深厚淤泥質(zhì)土層深基坑變形特性研究

董海君 馬榕鍵 陳 騫 張士龍

(1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150000)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，國(guó)內(nèi)高層建筑數(shù)量飛速增長(zhǎng)，相應(yīng)的深大基坑工程越來(lái)越多。日趨緊張的施工用地使基坑工程對(duì)于地質(zhì)條件的選擇性更少，土方開(kāi)挖與支護(hù)所面臨的問(wèn)題也更加復(fù)雜。在淤泥質(zhì)粘土地區(qū)基坑工程中，由于淤泥質(zhì)粘土的內(nèi)摩擦角和粘聚力等力學(xué)指標(biāo)很低，含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低[1]，容易造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地基不均勻沉降、坑底隆起、邊坡失穩(wěn)等安全問(wèn)題。因此，對(duì)于存在深厚淤泥質(zhì)粘土的基坑工程，采用一種最為合理有效的支護(hù)方式顯得尤為關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于各種方法對(duì)深基坑的變形控制進(jìn)行了研究。吳昌將等[2]通過(guò)分析上海軟土地區(qū)兩個(gè)典型深基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地下連續(xù)墻基坑變形性狀展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖面積及軟土層厚度是影響基坑變形的關(guān)鍵因素。陳曉慶等[3]針對(duì)珠海橫琴某淤泥地層深基坑工程，分析了淤泥層厚度、大直徑樁插入比對(duì)基坑變形的影響，得出采用超大直徑灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)能較好控制最大側(cè)移量的結(jié)論。馮春蕾等[4]基于天津20個(gè)軟土地鐵站基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)有限元計(jì)算，對(duì)比分析了隔斷墻主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)基坑變形的控制效果。柴海博等[5]、徐至鈞等[6]、彭振斌等[7]、鄭榮躍等[8]和陳偉等[9]利用有限元建模，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了復(fù)雜地質(zhì)條件深基坑設(shè)計(jì)、施工及各項(xiàng)措施對(duì)基坑變形控制的影響。高雁等[10]、劉興旺等[11]、王國(guó)輝等[12]通過(guò)數(shù)值模擬、離心模型試驗(yàn)等技術(shù)對(duì)軟土深基坑施工過(guò)程對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形造成的影響展開(kāi)了研究。

然而，對(duì)于深基坑如何通過(guò)比選不同內(nèi)支撐平面布置方式，以減小深厚淤泥層對(duì)基坑變形帶來(lái)的影響鮮有研究。本文以湖北交投實(shí)業(yè)總部項(xiàng)目為依托，分析深厚淤泥質(zhì)粘土對(duì)基坑變形的影響，同時(shí)對(duì)比兩種不同的內(nèi)支撐布置方式對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降的變化規(guī)律[5-7]。

2 工程概況

本項(xiàng)目位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)江城大道與四新大道交叉口以南，由一棟35層總部辦公樓A和一棟41層總部辦公樓B組成，基坑面積約21 038 m2，開(kāi)挖深度17.95～22.5 m。根據(jù)勘察結(jié)果，基坑工程施工區(qū)域內(nèi)土層主要有:雜填土、粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、角礫混礫砂-粘性土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等，其中淤泥質(zhì)粘土層最大厚度達(dá)17 m。

基坑采用排樁和內(nèi)支撐支護(hù)體系，根據(jù)區(qū)域不同，采用不同直徑的鉆孔灌注樁(?1200 ～?1300)，立柱樁直徑為900 mm?；庸苍O(shè)置2道C40鋼筋混凝土內(nèi)支撐，典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面型式如圖1所示。

由于基坑開(kāi)挖面積較大，同時(shí)基坑南側(cè)淤泥質(zhì)粘土層較深，為滿足變形控制要求，保障周邊環(huán)境安全，擬采用兩種不同平面支撐方案，如表1所示。

表1 兩種內(nèi)支撐平面布置方案比選

3 有限元模擬分析

3.1 模型建立

本模型采用MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬，確定本項(xiàng)目整體三維有限元模型尺寸為320×320×50 m(X×Y×Z)。

分析采用地層-結(jié)構(gòu)法，充分考慮土層-結(jié)構(gòu)相互作用。模型中地層均采用三維實(shí)體單元，其對(duì)應(yīng)的土層主要物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

灌注樁等1D單元按抗彎剛度等效原理將其等效為一定厚度的地下連續(xù)墻(板單元)，得出對(duì)應(yīng)的2D板單元內(nèi)力與變形，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

模型的邊界設(shè)置為:沿X軸方向上的模型左右邊界，約束X向的平動(dòng)自由度；沿Y軸方向上的模型前后邊界，約束Y向的平動(dòng)自由度；約束模型底部的Z向平動(dòng)自由度；模型頂部為地表面，不施加任何約束。將基坑開(kāi)挖過(guò)程按5個(gè)施工工況進(jìn)行分解，如表4所示。

表4 施工工況

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分析

由于基坑屬于異形基坑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)以某一方向(X或Y方向)的變形為主，提取兩種內(nèi)撐布置方案下圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位總變形值，模型及變形值如圖2～圖4所示。

對(duì)比兩方案可發(fā)現(xiàn)二者共性點(diǎn):當(dāng)開(kāi)挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時(shí)，其整體變形表現(xiàn)為懸臂梁式變形形態(tài)，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移最大，而結(jié)構(gòu)深部變形趨于0；隨開(kāi)挖深度增大和內(nèi)支撐逐步施作，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為中部位置向坑內(nèi)凸出的“鼓肚形”變形形態(tài)；每一次開(kāi)挖均會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的最大值出現(xiàn)較大增幅，且最大值分布位置逐步下移。

以角部設(shè)置兩道支撐的1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置為例，第二次開(kāi)挖深度為10.25 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總位移為20 mm；當(dāng)?shù)谌伍_(kāi)挖深度為16.8 m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總位移為43.2 mm，較開(kāi)挖2增幅53.7%?？梢?jiàn)，基坑第三次開(kāi)挖由于受淤泥質(zhì)粘土層的存在，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形顯著增加[8-10]。

兩方案不同之處在于，開(kāi)挖至坑底時(shí)，角部設(shè)置內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值位于1號(hào)測(cè)點(diǎn)，即地面以下0.77H位置(H為基坑開(kāi)挖深度)，最大值為43.2 mm；軸對(duì)稱處設(shè)置內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)變形最大值位于1號(hào)測(cè)點(diǎn)，即地面以下0.70H位置處，最大值為47.48 mm。同時(shí)，前者4號(hào)測(cè)點(diǎn)與后者的3號(hào)測(cè)點(diǎn)位置相近，4號(hào)測(cè)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為37.25 mm，3號(hào)測(cè)點(diǎn)位置為40.57 mm。

綜上所述，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制方面，在角部設(shè)置兩道支撐方案優(yōu)于軸對(duì)稱處設(shè)置一道支撐方案。此外，基坑進(jìn)行兩次拆換撐操作時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形值有一定幅度增大；尤其在第一道支撐拆除后，由于上部位置結(jié)構(gòu)剛度較小，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平變形有明顯增大。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)應(yīng)位置的變形監(jiān)測(cè)，如實(shí)測(cè)變形過(guò)大，則需采取相關(guān)控制措施。

3.3 地表沉降分析

由于在角部設(shè)置內(nèi)支撐的4號(hào)測(cè)點(diǎn)與在軸對(duì)稱處設(shè)置內(nèi)支撐的3號(hào)測(cè)點(diǎn)位置相近，因此選取兩測(cè)點(diǎn)位置作為典型位置，繪制不同工況下地表沉降曲線(沉降為負(fù)、隆起為正)，如圖5所示。對(duì)比兩方案，其共同點(diǎn)為:當(dāng)開(kāi)挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時(shí)，其整體表現(xiàn)為“三角形”變形形態(tài)。

隨著開(kāi)挖深度的增大及內(nèi)支撐逐步施作，地表沉降表現(xiàn)為“拋物線形”變形形態(tài)。由地表沉降曲線可知，基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體的主要影響區(qū)為(0～2.0)H，次要影響區(qū)為(2.0～3.0)H。當(dāng)間距大于3.0H后，基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體影響非常微弱。當(dāng)基坑進(jìn)行兩次拆換撐操作時(shí)，地表沉降的變形值有一定幅度增大。以4號(hào)測(cè)點(diǎn)位置為例，第二次開(kāi)挖深度為10.25 m時(shí)，地表沉降最大值為11.46 mm；第三次開(kāi)挖深度為16.8 m時(shí)，地表沉降最大值為31.50 mm，較開(kāi)挖2增幅63.6%?？梢?jiàn)，基坑第三次開(kāi)挖挖深范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土層是造成地表沉降顯著增大的主要因素。

當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底后，兩種方案沉降最大值基本穩(wěn)定在0.6H位置處，分別為31.50 mm與31.24 mm?？梢?jiàn)，二者對(duì)于地表沉降的控制效果相差不大[11-12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬，分析了深厚淤泥質(zhì)土層對(duì)于基坑變形特性的影響，對(duì)比了兩種內(nèi)支撐方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降的變化規(guī)律。

(1)當(dāng)開(kāi)挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為“懸臂梁式”變形形態(tài)。隨著開(kāi)挖深度增大及內(nèi)支撐逐步施作，圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為中部向坑內(nèi)凸出的“鼓肚形”變形形態(tài)。受淤泥質(zhì)粘土層的存在，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形顯著增加。在角部設(shè)置兩道內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值位于地面以下0.77H位置，為42.3 mm；在軸對(duì)稱處設(shè)置一道內(nèi)支撐其最大值位于地面以下0.70H位置處，最大值為47.48 mm。因此，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制方面，在角部設(shè)置兩道內(nèi)支撐優(yōu)于在軸對(duì)稱處設(shè)置一道內(nèi)支撐方案。

(2)當(dāng)開(kāi)挖深度較淺且未設(shè)置內(nèi)支撐時(shí)，其整體變形表現(xiàn)為“三角形”變形形態(tài)。隨著開(kāi)挖深度的增大及內(nèi)支撐逐步施作，地表沉降表現(xiàn)為“拋物線形”變形形態(tài)。挖深范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)土層是造成地表沉降顯著增大的重要因素。兩種方案的最大值均基本穩(wěn)定在0.6H位置，最大沉降變形分別為31.50 mm、31.24 mm，因此二者對(duì)于地表沉降的控制效果相差不大。

(3)受深厚淤泥質(zhì)土層影響，當(dāng)基坑進(jìn)行兩次拆換撐操作時(shí)，尤其是拆除第一道支撐時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降變形值均有一定幅度增大。因此，拆換撐過(guò)程應(yīng)做好實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)工作，如變形過(guò)大，需采取相關(guān)控制措施。