鄰近超載狀態下軟土深基坑變形時間特性研究

張 飛，王 燕，李志遠

福建江夏學院,福州 350108

0 引言

隨著城市地下空間的開發利用,基坑工程取得了很大的進步與發展[1].此類基坑附近往往建筑物密集,鄰近建筑物超載對基坑工程變形影響顯著[2].已有不少學者[3-5]圍繞鄰近超載對深基坑工程施工的影響進行了研究,較系統地分析了鄰近建筑物的剛度、埋置深度及鄰近超載距基坑邊緣距離等方面的影響.由于軟土特殊的工程性質,基坑工程施工具有明顯的時間效應,已有研究或者把固結[6-10]作為軟土的主要變形過程或者把蠕變[11]作為主要變形過程建立本構模型進行計算分析,必然會造成結果與實際的不符.本文擬利用ABAQUS有限元軟件,采用擴展D-P蠕變模型進行土體的流固耦合分析,考慮不同超載大小對超靜孔隙水壓力、圍護結構水平位移和墻后地表沉降的影響,為類似工程的設計施工提供參考.

1 工程背景

1.1 深基坑概況

某長條形地鐵基坑,基坑開挖深度10 m,寬度20 m,基坑圍護結構采用地下連續墻+鋼筋混凝土內支撐的支護體系;地下連續墻厚度600 mm,插入土中深度10 m;內支撐采用兩道鋼筋混凝土対撐,支撐間距4.5 m,采用順作法施工.

1.2 計算參數選取

本文利用ABAQUS中時間硬化蠕變規律和D-P屈服破壞準則耦合的蠕變模型,其中塑性屈服面采用子午線為線形的D-P屈服面,蠕變應變率采用與塑性應變率相同的雙曲線塑性流動勢函數.

工程場區土層物理力學參數及蠕變參數如表1所示.為簡化計算假定所研究的土體為正常固結飽和粘土，孔隙水流動符合達西定律，即水土為流固耦合體.

表1 土層的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the Soil layer

圖1 基坑有限元網格劃分Fig.1 Finite element meshing of foundation pit

2 有限元模型

2.1 施工工況

開挖過程數值模擬的實施步驟:首先施加重力荷載,計算土體的初始地應力,并將初始位移場置零;生成地下連續墻;開挖第一層土,開挖深度1.5 m;加設第一道鋼支撐;開挖第二層土,開挖至深度6 m;加設第二道鋼支撐;開挖第三層土,開挖至深度10 m.

2.2 數值分析模型

對長條形地鐵基坑,形狀與受力較為規則,可視為平

面應變問題,故本文采用二維有限元分析[15].為消除模型邊界對計算結果的影響,基坑開挖影響寬度取為開挖深度的3倍～4倍,影響深度取為開挖深度的2倍～4倍.根據對稱性,以基坑中心線為對稱軸,取整個基坑的一半建立模型.整個模型的網絡劃分見圖1.

模型邊界條件:兩側面為X軸對稱約束,底面為X,Y方向約束.地面及土體挖除后基坑頂面設為超靜孔隙水壓力為0的邊界即排水邊界.土體單元采用耦合平面應變單元CPE4P.根據勘測資料,地基底部設為不排水固定邊界,考慮到對稱性,基坑對稱面設為水平約束的不排水邊界,計算斷面左邊界因離基坑中心足夠遠,可設為不排水邊界.

3 有限元計算結果分析

3.1 超靜孔隙水壓力

超靜孔隙水壓力是反應軟土固結狀態的一個重要指標.圖2～圖6分別給出了超載值為0 kPa,20 kPa,50 kPa,70 kPa,100 kPa作用下基坑開挖結束時超靜孔隙水壓力的分布.

圖2 無超載作用下基坑開挖結束時 超靜孔隙水壓力的分布Fig.2 Distribution of super static pore water pressure without overloading at the end of foundation pit excavation

圖3 20 kPa超載作用下基坑開挖結束時 超靜孔隙水壓力的分布Fig.3 Distribution of super static pore water pressure under 20 kPa overload at the end of foundation pit excavation

圖4 50 kPa超載作用下基坑開挖結束時 超靜孔隙水壓力的分布Fig.4 Distribution of super static pore water pressure under 50 kPa overload at the end of foundation pit excavation

圖5 70 kPa超載作用下基坑開挖結束時 超靜孔隙水壓力的分布Fig.5 Distribution of super static pore water pressure under 70 kPa overload at the end of foundation pit excavation

圖6 100 kPa超載作用下基坑開挖結束時超靜孔隙水壓力的分布Fig.6 Distribution of super static pore water pressure under 100 kPa overload at the end of foundation pit excavation

由圖2～圖6可見,與無超載作用相比,超載作用會減小負的超靜孔隙水壓力大小,墻后區域減少量更大.無超載作用下基坑開挖結束時坑內負的超靜孔隙水壓力為-53 kPa,20 kPa超載作用下-39 kPa,50 kPa超載作用下為-35 kPa,70 kPa超載作用下為-32 kPa,100 kPa超載作用下為-27 kPa.墻后土體在無超載作用下負的超靜孔隙水壓力為-4.8 kPa,在20 kPa超載作用下為-0.27 kPa,50 kPa超載作用下墻后區域土體出現正的超靜孔隙水壓力最大值為8.7 kPa,70 kPa超載作用下為15.3 kPa,100 kPa超載作用下為25 kPa.出現這種情況的原因：一方面是由于基坑開挖卸載所產生的負超靜孔壓在墻后土體中本身較小,另一方面是由于墻后土體在超載作用下產生的正的超靜孔隙水壓力可抵消部分負的超靜孔隙水壓力.

負超靜孔隙水壓力消散會引起墻后地表沉降和墻體水平位移的回彈,這對基坑工程有利.同時負超靜孔隙水壓力消散還會引起坑內土體的隆起變形,這對基坑工程不利.由負超靜孔隙水壓力分布可見,負超靜孔隙水壓力對基坑工程性狀的影響以坑內土體隆起最強,墻后地表沉降次之,地下連續墻水平位移最弱.因此,在實際工程中及時澆筑墊層及底板,對坑內土體進行加固可有效地減少固結作用引起的坑底土體隆起變形.

3.2 地下連續墻水平位移分析

圖7～圖11給出了不同超載作用下墻體水平位移不同時期的變化曲線,其中IE3-1代表基坑開挖完成時,IE3-3代表基坑開挖結束時第18 天,IE4-1代表基坑開挖結束時第36 天,IE4-2代表基坑開挖結束時第54 天.

由圖7～圖11可見，與無超載作用相比,基坑邊緣鄰近超載明顯增大了墻體水平位移值.超載作用下墻體水平位移曲線在形態上與無超載作用下基本保持一致,水平位移最大值均發生在基坑開挖面附近;隨地面超載值的增大,地下連續墻水平位移也不斷增大.當超載值分別為20 kPa,50 kPa,70 kPa,100 kPa時,地下連續墻最大水平位移相應值分別為20.88 mm,27.69 mm,33.87 mm,42.05 mm.由此可見,地面超載對地下連續墻水平位移影響顯著;隨地面超載值的增大,墻體水平位移值不斷增大,但不同超載作用下墻體水平位移增長速率基本穩定不變,這說明超載大小對土體流變速率影響不大.

圖7 無超載作用下墻體水平位移 在不同時期的變化曲線Fig.7 Variation curves of horizontal displacement of wall without overload in different periods

圖8 20 kPa超載作用下墻體水平位移 在不同時期的變化曲線Fig.8 Variation curves of horizontal displacement of wall under 20 kPa overload in different periods

圖9 50 kPa超載作用下墻體水平位移 在不同時期的變化曲線Fig.9 Variation curves of horizontal displacement of wall under 50 kPa overload in different periods

圖10 70 kPa超載作用下墻體水平位移 在不同時期的變化曲線Fig.10 Variation curves of horizontal displacement of wall under 50 kPa overload in different periods

圖11 100 kPa荷載作用下墻體水平位移在不同時期的變化曲線Fig.11 Variation curves of horizontal displacement of wall under 100 kPa overload in different periods

3.3 墻后土體沉降分析

圖12～圖16給出了不同超載作用下墻后地表沉降不同時期的變化曲線.

由圖12～圖16可見,當超載分別為20 kPa,50 kPa,70 kPa,100 kPa時,基坑開挖結束時墻后地表沉降最大值分別為30.50 mm,67.67 mm,93.04 mm,131.54 mm.由此可見,與無超載情況相比,地表沉降最大值增量較大且隨超載值增大而依次增大.因此,鄰近基坑超載對地表沉降最大值影響顯著,其主要是由于超載引起主動區土壓力增大,而對被動區土壓力影響較小,從而使因開挖卸載導致的擋墻前后壓差不斷增大,引起擋墻外側土體向基坑內流動趨勢增加,并引起墻后地表沉降最大值不斷增大.此外,圍護結構水平位移也會引起墻后地表沉降最大值的增大.

圖12 無超載作用下墻后地表沉降 在不同時期的變化曲線Fig.12 Variation curves of ground surface settlement behind wall without overload in different periods

圖13 20 kPa超載作用墻后地表沉降 在不同時期的變化曲線Fig.13 Variation curves of ground surface settlement behind wall under 20 kPa overload in different periods

圖14 50 kPa超載作用墻后地表沉降 在不同時期的變化曲線Fig.14 Variation curves of ground surface settlement behind wall under 50 kPa overload in different periods

圖15 70 kPa超載作用墻后地表沉降 在不同時期的變化曲線Fig.15 Variation curves of ground surface settlement behind wall under 70 kPa overload in different periods

圖16 100 kPa超載作用下墻后地表沉降在不同時期的變化曲線Fig.16 Variation curves of ground surface settlement behind wall under 100 kPa overload in different periods

超載作用下地表沉降影響范圍更為明顯，大約為2倍的基坑開挖深度,隨著超載值的增大，沉降影響范圍略有增大，但基本保持不變.在影響范圍之外,沉降值迅速變小,沉降影響減弱.由圖12～圖16可見,地面超載作用下,因基坑開挖引起的地表沉降形狀特征不同于無超載作用下的地表沉降.超載作用下地表沉降曲線呈勺狀,在墻外一定距離處有明顯的沉降槽.超載作用下地表沉降最大值作用位置要更加靠近擋墻,并在靠近地下連續墻一定范圍內地表沉降均有較大的幅值,地表沉降曲線也由原來的拋物線形慢慢的變成勺形.此外，由圖12～圖16還可看出,無超載情況下在開挖結束后一段時間內,墻后地表沉降量減少,土體發生回彈,在前18天最為明顯,此后回彈速率迅速減小.這是由于負的超靜孔隙水壓力消散,土體固結作用引起的.在鄰近超載情況下,由于超載減少了墻后土體的固結作用,故前后土體回彈不明顯,這與前述超靜孔隙水壓力分析相一致.

4 實測結果對比

基坑開挖完成后,各主要監測項目計算值與實測值的對比見表2.

由表2可知,各主要監測項目的計算值與實測值均較為接近,這就進一步驗證了本文所選本構模型能夠較準確地模擬軟土基坑施工的時間效應.圍護墻水平位移及地表沉降實測值比計算值略大,其主要原因可能是在該基坑的實際施工過程中,基坑邊緣存在一定的堆載荷載及交通荷載,故使得圍護結構水平位移及地表沉降實測值略大于計算值.

表2 計算值與實測值的對比Table 2 Comparison between the calculated values and the measured values

5 結論

本文以地下連續墻-內支撐式深基坑開挖工程為例,在考慮軟土的蠕變-固結耦合特性的條件下,通過數值模擬分析了不同超載對基坑開挖變形性狀的影響,主要結論如下:

(1) 超載作用會減少因開挖卸載而在坑內和周圍土體中產生的負超靜孔隙水壓力,實際上加快了基坑開挖影響范圍內土體的固結效應,從而引起墻后地表沉降和墻體水平位移的回彈,對基坑工程有利,但同時也會造成坑內土體隆起變形量的增加,對基坑工程不利.

(2) 隨超載值的增大,地下連續墻的水平側移也不斷增大,水平位移最大值發生在基坑開挖面附近.基坑開挖結束后隨著時間的推移,土體固結效應越來越弱,主要表現在流變性上,這導致了開挖結束后很長一段時間內墻體水平位移幾乎不變,此后墻體水平位移不斷增大且超載大小對土體流變速率的影響不大.

(3) 鄰近基坑超載對地表沉降最大值影響顯著,超載值越大,地表沉降最大值越大.與無超載情況相比,超載作用下的地表沉降最大值作用位置更加靠近擋墻.無超載情況下在開挖結束后的一段時間內,墻后地表沉降因土體固結作用產生回彈,在鄰近超載情況下這種回彈并不明顯.

(4) 由對比分析可知,計算值與實測值較為接近,從而進一步驗證了本文所選本構模型的可靠性,為軟土深基坑工程施工數值模擬提供了參考.