濱海含淤泥層深基坑的變形分析及超載作用影響

周洪濤

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 引 言

在我國南方濱海地區(qū)，大量海相淤泥場地通過吹填、預(yù)壓及填土處理成為建設(shè)用地，以滿足日益增長的城市用地需求。在建設(shè)過程中，需要在含淤泥層的場地上進(jìn)行基坑開挖，地鐵車站深基坑即為其中的典型代表。由于淤泥的性質(zhì)較一般的濱海軟土場地更為惡劣，因此，給基坑的開挖帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

當(dāng)前研究中，針對(duì)深厚軟黏土基坑已經(jīng)有較多報(bào)道[1，2]。同時(shí)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式[2～6]、支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力[7]、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形形式[8，9]也有較為深入地探討。就變形特征而言，懸臂式支擋結(jié)構(gòu)的位移自下而上逐漸增大；對(duì)于支撐式擋土結(jié)構(gòu)，位移-深度曲線呈弓形，在開挖面附近有最大位移[7]。當(dāng)前研究中還包括深厚軟土區(qū)深基坑開挖中的坑底卸荷回彈、坑外土體沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及嵌固深度等方面的討論。但在含有相對(duì)較薄、極軟淤泥層的深基坑開挖中，淤泥層的存在對(duì)基坑變形的影響以及潛在風(fēng)險(xiǎn)尚未有深入理解。

本研究結(jié)合深圳地區(qū)含淤泥層深基坑的開挖工程案例，通過分析實(shí)測變形規(guī)律和有限元數(shù)值模擬，進(jìn)一步理解其變形機(jī)理，以期為未來該類型工程實(shí)踐提供必要的參考。

2 工程實(shí)例

本研究擬結(jié)合深圳地鐵前海灣站工程實(shí)例進(jìn)行基坑變形實(shí)測數(shù)據(jù)分析，并開展數(shù)值模擬，研究變形發(fā)展的機(jī)理。

2.1 工程概況

前海灣站的地鐵1號(hào)線和5號(hào)線的換乘車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖順筑法施工。1號(hào)線和5號(hào)線的結(jié)構(gòu)斷面形式均為雙層雙柱三跨鋼筋混凝土矩形框架。本研究針對(duì)明挖法基坑的設(shè)計(jì)寬度為 19.10 m，深度為 15.5 m，維護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為 1 000 mm、中心距為 800 mm的鉆孔咬合樁，樁長 20.5 m。

2.2 地質(zhì)條件

由表1可見，在6 m厚的填土下方，存在厚 3.5 m的淤泥層。淤泥層的基本性狀為灰黑色、流塑狀、含有機(jī)質(zhì)及貝殼碎片，有臭味，具高壓縮性，其微觀形貌如圖1所示。該淤泥層前期經(jīng)過一定的堆載預(yù)壓處理，但仍然非常軟弱。

圖1 淤泥微觀形貌

2.3 基坑開挖支護(hù)步驟

開挖支護(hù)分4個(gè)步驟進(jìn)行：第一步為基坑開挖至 -3.0 m(地表為 +0.0 m)的位置，在 -3.0 m處設(shè)置第1層鋼支撐；第二步為基坑開挖至 -7.5 m的位置，在 -6.5 m處設(shè)置第2層鋼支撐；第三步為基坑開挖至 -12.5 m的位置，在 -11.5 m處設(shè)置第3層鋼支撐；第四步為基坑開挖至 -15.5 m處。

2.4 基坑變形監(jiān)測點(diǎn)

該基坑的變形監(jiān)測布點(diǎn)如圖2所示。位移測點(diǎn)距基坑邊緣的距離分別為 2 m、10 m、和 20 m。

圖2 變形監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2.5 超載作用

基坑邊緣的超載作用主要是由施工車輛荷載引起的，其作用位置距基坑邊緣 3 m、寬度為 3 m，作用時(shí)間為整個(gè)施工階段。在數(shù)值分析中，超載作用假定為條形均布荷載，大小為 20 kPa。

3 有限元模型

該基坑為規(guī)則矩形組成，基坑的長度遠(yuǎn)大于基坑的寬度，按平面應(yīng)變問題考慮：依據(jù)對(duì)稱性，基坑部分的計(jì)算寬度B1取整個(gè)開挖寬度的1/2，坑外土體部分的計(jì)算寬度B2按基坑開挖深度H的約2.5倍取為 40.5 m；豎向土體計(jì)算深度按基坑開挖深度H的約3倍取為 50 m。即最終模型總尺寸為 50 m×50 m，如圖3所示。模型中土體采用摩爾—庫倫彈塑性本構(gòu)模型。實(shí)際土層的分布情況由設(shè)計(jì)剖面圖給出，土層參數(shù)及地下水位取自勘查報(bào)告，如表1所示。

圖3 模型示意圖

4 分析與討論

結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果，對(duì)基坑變形規(guī)律及其機(jī)理展開分析。

4.1 實(shí)測結(jié)果

(1)基坑邊緣土體變形

圖4 隨時(shí)間變化的累積沉降值

圖4顯示了距離基坑周邊不同距離位置處的土體累計(jì)沉降值。從圖中可見，不同距離的土體沉降規(guī)律相差較大。距基坑邊緣最近的D93、D94位移傳感器顯示，土體在開挖初期，即90天內(nèi)，基本處于隆起狀態(tài)，隆起值先增大后減小，最大值達(dá)到 5 mm左右。隨后，逐漸轉(zhuǎn)為向下沉降，最大累計(jì)沉降量穩(wěn)定在 10 mm左右。D92和D95測點(diǎn)(距基坑邊緣 10 m)從開挖起即快速沉降，最大沉降值接近 30 mm。D91和D96測點(diǎn)數(shù)據(jù)差異較大，一個(gè)(D91)先隆起后沉降，另一個(gè)(D96)未有隆起變形，沉降快速累積，可能與具體測點(diǎn)(D96)處的外部超載有關(guān)。同時(shí)，基坑邊緣的隆起也與外部超載有關(guān)，由于開挖造成了基坑邊緣土體的圍壓降低，在外部超載的左右下，基坑邊緣土體有向上滑移的趨勢。從圖中可以看出，累積沉降值在150天左右達(dá)到最大值，此時(shí)基坑開挖至預(yù)定深度，之后累積沉降值變化幅度大幅減小，可見，累積沉降值的最大值與基坑開挖深度密切相關(guān)。

從圖4中可以看出，沉降累積速率隨著工期的推移發(fā)生變化，圖5總結(jié)了各個(gè)測點(diǎn)的沉降速率。可見隨著工期的推移，沉降速率逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。其中，在絕大多數(shù)施工期內(nèi)，變形速率不超過 0.5 mm/d，可見土體處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 沉降速率-時(shí)間曲線圖

(2)樁體位移

隨著基坑的開挖，在土壓力的作用下，支護(hù)樁發(fā)生側(cè)向位移，這也是基坑周邊土體發(fā)生沉降變形的原因。

圖6 WS32樁體水平位移-深度曲線圖

圖6展示了在不同施工期的支護(hù)樁沿深度方向的側(cè)向位移值。在施工期僅有8天時(shí)，尚未設(shè)置第一道支撐，支護(hù)樁為懸臂狀態(tài)，同時(shí)開挖深度尚淺，土壓力絕對(duì)值不大，因此，樁體的側(cè)向位移并不顯著。表現(xiàn)為樁頂出現(xiàn)最大位移，約為 4 mm，隨深度增加位移逐漸減小。之后在 3 m處設(shè)置了鋼支撐，可見圍護(hù)樁的側(cè)向變形模式發(fā)生變化，即最小側(cè)向位移處為 3 m深度的鋼支撐所在處，隨著深度的增加，側(cè)向位移先增加后減小，最大位移發(fā)生在 12 m～15 m之間，即基坑底部。在深度超過 15 m后，由于樁體嵌固在土中，因此，側(cè)向位移逐漸減小。如圖7所示，工期在159天以后，基坑已經(jīng)開挖至所需深度，圍護(hù)樁的變形模式不發(fā)生變化，側(cè)向位移緩慢增加，最大位移為 20 mm左右。

圖7 樁頂水平位移-時(shí)間曲線圖

圖7顯示了WS30和WS31樁頂位移隨工期的變化。相對(duì)于WS32樁，該處樁頂位移較大，在基坑開挖至最深處時(shí)樁頂位移達(dá)到最大值，最大值約為 12 mm左右。之后，可見樁頂位移有一定程度的減小，主要原因可能在于土壓力在支撐和樁之間發(fā)生了重分布，基坑底部的樁體水平位移增大，樁體有可能繞著頂部支撐發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使樁頂位移有小幅減小，該變化趨勢與圖6中的WS32樁一致。

4.2 數(shù)值分析結(jié)果

為更好地理解基坑變形的機(jī)理，采用有限元數(shù)值分析方法對(duì)基坑進(jìn)行建模分析。需要說明的是，該方法結(jié)果主要用于理解變形機(jī)理，預(yù)測值與實(shí)測值之間有一定偏差，主要可能原因在于土層參數(shù)、樁體剛度、以及支撐剛度的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步分析，但不影響對(duì)變形趨勢的把握。

(1)樁體水平位移

圖8顯示了在不同開挖階段土體的最大水平位移。可見，在施加了第一道水平支撐后，最大位移開始逐漸向下傳遞，在接近開挖下界面的位置(約 15 m處)出現(xiàn)水平位移的峰值，與實(shí)測值的規(guī)律相同，數(shù)值比實(shí)測值較大，但其絕對(duì)值僅有 35 mm，是穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生差別的主要原因可能是砂質(zhì)黏性土的參數(shù)取值較實(shí)際情況偏小，造成土層對(duì)樁端的嵌固作用減弱。從圖8可以看出，支撐的存在限制了墻頂端的水平位移，使得在后續(xù)開挖步驟中，頂端的位移值保持 -20 mm的位置，該值接近實(shí)測樁頂(WS30)水平位移的最大值 -16.1 mm。

圖8 不同開挖階段樁體位移

(2)樁后土體水平位移

圖9顯示了樁后1.5 m處土體在不同開挖階段的水平變形。可見，在前兩步開挖階段，樁后土體的最大水平位移發(fā)生在淤泥層，隨著開挖的進(jìn)行，在第三、四階段，土體的最大位移轉(zhuǎn)至樁端的砂質(zhì)黏性土。可見，砂質(zhì)黏性土發(fā)生了整體平移，進(jìn)而造成支護(hù)樁的平移，進(jìn)一步說明模型中所采用的砂質(zhì)黏性土土層的力學(xué)參數(shù)低于實(shí)際情況。

圖9 不同開挖階段樁后1.5 m處土體水平位移

(3)超載引起地面沉降

圖10顯示了距基坑邊緣5 m的寬度為 3 m、大小為 20 kPa的豎向超載對(duì)地面沉降的影響。可見，在不同開挖階段，沉降大小不同。超載作用位置的地面沉降逐漸增加，增加的地面沉降主要來自支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，造成土體側(cè)向移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致豎向位移增加。在超載作用范圍內(nèi)，由荷載和基坑開挖的共同作用，產(chǎn)生沉降最大，計(jì)算值與實(shí)測值較為接近。隨著距基坑邊緣距離的增大，地面的沉降值逐漸減小，主要在于開挖和超載的影響逐漸減小。

圖10 不同開挖階段距坑邊3 m超載引起的地面沉降

在基坑邊緣，由于超載的作用，造成土體隆起，這與實(shí)測值一致。基坑邊緣隆起量與淤泥層的存在和開挖卸荷有較大關(guān)系。由于淤泥層的存在，在基坑邊緣豎向荷載以及開挖卸荷作用下，造成基坑邊緣的土體隆起量大于普通基坑。而隨著開挖深度的增加，盡管超載作用位置的地面沉降逐漸增加，但邊緣的隆起量不再變化，說明邊緣量主要是由于淤泥層的存在造成的。

5 結(jié) 論

本研究針對(duì)濱海含淤泥層的深基坑的變形規(guī)律，采用變形監(jiān)測分析和數(shù)值分析共同進(jìn)行，探討了地面、支護(hù)樁、樁后土體的變形特性。得到以下結(jié)論：

(1)隨著開挖深度的增大和支撐的設(shè)置，樁體位移和土體水平位移的豎向分布發(fā)生變化。設(shè)置支撐前，支護(hù)樁成懸臂結(jié)構(gòu)，樁頂位移最大，隨深度位移逐漸減小。設(shè)置支撐后，結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化，樁體最大水平位移向下傳遞，最大位移的大小與樁端嵌固區(qū)的土體強(qiáng)度密切相關(guān)。

(2)在開挖深度的前兩個(gè)階段時(shí)，淤泥層的水平位移最大，淤泥層的存在是水平位移的主要影響因素。隨著開挖深度的增加，土體嵌固端土體的剛度和強(qiáng)度對(duì)水平位移的影響起控制作用。

(3)超載的作用是引起基坑邊緣附近土體隆起的主要原因，隆起幅度的大小與基坑開挖深度無關(guān)。超載作用位置處土體的沉降是開挖和超載共同作用的結(jié)果。