鋼板樁支護基坑周圍海相軟土變形特征分析★

譚 貴

(中山翠亨新區(qū)工程項目建設事務中心,廣東 中山 528437)

0 引言

隨著國家的高速發(fā)展,基礎建設推進得十分迅速,與日俱增的工程建筑給空間利用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為充分利用地下空間,綜合管廊在國內逐步得到推廣與建設。地下綜合管廊的工程建設難度與地層地質條件息息相關。在沿海地區(qū),海相軟土地層分布廣泛,由于工程性質較差,海相軟土是地基處理過程中需要重點處理和研究的對象。

軟土地基目前存在許多處理方式,海相軟土地層在綜合管廊基坑工程開展作用下的變形特征分析對相關控制技術的研究具有指導作用,對綜合管廊在軟土地區(qū)的建設發(fā)展具有重要意義。

近年來,學者們針對軟土區(qū)基坑建設展開了不少研究。鄭剛[1]分析了基坑施工全過程各階段的變形特征、機理以及對環(huán)境的影響,將基坑變形及其對環(huán)境影響的控制劃分為“基于基坑支護體系的變形控制”和“基于鄰近基坑保護對象的變形控制”兩類方法;黃劍等[2]在工程設計和施工中,采取有效措施解決了深厚淤泥場地中長線形地下工程的沉降控制問題,驗證了結構和基礎方案的合理性。宋許根[3]通過對廣州南沙某基坑進行理論計算和數值模擬,結合對監(jiān)測資料的詳細分析,探討了廣州南沙某深厚軟土區(qū)綜合管廊基坑破壞發(fā)生的成因和變形特征;陳永華[4]基于工程實例,建立了三維有限元模型,對施工過程中各施工步的基坑沉降與支護結構的內力進行了分析,為海相軟土地層綜合管廊在鋼板樁支護體系下施工提供了參考。吳晨[5]通過有限元數值分析軟件Midas GTS對跨泗河城市綜合管廊深基坑工程進行建模,并分別對該城市綜合管廊深基坑支護結構、周邊土體的應力場和位移場進行分析,對深基坑的穩(wěn)定性進行驗證;張海松等[6]采用FLAC3D軟件模擬深基坑開挖支護結構數值,結合該地鐵施工區(qū)域的實際土質情況,完成深基坑開挖支護結構的數值模擬分析,為實際施工工況提供指導參考;姚丙生[7]采用MIDAS數值軟件進行深基坑開挖支護數值模擬,結合地表監(jiān)測數據與數值模擬結果進行了對比分析,得到了深基坑開挖地表范圍內地層的沉降變形特征。

目前,在綜合管廊深基坑建設工程中鋼板樁支護得到了廣泛的應用。但在鋼板樁支護體系下海相軟土地層變形的作用機理、變形特征、理論計算分析仍缺乏系統性的研究。本文結合中山馬鞍島地下綜合管廊工程,采用Midas GTS NX數值模擬軟件對鋼板樁支護體系下海相軟土地區(qū)綜合管廊基坑建設各施工步進行模擬計算。對鋼板樁支護體系下海相軟土地層變形特征進行分析,為相關工程提供經驗參考。

1 海相軟土地層綜合管廊工程概況

1.1 工程概況

本文所依托中山市馬鞍島地下綜合管廊工程位于科學城片區(qū),屬市政路網建設工程。該項目處于富含淤泥土的淺海灣地區(qū),位于珠江口西部。

分析段取建設線路中寧靜路段,該段地下綜合管廊總長1.403 2 km,地下綜合管廊尺寸為5.4 m×3.3 m。

地下綜合管廊采取18SP-IV鋼板樁進行支護,在其間施加兩道鋼管作為內支撐,鋼管尺寸為:直徑609.0 mm,厚度14.0 mm。三腳架連接腰梁,施作于基坑底部位置作為鋼板樁支護體系,以此加固內支撐鋼管的穩(wěn)定。分析段地下綜合管廊基坑普遍開挖至7.0 m左右,基坑寬度為5.4 m～5.8 m。本文基于實際情況對基坑結構進行了部分簡化,基坑具體布設如圖1所示。

1.2 地質概況

涉及工程中地層主要包含素填土、淤泥土和粉質黏土以及相關復合地層,各地層和基坑結構布設對應位置如圖1所示。

各地層描述如下:

素填土:由碎石、黏土組成,包含少量塊石,粒徑分布為0.45 cm～0.55 cm。淤泥質土層厚2.36 m～33.56 m不等,易壓縮,含水率高,呈流塑狀態(tài)。碎石塊主要由混凝土土塊、花崗巖塊等組成,棱狀,厚度1.56 m～15.89 m。

淤泥土:呈黑色、灰黑色,工程性質差,高壓縮性,含有生物碎屑,厚度1.23 m～33.12 m。

粉質黏土:呈褐黃色,含水較高,飽和,主要包含長石、石英等礦物,厚度0.53 m～15.55 m。

全風化花崗巖:呈白色略帶灰色,巖石風化程度較高,礦物結構發(fā)生破壞,組成礦物中云母幾乎完全風化,主要包含長石、石英等礦物,工程性質一般,極易發(fā)生破碎,厚度0.56 m～8.23 m。

2 理論計算與分析模型

2.1 Peck經驗公式

Peck分析了大量的實測地表沉降數據后提出地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線,目前地層沉降預測主要采用Peck法進行預測,Peck法計算公式見式(1)—式(3):

(1)

(2)

(3)

其中,s(x)為地表沉降量,m;σmax為地表沉降最大值,m;V為單位長度地層損失值,m3/m;i為地表沉降槽的寬度系數值,m。

2.2 GTS NX模型概況

文中采用Midas GTS NX有限元分析軟件對地下綜合管廊基坑開挖施工進行數值計算。

2.2.1 模型概況

建模過程中考慮到整體實際工程路線較長,故根據實際施工分段截取一段進行數值建模分析,分段兩側支護采取整體綜合管廊首尾的支護方法進行模型構建。對實際地層情況進行簡化,各地層厚度及物理力學參數如表1所示。

表1 巖土參數取值

如圖2所示,模型尺寸為150 m×65 m×20 m。對模型四周水平方向采用單向位移約束,模型底部采用水平、豎向以及旋轉約束。模型采用的是摩爾庫侖模型,基坑尺寸為50.0 m×5.60 m,在基坑-0.60 m,-4.10 m分別設置一道鋼管支撐,支護結構的參數取值如表2所示。

表2 支護結構基本屬性

2.2.2 施工步驟

根據實際施工工況,該地下綜合管廊的具體施工步驟設計如表3所示。

表3 施工步驟設計

3 結果分析

3.1 模型沉降計算

該節(jié)主要針對兩次基坑開挖后軟土地層變形特征進行分析,第一次內支撐施作、基坑開挖施工后周邊地層TX水平橫向變形如圖3(a)所示,周邊地層TY水平橫向變形如圖3(b)所示,豎向變形見圖3(c);第二次內支撐施作、基坑開挖施工后周邊地層TX水平橫向變形如圖4(a)所示,周邊地層TY水平橫向變形如圖4(b)所示,豎向變形見圖4(c)。

由圖3,圖4可知,在第一次基坑開挖完成后,基坑四周土體最大水平變形位移為3.387 mm,出現在地表,基坑四周土體,豎向最大沉降值為5.054 mm?？涌趦蓚韧馏w呈現出向坑內位移的趨勢,隨著距離坑口越遠,沉降值越小,坑底存在卸荷隆起效應。第二次基坑開挖完成后,基坑最大水平位移變形值增加至4.593 mm,周邊地層豎向最大位移值增加至9.923 mm。

3.2 數值結果分析

圖5展示了在不同施工步下基坑周邊地層水平位移隨著距基坑遠近的變化趨勢數值計算結果和地層水平位移實際測量值之間的擬合關系。從圖5中可以看出,在各個施工步下,隨著土層與基坑間的距離逐步增加,地層水平位移發(fā)生了顯著減小,水平位移減小速率與土層距坑口的距離成反比關系,隨著距離的增加,減小速率逐漸減小,最后趨于平緩。在基坑前后兩次開挖過程中,實際測量得到第一次基坑開挖引起最大水平位移變形值為3.153 mm,第二次基坑開挖完成后最大水平位移達到4.258 mm,最大水平位移相對增加了1.105 mm,數值計算結果表明:第一次基坑開挖引起最大水平位移變形值為3.387 mm,第二次基坑開挖完成后最大水平位移達到4.593 mm,最大水平位移相對增加了1.206 mm,數值計算結果和實際測量值擬合良好,說明鋼板樁支護體系很大程度上限制了海相軟土的地層變形,工程安全性良好。

圖6描繪了不同施工步下基坑周邊地層豎向變形隨著距基坑距離遠近的變化趨勢數值計算結果和地層豎向位移實際測量值之間的擬合關系?？梢缘玫?隨著地層距基坑距離的逐漸增加,其沉降量逐漸減小,在前后兩次基坑開挖施工中,地層沉降量最大值由4.513 mm增加至9.113 mm,數值計算結果顯示地層沉降量由5.054 mm增加至9.923 mm,數值計算結果和實際測量值擬合較好。相對于地層的水平位移值變化更明顯,變形滿足控制要求。

從圖7可以看出,基坑開挖至-4.10 m時,基坑周邊地層沉降量和坑口距離呈正態(tài)分布曲線關系,根據Peck經驗公式計算出最大沉降量出現在坑口附近,值為4.503 mm,隨著距離坑口越遠,地層沉降量越小,距離坑口15 m處地層沉降量接近為零,Midas GTS NX數值模擬結果得到了和Peck法相類似的結果,其最大沉降量為5.054 mm,沉降量隨距離坑口變化趨勢和Peck法幾乎一致。

與此類似的,如圖8所示,當基坑開挖完成時,基坑周邊地層沉降量和坑口距離呈正態(tài)分布曲線關系,根據Peck經驗公式計算出最大沉降量為9.056 mm,數值模擬結果為9.923 mm。數值結果和Peck法擬合較好。

4 結論

本文結合中山馬鞍島地下綜合管廊工程,采用Midas GTS NX數值模擬軟件對鋼板樁支護體系下海相軟土地區(qū)綜合管廊基坑建設各施工步進行模擬計算,對鋼板樁支護體系下海相軟土地層變形特征進行了分析,得出以下結論:

1)在海相軟土地區(qū)地下綜合管廊基坑工程中采用了鋼板樁支護體系,通過數值計算,得到每個施工步完成后,地層最大變形值均小于10.0 mm,滿足規(guī)范設計要求,安全性良好,說明了鋼板樁支護體系在該工程中起到了重要作用。

2)分析了不同施工步下基坑周邊地層水平和豎向位移隨其距基坑距離的變化趨勢,在基坑前后兩次開挖過程中,第一次基坑開挖引起最大水平位移變形值3.153 mm,第二次基坑開挖完成后最大水平位移達到4.258 mm,最大水平位移相對增加了1.105 mm,在前后兩次基坑開挖施工中,地層沉降量最大值由4.513 mm增加至9.113 m,相對于地層的水平位移值變化更明顯,說明鋼板樁支護體系很大程度上限制了海相軟土地層的水平變形,工程安全性良好。

3)通過Midas GTS NX數值軟件計算得到基坑先后兩次開挖工況下地層水平位移和豎向位移,將計算結果和實際測量結果進行了對比,計算結果和實測結果擬合較好,證明了數值計算結果的可靠性。

4)基坑先后兩次開挖后,通過將Midas GTS NX軟件模擬的數值結果與Peck法所得結果進行擬合對比,計算結果擬合度高,得到了基坑周邊地層沉降量和坑口距離之間的正態(tài)分布關系曲線,為相關工程提供了可靠經驗。