深基坑開挖過程中土體位移變化的模擬分析

羅慶林,王 松,朱永強(qiáng)

(淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,安徽 淮南 232038)

深基坑工程近些年來不斷增加,該工程主要包括基坑的開挖和基坑支護(hù)兩方面的內(nèi)容[1]。在基坑的開挖過程中會(huì)造成土體的位移,當(dāng)位移超過一定的幅度和增加速度時(shí),就會(huì)造成基坑坍塌。根據(jù)基坑的開挖深度對(duì)基坑劃分等級(jí)。一級(jí)基坑為基坑周圍有歷史文物或者重要管線以及開挖深度大于10m的基坑。二級(jí)基坑為7～10m的開挖深度。三級(jí)基坑是開挖深度小于7米或無特別需求的基坑。為了控制基坑變形和驗(yàn)證基坑開挖方案的可行性,需要對(duì)開挖過程中的基坑做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。如表1所示,一級(jí)基坑的地表豎向位移不超過3cm,周圍結(jié)構(gòu)的位移不能超過3cm和5cm;二級(jí)基坑地表豎向位移不超過6cm,周圍結(jié)構(gòu)的位移不能超過6cm和8cm;三級(jí)基坑地表豎向位移不超過8cm,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部及墻體最大位移分別不得超過8cm和10cm。

表1 基坑監(jiān)測(cè)位移的最大值

目前在這方面的研究比較多,宋辰辰利用MIDAS/GTS模擬了地鐵施工基坑有支護(hù)結(jié)構(gòu)的開挖過程,通過模擬得出基坑周邊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)其水平移動(dòng)速度,在剛開始的時(shí)候位移速度顯示是增加的趨勢(shì),隨后速度減慢并穩(wěn)定下來[2]。李明瑛,曾朋等對(duì)有樁錨結(jié)構(gòu)的深基坑進(jìn)行模擬分析,得到結(jié)論是由于主動(dòng)土壓力增大,造成支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿出現(xiàn)水平移位現(xiàn)象,并且水平位移不斷增加直至基坑內(nèi)的土壓力趨于穩(wěn)定后,支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿不再增加水平位移[3]。溫孟瑤,劉杰等先通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得基坑邊坡X方向和Y方向的水平位移量,再用模擬軟件分析,最終得到的模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)基本保持一致的結(jié)論[4]。

1 深基坑變形機(jī)理

除了在深挖基坑的過程中要保證安全、穩(wěn)定外,還要保證在開挖過程中,周圍已有的設(shè)施不能受該基坑開挖的影響。如果基坑開挖在土質(zhì)比較好的地方,比如硬塑黏土、軟巖等,那么基坑變形所帶來的周圍土層位移可以控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。反之,如果基坑開挖在地質(zhì)比較復(fù)雜的軟土地區(qū)時(shí),往往會(huì)帶來較大的基坑位移,這樣對(duì)附近設(shè)施都會(huì)造成較大的安全隱患。在基坑開挖方案設(shè)計(jì)上,由過去的主要控制強(qiáng)度向主要控制位移轉(zhuǎn)變,所以控制基坑的位移意義重大。

一般來說,基坑底部凸起主要是因?yàn)殚_挖時(shí)所造成的?？觾?nèi)土體和坑外土體形成位移高度差,再加上基坑邊坡堆放的建筑材料和機(jī)械所帶來的荷載,當(dāng)荷載超過一定限度時(shí)就會(huì)造成基坑周圍的土體向坑內(nèi)移動(dòng),產(chǎn)生了基坑底部土體豎向位移。其中坑底隆起最主要的特點(diǎn)就是在坑底中央位置隆起的高度最高,隨著開挖的停止,坑底的隆起的速度也將降低,并且隨著時(shí)間的流逝,坑底隆起將緩慢下降,轉(zhuǎn)而基坑坑底變?yōu)橹虚g低兩邊高的形狀。基坑的結(jié)構(gòu)變形主要在開挖時(shí),因?yàn)闇p少了上部荷載,由此造成基坑周圍兩側(cè)的壓差,破壞了原基坑的應(yīng)力場(chǎng)以及地下水等土體環(huán)境,使基坑土體產(chǎn)生位移,造成結(jié)構(gòu)發(fā)生變形?；铀闹芪灰浦饕且?yàn)榛釉陂_挖過程中土體減少,土體外側(cè)承受主動(dòng)土壓力,內(nèi)側(cè)承受被動(dòng)土壓力,造成基坑內(nèi)外側(cè)向壓力失衡,在開挖面以下的土體受被動(dòng)土壓力的影響向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移,使基坑四周出現(xiàn)位移變形。在深基坑的開挖過程中,由于土體的流變性,基坑暴露在坑底一段時(shí)間以后,基坑也會(huì)產(chǎn)生位移,以至于引起基坑表面土體的豎向位移,所以基坑在開挖完以后,如果不能及時(shí)地進(jìn)行基坑底部澆筑,那么土體的流動(dòng)性也會(huì)增加基坑內(nèi)的被動(dòng)土壓力,同樣會(huì)使坑外的土體向坑內(nèi)移動(dòng)以及地表豎向位移加大。另外如果地下水或者雨水進(jìn)入基坑內(nèi)并且沒有及時(shí)地排出,會(huì)降低土體強(qiáng)度,增加土體和周圍地層的位移[5-6]。

基坑變形產(chǎn)生的危害較大,可以通過加固基坑內(nèi)外的強(qiáng)度和剛度來進(jìn)行位移控制。在基坑外采取加固措施往往花費(fèi)較多的代價(jià)并且還要受到已有設(shè)施的影響,施工難度較大,所以一般情況不采用,而通過加強(qiáng)坑內(nèi)土體的強(qiáng)度和剛度以達(dá)到控制基坑變形是目前最合適的方法[6],比如在基坑內(nèi)加設(shè)鋼支撐或者基坑打樁以及基坑坑壁四周打入錨桿并灌漿的方式進(jìn)行基坑內(nèi)土體加固,達(dá)到了安全施工的目的。

2 工程概況

本工程為某地32層的高層建筑物,基坑開挖深度為9.6m,寬度為22.5m?；痈浇鼰o其他設(shè)施,并且不考慮地下水的影響。通過查閱相關(guān)地質(zhì)資料可知,地下土層分布情況及各層土物理力學(xué)性質(zhì),如表2所示。第一層雜填土厚度為2.6m,第二層淤泥質(zhì)土厚度為1.7m,第三層粉土厚度為5.3m。

表2 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.1 施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)測(cè)基坑中土體的水平和豎向位移的變化情況,需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的基坑布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),要考慮基坑周圍的設(shè)施和結(jié)構(gòu)。

(1)基坑周圍水平位移及沉降觀測(cè)

布置測(cè)點(diǎn)的目的是監(jiān)測(cè)基坑土體頂部的水平位移及垂直位移變形情況。在基坑頂部邊緣埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn),約15～30m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn),編號(hào)為W1至W11[7]。

(2)基坑底部沉降位移觀測(cè)

采用鉆孔置入法將監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在基坑的上部,本工程共設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為D1至D8,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移超過一定幅度,那么基坑開挖將不安全[8]。

2.2 監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)測(cè)時(shí)間從正式進(jìn)場(chǎng)后開始至地下結(jié)構(gòu)物達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高且回填土完成時(shí)結(jié)束。觀測(cè)周期、次數(shù)的確定根據(jù)不同基坑的土質(zhì)特點(diǎn)和施工支護(hù)情況而定,原則上各項(xiàng)目在基坑開挖前應(yīng)測(cè)量初始值且不少于3次[9];隨后依據(jù)不同的施工階段確定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)間隔的時(shí)間。支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖階段的變形情況每天測(cè)量一次[10];壓實(shí)或澆筑好底板后,每3天進(jìn)行一次測(cè)試,并可逐步延長。預(yù)計(jì)基坑監(jiān)測(cè)總次數(shù)約30次,監(jiān)測(cè)工期預(yù)計(jì)約3～4個(gè)月[11]。

2.3 應(yīng)急措施

在深基坑開挖的過程中,需要采取一些措施來保證基坑開挖的安全性,如在坡頂卸去一些荷載,以減少對(duì)基坑的擾動(dòng);也可以通過往裂縫處灌漿的方法來進(jìn)行加固;同時(shí)坡腳反壓土堆和砂包[9]以及修改支護(hù)方案等措施進(jìn)行加固[12]。

3 建立MIDAS模擬模型

首先按照地質(zhì)勘察資料將模型分為三層,第一層為雜填土,第二層為淤泥質(zhì)土,第三層為粉土。在建立模型時(shí),模型的長度和寬度為真實(shí)基坑的兩到三倍以上,高度為真實(shí)基坑的三倍以上,故模型寬度為70m,長度取90m?；娱_挖位于整個(gè)模型的正中央,邊界設(shè)定為自動(dòng)設(shè)置,荷載只受重力影響,如圖1所示。

圖1 基坑開挖邊界荷載示意圖

由于本次研究是模擬整個(gè)開挖過程,所以需要定義施工階段。第一階段為“原場(chǎng)地”激活開挖“雜填土”“淤泥質(zhì)土”“粉土”所有網(wǎng)格以及荷載和邊界條件。第二到第四階段依次鈍化各層開挖的土體,最后完成整個(gè)分析過程[13]。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果分析

整個(gè)通過MIDAS建立的模型在劃分網(wǎng)格時(shí),采用四面體劃分,并且在相應(yīng)位置設(shè)置約束。在整個(gè)模型中從基坑表面到坑底選取8個(gè)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象,通過節(jié)點(diǎn)的位移變化來研究深基坑在開挖過程中土體的位移規(guī)律。第一階段開挖到第三階段深基坑開挖顯示水平位移結(jié)果,如圖2-圖4所示。

圖2 第一階段基坑水平位移

圖3 第二階段基坑水平位移

圖4 第三階段基坑水平位移

4.1 深基坑開挖水平位移分析

(1)基坑第一階段開挖的最大水平位移為6.4mm,實(shí)測(cè)值7.5mm。第二階段的最大水平為11.40mm,實(shí)測(cè)值12.53mm。第三階段的水平位移為14.70mm,實(shí)測(cè)值15.62mm。如圖5所示。

圖5 不同階段開挖基坑最大位移

從數(shù)據(jù)上可以看出,隨著基坑的開挖,基坑中最大位移出現(xiàn)在基坑側(cè)壁位置,其中土體的水平最大位移隨著開挖階段在增大。這主要是由于土體不斷開挖,造成土體側(cè)向受力不平衡,土體通過移動(dòng)來達(dá)到新的平衡。在施工過程中可以使用錨桿以增加基坑結(jié)構(gòu)的安全性,為了增強(qiáng)效果可以選擇桿件強(qiáng)度較大或者澆筑強(qiáng)度較高的混凝土等方式來進(jìn)行加固。

(2)根據(jù)選取不同深度節(jié)點(diǎn)的位移情況,得出在深基坑開挖過程中,節(jié)點(diǎn)水平位移隨基坑深度不斷增加,并且增加的幅度也在加大,隨后位移增加相對(duì)減少,位移最大值發(fā)生在基坑側(cè)壁中下部,同時(shí)基坑監(jiān)測(cè)實(shí)際值和模擬值變化趨勢(shì)一致,如圖6所示。另外,基坑中某一個(gè)確定節(jié)點(diǎn)位移也會(huì)隨著開挖深度的增加而增大,如圖7所示。

圖6 不同深度基坑水平位移

圖7 同一節(jié)點(diǎn)不同深度的水平位移

4.2 深基坑開挖豎直位移分析

在深基坑開挖過程中,基坑會(huì)出現(xiàn)不同程度的豎向位移。第一階段最大豎向位移為58.15mm,實(shí)測(cè)值為60.12mm;第二階段最大位移為101.77mm,實(shí)測(cè)值110.58mm;第三階段最大位移為141.91mm,實(shí)測(cè)值為139.45mm,如圖8所示。隨著基坑被挖開,基坑內(nèi)出現(xiàn)的豎向位移也越來越大,并且基坑中豎向位移的最大值在基坑底部。

圖8 不同開挖階段基坑豎向位移

在開挖過程中,基坑底部會(huì)有凸起現(xiàn)象。主要是基坑上面的土體被挖開以后造成的,上部卸去了荷載,引發(fā)底部基坑土體反彈,同時(shí)基坑周邊的土體在自重作用下對(duì)土體進(jìn)行擠壓,從而在坑底產(chǎn)生隆起的現(xiàn)象。當(dāng)基坑開挖較淺時(shí),基坑隆起的最大位置在基坑底部,如圖9和圖10所示。

圖9 第一階段基坑豎向位移

圖10 第二階段基坑豎向位移

當(dāng)基坑繼續(xù)開挖,基坑隆起的最大位置逐漸由中間位置變?yōu)榛涌拥字醒雰蛇?最終變?yōu)橹虚g小兩邊大的形狀,如圖11所示。在開挖的第一到第三階段會(huì)在地表位置產(chǎn)生不同程度的豎向位移。離基坑較近的位置,地表產(chǎn)生的豎向位移較大;離基坑較遠(yuǎn)的位置,地表豎向位移很小。

圖11 第三階段基坑豎向位移

結(jié)語

(1)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬兩種方式,得出的結(jié)論近乎一致,可以證明結(jié)論的準(zhǔn)確性,同時(shí)也表明MIDAS模擬基坑開挖的可行性。

(2)在深基坑的開挖過程中,基坑中不同節(jié)點(diǎn)處,水平位移隨著開挖深度的增大而不斷增加,隨后位移增加相對(duì)減少,位移最大值發(fā)生在基坑側(cè)壁中下部;基坑中某個(gè)確定節(jié)點(diǎn)位移也會(huì)隨著開挖深度的增加而增大。

(3)基坑中出現(xiàn)的豎向位移隨著基坑開挖過程不斷增大,并且基坑中豎向位移的最大值在基坑底部。當(dāng)基坑繼續(xù)開挖,基坑豎向位移的最大位置逐漸由中間位置變?yōu)榛涌拥字醒雰蛇?最終變?yōu)橹虚g小兩邊大。另外,地表位置也會(huì)產(chǎn)生不同程度的豎向位移,離基坑較近的位置,地表產(chǎn)生的豎向位移較大;在基坑較遠(yuǎn)的位置,地表的豎向位移較小。

(4)研究過程中未考慮地下水以及基坑支護(hù)的影響,在后期的研究中,將會(huì)探討這些影響因素。