近海淤泥地層基坑工程變形研究

胡世英

(廣東城華工程咨詢有限公司，廣州 510660)

1 概述

隨著中國經濟的高速發展，城市建設的不斷推進，越來越多的人口涌入沿海的大中城市，因此不可避免地造成交通堵塞、環境污染等一系列問題。地鐵作為一種經濟、方便、快捷的交通工具，有效地疏導地面交通，提高了通勤效率，深受民眾的喜愛，因此，在近幾年，沿海的大中城市掀起一股興建地鐵的熱潮[1-3]。近海地區大范圍分布著淤泥土層，這是一種典型的軟粘土，往往具有高壓縮性、低滲透性、高含水率和低強度等特性，因此在基坑開挖中往往要面臨著比一般工程更復雜的施工環境，對于地質勘察的要求也有很高的要求[4-9]。周冠南[10]以某一軟弱地層基坑為工程背景，分析了基坑開挖過程中的時空效應，結果表明基坑開挖中的長坑效應和邊角效應很明顯，圍護結構的中部側向位移最大。劉建強[11]等通過數值模擬方法模擬深圳某一地鐵基坑的施工過程，結果表明基坑開挖的影響范圍為基坑周圍40 m內，基坑周圍土體出現沉降槽，距離基坑約10～15 m。陸宏敏[12]等對淤泥土層基坑的支護樁的種類、樁長和樁間距等參數進行敏感性分析。

本文以沿海某地區新建地鐵基坑為工程背景，利用巖土工程數值模擬軟件geostudio，對淤泥地層基坑開挖過程進行數值模擬，分析基坑在開挖過程中應力場、滲流場、周圍地層的沉降規律、基坑表面的變形特征以及灌注樁支護結構的側向變形，為類似土層的基坑開挖工程提供參考依據。

2 基本原理

2.1 飽和-非飽和滲流理論

基坑開挖過程中，基坑周圍地下水不斷滲入基坑底部，二維的飽和-非飽和的滲流控制方程如下[13]：

(1)

式中：

kx、ky——土體在水平方向和豎直方向的滲透系數；

Q——施加的邊界流量；

ρw——水的密度；

mw——比水容重；

t——時間。

2.2修正劍橋模型

基坑開挖過程中，土體的應力應變會發生很大的變化，修正劍橋模型采用聯合流動準則，意味著屈服函數F和勢函數P是相同的[14]。函數方程見下式：

F({σ′},{k})=P({σ′},{m})

(2)

式中:

q-p′應力空間M臨界狀態線的斜率按下式計算：

(3)

式中：

Φ′——臨屆狀態摩擦角。

3 計算模擬

3.1 計算模型及邊界條件

沿海某地區新建地鐵站地基土主要為淤泥質土層，基坑開挖寬度為24 m，開挖深度為16 m。基坑支護采用鉆孔灌注樁和6道支撐，圍護結構采用Φ609鋼管內支撐，基坑挖深16 m(冠梁頂部至基坑底)；東西端頭為4道鋼管支撐，挖深16～17 m，鉆孔灌注樁尺寸為Φ1 100 mm@1 500 mm，樁間距在允許范圍內可根據現場情況做微小調整。

基坑分7步進行開挖：第1步開挖至地下2 m，第2步開挖至地下4.5 m，第3步開挖至地下7.5 m，第4步開挖至地下10.5 m，第5步開挖至地下12.5 m，第6步開挖至地下14 m，第7步開挖至地下16 m。每開挖一步，就對基坑進行鋼支撐，共設6道鋼支撐。為了研究方便，沿灌注樁高度方向，每隔1 m設置1個位移監測點。本工程需要監測樁頂的水平位移和豎向位移，樁頂位移監測點沿著基坑周圍每隔2 m左右布置1個，一般布置在支護樁冠梁邊上，并且主要布置在基坑四周的中部或者陽角附近，因為這些部位是基坑開挖時，變形較大的位置。本工程樁頂位移監測布置28個監測點，并且對于觀測基坑的水平位移和沉降位移共用相同的監測點。

基坑的典型剖面如圖1所示，模型尺寸如圖2所示，由于基坑沿中心軸線對稱分布，所以取整個模型的一半進行分析。模型長為60 m，高為40 m，全局單元尺寸為1 m，共劃分2 622個節點，2 520個單元。

圖1 基坑典型剖面示意

圖2 基坑模型示意

邊界條件：對模型的左邊界和下邊界施加x向和y向位移約束，對模型的右邊界施加x向位移約束，對模型上邊界不施加約束。對鋼支撐的右端點施加x向和y向位移約束。

3.2 土體參數

近海淤泥地層本構模型選用geostudio中的修正劍橋模型(耦合孔隙水壓力變化)，根據巖土工程勘察報告，各土層的物理力學參數見表1所示。

表1 土體物理力學參數

在geostudio數值模擬中，灌注樁采用結構梁單元，鋼支撐采用結構桿單元，主要力學參數見表2所示。

表2 結構單元參數

3.3 計算步驟

① 初始地應力計算;

② 基坑開挖前的地面附加應力計算；

③ 第1步開挖，計算完成后進行鋼支撐；

④ 第2步開挖，計算完成后進行鋼支撐；

⑤ 第3步開挖，計算完成后進行鋼支撐；

⑥ 第4步開挖，計算完成后進行鋼支撐；

⑦ 第5步開挖，計算完成后進行鋼支撐；

⑧ 第6步開挖，計算完成后進行鋼支撐；

⑨ 第7步開挖。

4 計算結果分析

4.1 初始應力計算

由圖3可知，基坑開挖前，地層土的初始應力從上到下線性增大。圖3b為灌注樁上監測點高程與總應力的變化曲線。可以看出，監測點的水平應力沿高程每增加1 m，減小12.5 kPa；豎向應力沿高程每增加1 m，減小16.8 kPa。這說明每開挖1 m地基土，相當于向上產生16.8 kPa的豎向應力，此時，基坑表面會出現隆起現象。由于開挖力與初始應力直接相關，所以計算準確的初始應力為后續計算提供可靠的依據。而且，由于在開挖過程中，基坑外的地下水位保持不變，所以也會對大大增加地基土的總水平應力，本次計算也考慮到這一點。

a x向總應力云圖

a 初始應力場云圖

4.2 開挖結束總應力場

圖4為基坑開挖結束后基坑周圍土體的水平向和豎向總應力場分布云圖。從圖4b可以看出，基坑開挖結束后，遠離基坑區域的土體的應力場變化比較小，幾乎保持不變，基坑灌注樁周圍的土體應力有較大的變化，特別是豎向總應力。灌注樁附近的應力呈現出漏斗型分布狀，而且應力等值線分布比較密集，說明該處可能出現應力集中現象。

4.3滲流場分析

圖5a為基坑開挖結束后基坑周圍滲流場分布示意，圖5b為灌注樁附近監測點的孔隙水壓力在開挖過程中的變化曲線示意。

a 開挖結束后滲流場云圖

由圖5a可知，基坑開挖結束后，基坑外的孔隙水壓力幾乎保持不變，基坑以下土層的孔隙水壓力遵循一般的孔隙水壓力分布規律。由于灌注樁不透水，基坑外的地下水繞過樁底滲入到基坑底部，圖中箭頭表示滲流水的流速大小。可以看出，滲流水經過樁底時流速最大，離樁底越遠的地方，滲流水的流速越小。這是因為樁底和土層之間的滲透系數差別較大，兩者之間存在接觸沖刷現象，但是由于流速較小，不會對結構產生較大的影響。

由圖5b可以看出，灌注樁附近的監測點孔隙水壓力沿高程方向在開挖過程中呈現出逐漸減小的趨勢。在基坑未開挖時，監測點的孔隙水壓力沿高程方向呈線性比例關系，隨著開挖的進行，最上部的監測點孔隙水壓力沿高程方向呈線性減小的趨勢，中部監測點的孔隙水壓力沿高程呈非線性減小，下部監測點又呈現出線性減小的趨勢。對比監測點初始孔隙水壓力和基坑開挖完成后的孔隙水壓力可知，最下部的監測點從283.93 kPa減小到201.11 kPa，減小30%。這是因為隨著基坑的開挖，基坑內的水位不斷下降，基坑外的水位高，在重力的作用下，基坑外地下水不斷流向基坑內，使得基坑外的水位不斷降低。

4.4 地表沉降

圖6a為基坑開挖結束后基坑內外土層豎向位移變形網格示意，圖6b為基坑外地表面監測點在不同開挖階段的變形曲線示意。由圖6a可知，基坑開挖結束后，基坑外地表出現沉降，基坑內地表出現隆起。從圖6b可以看出，在基坑未開挖前施加附加荷載后，基坑外地表出現1 cm的沉降，靠近灌注樁頂部的監測點出現向上的位移。隨著開挖的進行，基坑外地表監測點的沉降不斷增大，呈U型沉降。基坑開挖結束后，地表最大沉降值為12.1 cm。這是因為隨著基坑的開挖，基坑外部的孔隙水壓力不斷減小，土體的總應力減小，土體出現沉降。

a 開挖結束模型網格變形示意

4.5 樁水平位移

圖7為基坑開挖過程中灌注樁監測點水平位移變形曲線示意，由圖7可知，在第1步開挖結束后，灌注樁沿高程位移呈先增大后減小的變化趨勢，總體呈弓字型分布，最大位移為0.015 m。對基坑開挖部分進行鋼支撐維護后，支撐點以上樁頂位移向背離基坑方向增大，而且監測點高程越高，位移越大，最大位移為0.02 m。隨著第2步的開挖，開挖土所在樁體的水平位移急劇變大，由原來的0.01 m增大到0.034 m，但是第1根鋼支撐上部的樁體位移相對較小。隨著基坑的開挖—支撐的進行，灌注樁的水平位移最大值位置不斷下降，最大值幾乎保持不變。灌注樁的最上部位移也不斷向基坑靠近，但是變化值很小。灌注樁最下部的位移不斷增大，到基坑開挖結束后，最下方的水平位移為0.008 m。可以看出，在基坑開挖過程中，由于基坑土的移除，基坑側向土壓力不斷增大，鋼支撐后，側向土壓力被鋼支撐軸力抵消，使得側向土的水平位移控制在一定范圍內，保證基坑開挖施工過程的安全性。

圖7 灌注樁側向位移示意

4.6 坑底豎向位移

圖8為每開挖完1步，基坑表面監測點的豎向位移變化曲線。由圖8可知，基坑左右腳監測點的變形很小，中間監測點變形最大，基坑表面土體總體呈現倒U型的變形規律，而且隨著開挖深度增加，基坑表面的豎向位移變大。例如，開挖完第1步后，基坑表面的最大豎向位移為0.04 m，開挖結束后基坑表面的最大豎向位移為0.22 m，增大450%。這是因為土層埋深越大，該處的初始應力也越大，當上部土體被移除后，由于應力釋放，使得基坑表面出現豎直向上的位移也越大。

圖8 基坑底部豎向位移示意

5 結語

1)基坑開挖過程中，基坑周圍地下水不斷滲入基坑，樁底最下方監測點的孔隙水壓力較初始減小30%。

2)基坑開挖過程中，基坑周圍建筑物發生沉降，呈U型分布。基坑底部由于上部土層的卸載作用發生隆起現象，坑底表面豎向位移呈倒U型分布，最大值為22 cm。灌注樁的側向位移在基坑開挖中呈弓字形分布，最大側向位移位置隨開挖深度增加而不斷下移。