福州楊洪車行通道深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬分析研究

■ 繆揚(yáng)揚(yáng)

（福建省交通科研院有限公司， 福州 350004）

基坑開挖過程，除涉及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形方面的問題，還涉及包括土力學(xué)方面土壓力理論等諸多方面的問題。 從對(duì)城市發(fā)展需要的適應(yīng)角度看，基坑開挖得越深，其保護(hù)就越嚴(yán)格。 在城市車行通道的基坑開挖工程上尤其如此。

本文結(jié)合工程實(shí)際開挖順序，采用理正巖土工程軟件對(duì)基坑開挖中圍護(hù)樁深層水平位移進(jìn)行模擬分析[1]，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來探討模擬分析的可行性及可靠性。

1 工程概況及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

1.1 工程概況

該項(xiàng)目位于福州市倉(cāng)山區(qū)洪山橋頭， 及南北兩側(cè)洪甘路楊橋路局部路段，起點(diǎn)里程樁號(hào)YK0+116.278，終點(diǎn)里程樁號(hào)YK0+630。 車行通道位置YHK0+170～YHK0+550，總長(zhǎng)380 m（圖1）。基坑開挖深度為2.0～15.02 m（局部泵房地段基坑深度為15.02 m）， 基坑開挖及圍護(hù)樁作用深度范圍內(nèi)的地質(zhì)條件較差，主要為填筑土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土。人行地道位置YK0+370，位于楊洪車行通道之上。 本車行通道及人行地道位于楊橋西路、洪甘路與洪山橋交叉處， 是由市區(qū)經(jīng)由洪山橋進(jìn)三環(huán)路的重要交通要道，車流量大，行人密集，交通疏解及交通組織難度大。

1.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

圖1 本項(xiàng)目地理位置示意圖

根據(jù)前期勘察資料分析，各巖土層地質(zhì)情況相對(duì)較穩(wěn)定，但厚度不均勻，其巖性及力學(xué)特性均存在局部差異變化的特征；同一巖土層之間的工程特性具有一定差異性。 場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較低，基巖埋深較深，且有流塑狀淤泥質(zhì)黏土分布， 因此不適合使用天然基礎(chǔ)，建議使用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層建議選擇全風(fēng)化花崗斑巖。 由于本場(chǎng)地揭露的全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層頂埋深起伏相對(duì)較大， 應(yīng)重視基巖面起伏造成的局部巖面坡度較大對(duì)樁基穩(wěn)定性的影響， 進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)，維護(hù)樁端應(yīng)嵌入持力層，確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

地道區(qū)域上部為Q4ml人工填筑土及Q4ml+m沖海積淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，下伏基巖為γπ53d燕山晚期第四次侵入花崗班巖。 取地層參數(shù)如表1。

所在區(qū)域河流一級(jí)階地區(qū)場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地抗震設(shè)防裂度為7 度， 不良地質(zhì)作用與特殊巖土，主要為軟塑狀泥質(zhì)黏土，對(duì)工程穩(wěn)定性存在不利影響。

1.3 土方開挖工序

根據(jù)基坑整個(gè)橫斷面的寬度和分層深度，從一端開始向前開挖；每層開挖深度約2.0 m。

表1 各巖土層特征一覽表

土方開挖原則：豎向分層，縱向分段，中部拉槽。 根據(jù)鋼支撐及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際等情況，擬將基坑豎向分2～7 層，豎向分層高度根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸及挖掘機(jī)開挖能力確定。 支護(hù)樁樁身強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行土方開挖工作，土方縱向開挖分2～4 層，第一層為場(chǎng)平地面至冠梁底以下50 cm， 完畢后開始進(jìn)行冠梁的施工。 施工第一道鋼筋砼支撐，鋼筋砼支撐施工于冠梁上，中心位置為冠梁中心，與此同時(shí)開始進(jìn)行第二層中部拉槽，槽頂邊沿距兩邊護(hù)坡樁內(nèi)側(cè)須留置2 m 寬的土臺(tái)，拉槽坡度為1∶0.5，以利于挖土機(jī)進(jìn)行以下土方的開挖。 第二層開挖至第二道鋼管支撐以下50 cm，施工第二道鋼管支撐。

1.4 深層水平位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)基坑圍護(hù)實(shí)際情況，考慮基坑在開挖過程中坑底的變形情況，在基坑的圍護(hù)樁重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域埋設(shè)圍護(hù)墻測(cè)斜孔 （內(nèi)徑75 mm ABS 測(cè)斜管），埋深與圍護(hù)樁同深。 ABS 測(cè)斜管在灌注圍護(hù)樁前，綁扎在鋼筋籠上，一同灌注。 接頭用自攻螺絲擰緊，并用膠布密封，管口加保護(hù)鋼管，以防損壞。 管內(nèi)有二組互為90°的導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽控制了測(cè)試方位，下管時(shí)使其一組導(dǎo)槽垂直于基坑圍護(hù)，另一組導(dǎo)槽平行于基坑圍護(hù)并保持測(cè)斜管豎直，如圖2 所示。

圖2 剖面測(cè)點(diǎn)布置圖

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬分析

對(duì)基坑開挖最深部位圍護(hù)樁內(nèi)力進(jìn)行模擬分析，內(nèi)力計(jì)算方法采用增量法，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)取1.10，基坑深度為15.0 m，灌注樁樁徑1.20 m，樁間距1.50 m，嵌固深度12.0 m，基坑周邊超載取20 kPa，地層參數(shù)及應(yīng)力數(shù)據(jù)表見表2～3。

表2 巖土參數(shù)

表3 應(yīng)力數(shù)據(jù)

采用模擬計(jì)算方法得出基坑側(cè)壁在開挖至0.5 m、7.5 m、12.0 m、15.0 m 時(shí)的水平位移及土壓力曲線，如圖3～6 所示。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)

采用CX-06B 測(cè)斜儀對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 監(jiān)測(cè)前測(cè)斜管已按規(guī)范要求進(jìn)行布設(shè)，監(jiān)測(cè)時(shí)將測(cè)斜儀探頭置入測(cè)斜管底后，待探頭接近管內(nèi)溫度后， 自下而上以不大于0.5 m 的間隔逐段測(cè)量，每個(gè)監(jiān)測(cè)方向應(yīng)進(jìn)行正、反兩次監(jiān)測(cè)[2]。計(jì)算公式：

式中：ΔXi——i 深度的累計(jì)位移 （計(jì)算結(jié)果精確至0.1 mm）；

Xi——i 深度的本次讀數(shù)/mm；

Xio——i 深度的初始讀數(shù)/mm；

Aj——儀器在0°方向的讀數(shù)；

Bj——儀器在180°方向的讀數(shù)；

C——探頭的標(biāo)定系數(shù)；

L——探頭的長(zhǎng)度/mm；

αj——傾角。

對(duì)本次基坑開挖最深部位圍護(hù)樁的深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表4～5。

圖3 開挖至0.5 m 時(shí)基坑周圍的土壓力與位移曲線

圖4 開挖至7.5 m 時(shí)基坑周圍的土壓力與位移速率曲線

表4 ZCX-3 最大位移處

表5 YCX-3 最大位移處

由上表可知，在整個(gè)施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移是趨于前傾型的，其原因在于圍護(hù)樁中下部位移在第二道鋼支撐沒有及時(shí)架設(shè)的情況下變得特別大，在鋼支撐架設(shè)后位移值下降的趨勢(shì)是特別明顯的。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)位移對(duì)比分析

將基坑開挖后的實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬值進(jìn)行比較分析得知：深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果所得出的深層水平位移變形曲線形態(tài)相似，但模擬計(jì)算值略小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，見圖7～8。

圖7 基坑開挖后ZCX-3 深層水平位移對(duì)比

圖8 基坑開挖后YCX-3深層水平位移對(duì)比

由圖7～8 對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大致吻合， 而較大的變形是在鋼支撐在無法及時(shí)架設(shè)的情況下出現(xiàn)。 由此可見，就基坑支護(hù)開挖的具體過程而言， 借助于模擬計(jì)算是能夠?qū)⑵涓鱾€(gè)施工工序予以超前掌握的。

有關(guān)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形方面規(guī)律的探索，對(duì)于模擬結(jié)果的正確利用，能夠起到關(guān)鍵性作用。 這也說明三個(gè)方面的合理性：其一為本構(gòu)模型；其二為計(jì)算參數(shù)的選擇；其三為模型建立的具體過程。

5 結(jié)論

以福州市楊洪車行通道為例，借助理正軟件的應(yīng)用，建立了深基坑開挖全過程方面數(shù)值模型。 相關(guān)的研究結(jié)論如下：

（1）以同類地質(zhì)條件為根本前提，在第二道鋼支撐未及時(shí)架設(shè)的情況下，“大肚”曲線會(huì)隨圍護(hù)樁中下部位移變化較大而出現(xiàn)。 就基坑而言，其變形位置和最大水平位移分別位于圍護(hù)墻體中下部和基坑開挖的最深處。 樁體的變形要得到合理控制，就要有效控制支撐預(yù)加力、嚴(yán)禁超挖并及時(shí)架設(shè)鋼支撐。

（2）在基坑計(jì)算模型的建立中，依據(jù)摩爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系作為基礎(chǔ)，能夠得出深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移變化的規(guī)律。 周圍土體在基坑開挖加深的情況下，會(huì)慢慢朝著基坑的中下部不斷地挪動(dòng)和擠壓，在這種情況下，其變形量出現(xiàn)最大的態(tài)勢(shì)，內(nèi)支撐在中部位置的強(qiáng)化，使施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部及頂部變形減小。

（3）對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大致吻合，說明在計(jì)算模擬基坑開挖過程中周圍土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的土壓力是合理的，借助于計(jì)算模擬，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑開挖過程土壓力與圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移，對(duì)指導(dǎo)下一步基坑開挖施工時(shí)防護(hù)方案的修正具有重要的意義，對(duì)基坑開挖過程中合理安排施工計(jì)劃具有重要意義。