現(xiàn)實意義。

目前，關(guān)于軟土地區(qū)基坑開挖施工對臨近地表沉降變形的數(shù)值模擬研究已經(jīng)取得了一系列的學(xué)術(shù)成果[11]-[12]，但是就基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析還較為罕見。為此，筆者利用數(shù)值模擬技術(shù)建立地鐵站開挖的數(shù)值模型，分析臨近地表與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，重點關(guān)注施工過程對地表沉降與支護(hù)連續(xù)墻側(cè)向位移的變化規(guī)律。

1.建模與分析方法

1.1 工程概況

該數(shù)值模擬研究基于某房屋建筑深基坑的實際工況,采用明挖法施工的工法?；又黧w結(jié)構(gòu)為地下二層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9m，小里程寬度為15.75m。地下結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（圍護(hù)樁、冠梁）按永久構(gòu)件設(shè)計，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照臨時構(gòu)件設(shè)計。按荷載效應(yīng)基本組合進(jìn)行承載能力計算時，重要性系數(shù)取γ=1.1，其他構(gòu)件取γ=1.0。

1.2 水文與地質(zhì)概況

經(jīng)過水文地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該基坑內(nèi)部共有2層地下水，包括上層滯水和承壓水。其中，上層滯水的含水層主要為軟土層，透水性一般，水位埋深為3.3m～4.2m，容易在基坑側(cè)壁形成滲水現(xiàn)象。承壓水的含水層主要為細(xì)砂，透水性較好。穩(wěn)定水位標(biāo)高為-16.3m，承壓水的水頭高度10m，位于基底以下，對基坑開挖過程無顯著影響，但對基礎(chǔ)樁施工有一定影響。

基坑核心范圍最大勘探深度為80m。按成因年代分為人工堆積層、一般第四紀(jì)新近沉積層、第四紀(jì)沖洪積層三大類。根據(jù)該場地的鉆探結(jié)果顯示，該地鐵站的地層剖面可以被簡化為素填土、軟土層以及細(xì)砂3層，其深度分別為2.5m、17.0m和46.5m。基坑的主體處于軟土中，依據(jù)不同土層的力學(xué)指標(biāo)推薦值進(jìn)行數(shù)值模擬計算。土體本構(gòu)模型選取為ABAQUS自帶的Mohr Coulomb模型，土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)模型參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型的材料參數(shù)匯總

1.3 模型的建立

采用ABAQUS軟件，進(jìn)行該深基坑的建模和計算。模擬前選取典型基坑截面，進(jìn)一步開展基坑開挖施工模擬，建立三維幾何模型。該基坑寬28m，深15.5m，采用連續(xù)墻支護(hù)形式，墻厚1.0m，第一排橫撐水平間距6.0m，第二、三、四排橫撐間距3.0m，墻高15.8m。為消除邊界條件對計算結(jié)果的影響，基坑外圍模型長度大于開挖深度的5倍，模型長80m，高30m，厚度方向為3m，第一排橫撐的彈性模量按照3m間距進(jìn)行等效折減?；舆吘墐蓚?cè)各有寬12m的35kPa均布超載。幾何模型的邊界條件為底部固定位移邊界，前后左右側(cè)面均為水平位移約束、垂直位移自由的邊界。網(wǎng)格劃分采用的土體單元為三維應(yīng)力單元C3D8，連續(xù)墻采用S4R單元模擬，基于ABAQUS的有限元計算幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 某建筑基坑的數(shù)值模型

2.數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 基坑開挖的數(shù)值模擬結(jié)果

圖2為基坑開挖完成、橫撐拆除后的土體合位移矢量圖，圖中的向量長度與位移大小相對應(yīng)。從圖2可以看出，基坑開挖面處的回彈模量在基坑中部最大，隨著開挖的進(jìn)行，基坑回彈量越來越大，開挖后續(xù)拆橫撐對坑底的隆起影響不大。在該房屋建筑深基坑的開挖過程中，重點關(guān)注開挖過程對支護(hù)連續(xù)墻側(cè)向水平位移與周邊地表沉降的影響。

圖2 基坑土體合位移矢量圖

圖3為施工過程中基坑外圍地表沉降分布圖，從圖3可以看出，基坑開挖對與基坑外圍25.0m范圍內(nèi)的地表位移有較大影響，基坑外圍18m左右范圍的地表沉降尤為顯著。當(dāng)?shù)谝弧⒍訖M撐拆除后，距基坑6.0m左右的位置沉降最大，第四層橫撐拆除后，最大沉降為12.8mm左右。

圖3 施工過程中基坑外圍地表沉降分布

圖4為施工過程中圍護(hù)排樁水平位移的變化情況。在第一層橫撐拆除前，連續(xù)墻在頂面處的水平位移基本為零，拆除第一層橫撐后，迅速增大為34.5mm左右，開挖面以上連續(xù)墻發(fā)揮主要承載作用，只在開挖面以上存在一個水平位移極值點，最后墻體水平位移峰值穩(wěn)定在基坑4.95m深度處，為39.4mm。

圖4 施工過程中連續(xù)墻側(cè)向位移分布

在開挖過程中，鄰近地表產(chǎn)生的變形量相對較小，沉降計算值處于厘米級范圍內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范的要求范圍內(nèi)。而施工過程中連續(xù)墻側(cè)向位移比地表沉降值略大。此外，隨著地層深度的增加，連續(xù)墻的受力與變形逐漸增大，極值出現(xiàn)在7m~8m的深度范圍內(nèi)，并且在內(nèi)支撐設(shè)置處樁身剪力分布出現(xiàn)突變。其主要原因在于：基坑中下段第一道支撐與第二道支撐之間的距離相對較大，地基的土層主要為軟土層，承載能力較差，當(dāng)該基坑開挖至軟土層時，地下連續(xù)墻后的土層產(chǎn)生了較大的主動土壓力，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體變形不利。

2.2 模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比

該建筑基坑在開挖過程中，選取了基坑附近的4個地表沉降點進(jìn)行進(jìn)行實時監(jiān)測，并獲得了樁體水平位移的監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。圖5為各測點的地表沉降監(jiān)測值隨時間的變化，圖6為各測點的樁體水平位移監(jiān)測曲線?；谟邢拊獢?shù)值計算的結(jié)果為基坑附近最大沉降26.4mm，支護(hù)樁墻水平最大位移為39.4mm。而監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的最大沉降值為27.5mm，支護(hù)樁墻水平最大位移為36.2mm。

圖5 沉降監(jiān)測曲線

圖6 樁體水平位移監(jiān)測曲線

根據(jù)模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)基坑開挖過程中的地表變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移值的量級都在厘米級別，基本滿足施工的安全性要求。此外，從數(shù)值模擬和監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果的對比中可以看出，樁體水平變形與基坑附近地表的實際變形量均可以有數(shù)值模擬分析得到很好的反應(yīng)。因此，基于有限元數(shù)值模擬方法，能夠基本反映該地區(qū)房屋建筑深基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與地表變形的發(fā)展趨勢和分布特點。

3.結(jié)論

本研究通過對某房屋建筑深基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)該基坑開挖對鄰近地表和支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響相對較小，位移值均處于相關(guān)規(guī)范的要求范圍內(nèi)。通過對數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在一定差異，但是差異性較小，說明數(shù)值模擬能夠基本反映該地區(qū)房屋建筑深基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)與地表變形的發(fā)展趨勢和分布特點。