深基坑開挖引起臨近深層土體水平變形研究

趙 平,王占棋

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106)

近年來(lái)，隨著基坑工程向更深、更復(fù)雜地質(zhì)條件和更嚴(yán)峻施工環(huán)境不斷發(fā)展，基坑工程事故屢見不鮮。深入研究深基坑開挖變形影響對(duì)于基坑工程防災(zāi)減災(zāi)和促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義[1-2]?；娱_挖對(duì)環(huán)境的影響是巖土工程中的研究熱點(diǎn)，當(dāng)前深基坑設(shè)計(jì)理念以“變形控制”為重點(diǎn)[3]，許多學(xué)者在合肥地區(qū)針對(duì)深基坑開挖的相關(guān)問(wèn)題開展了研究。謝樂(lè)等[4]對(duì)合肥地區(qū)地鐵車站深基坑穩(wěn)定性開展了相關(guān)分析，研究了地鐵車站深基坑施工對(duì)周邊建筑物的影響。謝沃等[5]研究了合肥地區(qū)深基坑開挖對(duì)鄰近管線的影響規(guī)律，結(jié)果表明在基坑開挖過(guò)程中，管線出現(xiàn)向基坑側(cè)變形的趨勢(shì)。陳海微等[6]以合肥某地鐵車站基坑工程為依托，針對(duì)工程中的坑中坑的施工難點(diǎn)，提出一種坑中坑四角環(huán)形開挖的新型施工方案。劉偉楠等[7]以合肥市軌道交通某車站深基坑工程為研究對(duì)象，開展了半蓋挖車站深基坑工程的施工監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬。胡博健[8]以合肥市某一改造項(xiàng)目深基坑逆作法施工為研究背景，揭示了基坑在開挖過(guò)程中變形形態(tài)及規(guī)律。彭川等[9]針對(duì)合肥南站南廣場(chǎng)基坑開挖對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間影響開展了分析，同時(shí)探討了該項(xiàng)目基坑開挖對(duì)地鐵的影響。吳超[10]以合肥地鐵4號(hào)線創(chuàng)新大道站車站深基坑工程為研究背景，研究分析了基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形和地表沉降。朱榮軍等[11]對(duì)合肥地鐵1號(hào)線上部基坑開挖過(guò)程中隧道的位移進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同工況下隧道橫向和縱向變形。李俊麗等[12]結(jié)合合肥某基坑工程實(shí)例，運(yùn)用有限元軟件建立雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型,通過(guò)有限元分析，研究了開挖深度、排距、結(jié)構(gòu)形式等因素對(duì)雙排樁受力與變形的影響。

從既有研究可以看出，目前合肥地區(qū)關(guān)于深基坑開挖變形特性等方面的研究成果頗豐，但針對(duì)合肥地區(qū)臨近地鐵線路深基坑開挖引起臨近深層土體水平變形及其空間效應(yīng)的研究相對(duì)較少。鑒于此，研究在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以合肥地鐵2號(hào)線附近某基坑開挖工程為依托，通過(guò)建立三維數(shù)值模型，分析了深基坑在開挖支護(hù)過(guò)程中緊鄰?fù)馏w深層水平位移的發(fā)展規(guī)律，并把數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，論證模擬施工過(guò)程的合理性和可行性，該研究可為今后類似深基坑開挖及環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 工程概況

研究對(duì)象為合肥地鐵2號(hào)線附近某深基坑開挖工程，該基坑周邊交通繁忙，建筑物密集，基坑周邊有生活管線?；悠矫嫘螤顬榫匦?，基坑長(zhǎng)、寬分別為60 m、40 m，開挖深度為12 m。基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻和3道內(nèi)支撐組成，內(nèi)支撐直徑為800 mm，位置在距離地表以下-2 m、-6 m以及-9 m處，地下連續(xù)墻埋深為18 m，厚度為800 mm?；庸卜?次開挖，開挖深度分別為2 m、4 m、3 m、3 m。根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，簡(jiǎn)化后的土層為4層，從上部到下部依次為：雜填土(厚度6 m)，全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度6 m)，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度5 m)，中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度43 m)。具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)

2 建模與計(jì)算

2.1 基本假定

由于施工過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)工程條件比較復(fù)雜，為了便于計(jì)算，數(shù)值模型設(shè)計(jì)有必要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行一定簡(jiǎn)化[13]，研究基本假設(shè)如下：①土體為理想的彈塑性材料；②各層土體連續(xù)且均勻分布；③不考慮地下水對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響；④地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均為彈性體；⑤同一種材料為均質(zhì)、各向同性。

2.2 建立模型

參考劉健航等[14]研究成果，考慮工程實(shí)際情況，研究建立的整體三維模型長(zhǎng)(x)、寬(y)、高(z)分別為160 m、140 m、60 m，遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)基坑開挖影響范圍。邊界約束條件：地表為自由面，模型四周邊界均受到法向、水平向位移約束，模型底部設(shè)置x、y、z3個(gè)方向約束。模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示。模型中土體為3D實(shí)體單元，地下連續(xù)墻采用2D板單元，基坑內(nèi)支撐采用1D梁?jiǎn)卧Ｕw三維模型網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。數(shù)值模型共計(jì)182 665個(gè)單元，190 510個(gè)節(jié)點(diǎn)。該基坑周邊存在交通繁忙、建筑物密集等情況，在距基坑邊緣4 m范圍內(nèi)施加22 kPa大小的豎向均布荷載。

圖1 三維有限元模型 圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 模擬施工

基坑開挖過(guò)程施工工況具體內(nèi)容如表2所示。結(jié)合該基坑開挖變形的特點(diǎn)，選取有代表性的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究，本次主要側(cè)重研究位于基坑長(zhǎng)邊中部(JC1測(cè)點(diǎn))、基坑短邊中部(JC2測(cè)點(diǎn))及基坑端部坑角位置處(JC3測(cè)點(diǎn))不同深度土體水平變形規(guī)律，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

表2 基坑開挖工況具體內(nèi)容

工況內(nèi)容5開挖2,基坑開挖4m,同時(shí)設(shè)置第二道支撐6開挖3,基坑開挖3m,同時(shí)設(shè)置第三道支撐7開挖4,基坑開挖3m,基坑開挖至距離地表12m處

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

為了確?；庸こ淌┕さ陌踩斜匾獙?duì)該工程施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。依據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況制定了監(jiān)測(cè)方案，具體內(nèi)容：對(duì)基坑開挖過(guò)程中的深層土體水平位移監(jiān)測(cè)，共埋設(shè)了3根測(cè)斜管(分別位于JC1測(cè)點(diǎn)、JC2測(cè)點(diǎn)和JC3測(cè)點(diǎn))，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)選取的研究對(duì)象一致，測(cè)斜管的平面布置圖如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 各測(cè)點(diǎn)水平位移分析

基坑長(zhǎng)邊中部附近JC1測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖如圖3所示。由圖3可見，JC1測(cè)點(diǎn)的不同深度位置，其水平位移受基坑開挖的影響不同，同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)最大水平位移值出現(xiàn)的位置隨著開挖深度的增加而不斷下移，在開挖面附近達(dá)到最大值。此外，JC1測(cè)點(diǎn)在同一深度的水平位移也在隨著開挖深度的變化而不斷變化，且呈現(xiàn)出相似的規(guī)律性?？傮w來(lái)看，數(shù)值模擬結(jié)果表現(xiàn)為隨著基坑的開挖，JC1測(cè)點(diǎn)不同深度位置的水平位移變化呈現(xiàn)出“弓形”形態(tài)的規(guī)律。具體來(lái)看，基坑開挖至-2 m(開挖1)時(shí)，水平位移值較小，最大值約為4 mm，出現(xiàn)在深度為0的位置，且隨著深度的增加，水平位移值不斷減小，當(dāng)深度為18 m時(shí)，趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值接近0。這是因?yàn)殚_挖1為基坑開挖初期，土體開挖量較小，開挖形成的基坑內(nèi)外土壓力差值不大，基坑四周的土體變形較小，此時(shí)僅對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移產(chǎn)生較大影響，位移變化幅度較小?；娱_挖至-6 m(開挖2)時(shí)，水平位移發(fā)展明顯，且隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的“弓形”變形規(guī)律，最大水平位移值約為9.0 mm，最大值出現(xiàn)在深度為-6 m(開挖面)附近。同時(shí)，基坑開挖至-9 m(開挖3)時(shí)，最大水平位移值約為14 mm，出現(xiàn)在深度為-9 m附近。此外，基坑開挖至-12 m(開挖4)時(shí)，最大水平位移值約為18 mm，出現(xiàn)在深度為-12 m附近，最大水平位移小于報(bào)警值20 mm。通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，在基坑開挖過(guò)程中，鄰近土體水平位移對(duì)基坑開挖深度較敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，水平位移曲線呈弓形形態(tài)，最大水平位移發(fā)生在開挖面附近。此結(jié)論與徐中華[15]的研究結(jié)論一致。因基坑中部土體變形過(guò)大易產(chǎn)生破壞，故施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向的監(jiān)控與管線的保護(hù)。

圖3 JC1測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖 圖4 JC2測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖

基坑短邊中部附近JC2測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖如圖4所示。由圖4可見，基坑開挖在基坑短邊中間部位引起的水平位移變化規(guī)律與基坑長(zhǎng)邊中部附近JC1測(cè)點(diǎn)水平位移基本一致，限于篇幅，不再贅述。通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開挖工況相同時(shí)，同一深度情況下JC2測(cè)點(diǎn)水平位移比JC1測(cè)點(diǎn)水平位移略小。如：基坑開挖至-12 m時(shí)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)深度為12 m時(shí)，JC2測(cè)點(diǎn)水平位移約為13 mm，JC1測(cè)點(diǎn)水平位移約為18 mm。這是因?yàn)镴C1測(cè)點(diǎn)所在位置臨空開挖面更大，卸荷作用更加明顯，且存在一定的空間效應(yīng)。

坑角JC3測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖如圖5所示。由圖5可見，JC3測(cè)點(diǎn)水平位移變化規(guī)律與JC1、JC2測(cè)點(diǎn)基本一致。觀察易知，JC3測(cè)點(diǎn)水平位移最大值僅約為4.0 mm，出現(xiàn)在開挖4，測(cè)點(diǎn)深度為-12 m的位置，遠(yuǎn)小于JC1的18 mm和JC2的13 mm。這是由于JC3測(cè)點(diǎn)位于坑角位置，該部位兩個(gè)方向圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生相互的約束作用，從而降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)向側(cè)向產(chǎn)生水平變形的內(nèi)應(yīng)力，基坑的空間效應(yīng)更為明顯。此結(jié)論與俞建霖等[16]研究結(jié)論相一致。

圖5 JC3測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖 圖6 基坑開挖完成時(shí)各測(cè)點(diǎn)水平位移曲線圖

3.2 基坑開挖完成時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的位移對(duì)比分析

基坑開挖完成時(shí)3個(gè)測(cè)點(diǎn)(JC1、JC2與JC3)水平位移對(duì)比曲線圖如圖6所示。由圖6可見，在基坑開挖完成時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平位移值不同，最大水平位移值大小為JC1>JC2>JC3，位置均在開挖面附近，即深度為12 m處。由此可見，在深基坑開挖情況下，基坑長(zhǎng)邊中部位置受到的影響最大，基坑短邊中部受到的影響次之，而坑角處受影響最小。因此在工程施工中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注基坑開挖對(duì)長(zhǎng)邊中部附近的建筑或者管線造成的變形，并及早采取保護(hù)措施，以避免發(fā)生工程事故。

3.3 各測(cè)點(diǎn)最大水平位移隨工況變化對(duì)比分析

不同開挖步下測(cè)點(diǎn)最大水平位移對(duì)比圖如圖7所示。由圖7可見，隨著開挖深度的增加，不同測(cè)點(diǎn)的最大水平位移也在增加，且JC1測(cè)點(diǎn)與JC2測(cè)點(diǎn)最大水平位移值相對(duì)較大，JC3測(cè)點(diǎn)的最大水平位移值最小。具體來(lái)看，從開挖步1到開挖步4過(guò)程中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大水平位移在迅速增加。開挖步1時(shí)，JC1、JC2與JC3對(duì)應(yīng)的最大水平位移值分別為4.0 mm、3.7 mm以及1.5 mm；開挖步3時(shí)，JC1、JC2與JC3對(duì)應(yīng)的最大水平位移值分別為14 mm、11 mm以及2.8 mm；開挖步4時(shí)，JC1、JC2與JC3對(duì)應(yīng)的最大水平位移值分別為18 mm、12.9 mm以及3.9 mm。由此可見，土體側(cè)向變形對(duì)開挖深度敏感。因此，在基坑施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)基坑長(zhǎng)邊中間部位側(cè)向位移監(jiān)測(cè)，這對(duì)保障基坑工程的安全性起著重要作用。

圖7 不同開挖步下測(cè)點(diǎn)最大水平位移 圖8 基坑開挖完時(shí)數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

3.4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析

基坑開挖完成時(shí)(基坑開挖至地表以下12 m)JC1、JC2與JC3的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同深度水平位移數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比圖如圖8所示。由圖8可見，通過(guò)觀察對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果并不完全一致，但變化趨勢(shì)大致相似，反映出所建模型能夠很好地反映實(shí)際變形情況，可以為深基坑工程的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)，表明數(shù)值模擬技術(shù)在該地區(qū)深基坑開挖工程中的應(yīng)用可行。具體來(lái)看，數(shù)值模擬的最大值約為18 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大值約為18.5 mm，均小于報(bào)警值20 mm，最大水平位移均發(fā)生在開挖面附近位置。此外，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略大于模擬計(jì)算結(jié)果，這主要是由于建模時(shí)采取了許多簡(jiǎn)化假定，如：不考慮地下水對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，而實(shí)際基坑開挖支護(hù)的過(guò)程難免會(huì)受到降雨的影響，降雨導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低，土體重度增大，促使土體變形不斷增大，再加上該基坑周邊交通繁忙，基坑附近的車輛動(dòng)荷載也會(huì)對(duì)基坑鄰近土體的深層位移造成不利的影響，以及施工荷載對(duì)土體的擾動(dòng)等，這些均可導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大于模擬計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)論

通過(guò)建立三維有限元模型，重點(diǎn)分析了基坑開挖過(guò)程中緊鄰?fù)馏w深層水平位移發(fā)展規(guī)律，并將數(shù)值模擬結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下：

(1)鄰近土體水平位移對(duì)基坑開挖深度較敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，水平位移曲線呈“弓形”形態(tài)，最大水平位移區(qū)域隨著開挖深度的增加而逐漸下移，在開挖面附近達(dá)到最大值。基坑開挖設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“分層開挖”“快挖快支”等原則。

(2)基坑側(cè)壁土體水平位移具有明顯的空間效應(yīng)，基坑長(zhǎng)邊測(cè)點(diǎn)水平位移最大，短邊測(cè)點(diǎn)次之，坑角最小?；娱_挖施工期間應(yīng)更加注意加強(qiáng)基坑長(zhǎng)邊中間部位附近地下管線的保護(hù)。

(3)該深基坑開挖過(guò)程中施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬兩者數(shù)值并不完全一致，但變化規(guī)律大致相似，表明數(shù)值模擬技術(shù)在該地區(qū)深基坑開挖工程中的應(yīng)用可行，研究結(jié)論可為類似工程參考借鑒。