軟土地區(qū)鄰近既有建筑半蓋挖深基坑變形特征

徐 健 周子涵 王林楓 周小涵

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，210005，南京； 2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，400045，重慶∥第一作者，高級(jí)工程師)

近年來，由于城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，特別是城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，深基坑工程大量涌現(xiàn)。軟土地區(qū)實(shí)施的深基坑工程往往容易產(chǎn)生較大的變形。目前，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注基坑開挖與既有建(構(gòu))筑物的相互影響問題。文獻(xiàn)[1]分析了與基坑邊呈不同角度條件下的淺基礎(chǔ)框架建筑受基坑開挖的影響。文獻(xiàn)[2]結(jié)合深厚軟黏土地區(qū)某地鐵車站深基坑工程進(jìn)行了系統(tǒng)性監(jiān)測及結(jié)果分析，總結(jié)了基坑變形與開挖深度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[3]基于某地鐵車站深基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了自基坑開挖到主體結(jié)構(gòu)施作不同階段引發(fā)的鄰近建筑沉降值比例關(guān)系。文獻(xiàn)[4]通過數(shù)值模擬的方法，擬合了圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移值與地面最大沉降值之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[5-6]基于寧波地區(qū)軌道交通工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了城市軌道交通深基坑周邊建筑物安全評(píng)判方法與施工對(duì)周邊建筑物影響的簡化預(yù)測分析方法。

城市用地緊張、施工工期限制、變形控制要求及交通往來需求等因素使得兼顧明挖和蓋挖優(yōu)點(diǎn)的半蓋挖基坑施作方法獲得了廣泛的應(yīng)用[7-10]，因此有必要對(duì)半蓋挖基坑變形特性及其環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行深入研究。由于蓋板和上方交通荷載，半蓋挖深基坑往往承受較大的偏壓，而同側(cè)存在既有建筑的情況加劇了這種非對(duì)稱偏壓，此時(shí)基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與穩(wěn)定情況尚不明了。本文以南京地鐵5號(hào)線山西路站的軟土地區(qū)半蓋挖深基坑工程為例，采用數(shù)值模擬方法，將基礎(chǔ)形式、支護(hù)形式等作為變量，設(shè)計(jì)了8組數(shù)值模擬工況進(jìn)行分析研究。本研究旨在為相關(guān)工程提供一定的借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

南京地鐵5號(hào)線山西路站為一座地下二層島式車站，基坑位置及周邊建筑物情況如圖1所示。車站長為272.80 m，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.10 m，頂板覆土厚約3.08 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為16.60 m。南端頭井寬為25.30 m，頂板覆土厚約3.07 m，基坑深度約為17.93 m。北端頭井寬為25.30 m，頂板覆土厚約為3.21 m，基坑深度約為18.13 m。基坑采用800 mm厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井地連墻入土深度分別為13.50 m和14.50 m，地連墻底位于粉質(zhì)黏土中。受場地限制，采用左線半幅鋪蓋疏解交通。坑內(nèi)共設(shè)置4道支撐，其中第1道為混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×1 000 mm，深度為0.5 m，第2道—第4道支撐為φ609 mm(厚度為16 mm)鋼支撐，其深度分別為5.50 m、10.00 m、13.50 m。基坑開挖遵循先撐后挖的原則，開挖到對(duì)應(yīng)支撐深度后立即施作支撐，再進(jìn)行后續(xù)土體的開挖。半蓋挖基坑支護(hù)體系示意圖如圖2所示。

圖1 基坑位置及其周邊建筑物情況

圖2 半蓋挖基坑支護(hù)體系示意圖

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

基坑處于秦淮河漫灘平原區(qū)，軟土、砂土發(fā)育，地層自上而下依次為：①雜填土；②素填土；③粉砂；④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；⑤粉質(zhì)黏土；⑥強(qiáng)風(fēng)化安山巖；⑦中風(fēng)化安山巖。

基坑處于飽和弱透水層中，實(shí)測場地地下水位為1.2～2.6 m，年變化幅度約為1.0 m。淺部松散層中透水層主要為填土層，其余地層透水性弱，為相對(duì)不透水層。

1.3 周邊環(huán)境

基坑周邊主要建筑物概況如表1所示，深基坑周邊建筑物位置關(guān)系平面圖如圖3所示。

表1 基坑周邊主要建筑物概況Tab.1 Overview of main buildings around foundation pit

圖3 深基坑周邊建筑物位置關(guān)系

2 建立數(shù)值計(jì)算模型

2.1 確定模型參數(shù)

采用有限差分法軟件FLAC3D 5.0進(jìn)行建模計(jì)算。模型中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土采用修正劍橋模型進(jìn)行計(jì)算，其余土層和巖層采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行計(jì)算。地層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)，其參數(shù)如表3所示。建筑參數(shù)與地連墻相同，樁基礎(chǔ)尺寸及參數(shù)與混凝土立柱樁相同。接觸面參數(shù)如表4所示。高層建筑地下室側(cè)面接觸面參數(shù)與地連墻側(cè)面相同，底面接觸面參數(shù)與地連墻底面相同。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Stratum physical mechanics parameters

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Supporting structure parameters

表4 接觸面參數(shù)Tab.4 Contact surface parameters

2.2 確定蓋板荷載

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》及場地實(shí)際情況，圍擋外側(cè)5 m范圍、地連墻外4 m范圍用于交通行車，按照普通行車荷載施加20 kPa的均布荷載。圍擋外側(cè)5 m范圍內(nèi)行走渣土車，按照集中荷載的形式施加在蓋板上。根據(jù)CJJ 77—1998《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》以及山西路地鐵車站設(shè)計(jì)文件，臨時(shí)路面鋪蓋系統(tǒng)荷載采用城-A級(jí)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)。車輛荷載的沖擊力計(jì)算方法為自重荷載乘以(1+μ)，其中μ為沖擊系數(shù)，其值最大不得超過0.4。沖擊系數(shù)計(jì)算公式為：

μ=0.668 6-0.303 21 lgL

(1)

式中：

L——上部構(gòu)造的跨徑，m。

上部蓋板的跨徑為10 m，可以計(jì)算得出μ=0.365 39，取μ=0.37進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型中的蓋板荷載分布示意圖如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型中的蓋板荷載分布示意圖

2.3 數(shù)值計(jì)算模型

考慮邊界效應(yīng)，確定模型尺寸為171.0 m(長)×154.0 m(寬)×50.0 m(高)。建筑D位于基坑蓋板側(cè)距離基坑邊緣10.8 m處，距基坑最遠(yuǎn)距離為30.8 m；建筑C位于基坑蓋板側(cè)距離基坑邊緣15.8 m處，距基坑最遠(yuǎn)距離為45.8 m。數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。模型四周約束法向變形，底部約束各向變形，頂部不施加約束。蓋板及地連墻外4.0 m范圍內(nèi)施加蓋板荷載。在鋼支撐與地連墻連接處施加向基坑外的集中力以模擬鋼支撐預(yù)加軸力，其大小為：第1道鋼支撐施加800 kN預(yù)加軸力，第2道和第3道鋼支撐施加600 kN預(yù)加軸力。

圖5 數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Numerical calculation model

模擬過程中考慮基坑的分步開挖與支護(hù)，支撐采用梁單元模擬，中立柱及抗拔樁采用樁單元模擬，蓋板采用實(shí)體單元模擬，并與地連墻剛接。模型地應(yīng)力平衡且位移清零后，施作地連墻及中柱，然后開挖至第1道支撐底面，施作第1道混凝土支撐及蓋板，隨后依次開挖至第2道、第3道、第4道支撐底并施作支撐，最后開挖至基坑底。

3 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 建筑D的位移

開挖完成后，對(duì)比地連墻側(cè)移與建筑D的豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值，如圖6所示。由圖6可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值較為吻合，受建筑荷載和蓋板及行車荷載的影響，兩側(cè)地連墻頂部有向基坑無建筑側(cè)移動(dòng)的趨勢，頂部側(cè)移量約為5～10 mm。建筑側(cè)地連墻最大側(cè)移達(dá)到了25 mm左右，無建筑側(cè)最大側(cè)移不超過20 mm，最大側(cè)移位置在開挖面附近。由于地連墻未嵌巖，底部發(fā)生了一定向基坑內(nèi)的側(cè)移。在位移方面，建筑D的第二部分建筑物位移模擬值與監(jiān)測值吻合得較好，第一部分建筑物位移模擬值要小于監(jiān)測值(見圖6 b))，原因在于建筑D呈L型，分為兩段施工，第一部分平行于基坑方向且處于基坑開挖主要影響區(qū)，受基坑開挖影響較大，模擬中未考慮建筑D的實(shí)際施工分段，建筑沉降結(jié)果較為均勻。受建筑剛度影響，距離基坑越近，建筑物沉降越大，沉降值與距離呈明顯的線性關(guān)系。建筑遠(yuǎn)端由于建筑物的整體偏轉(zhuǎn)發(fā)生向上的隆起。

圖6 地連墻側(cè)移與建筑D豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值對(duì)比Fig.6 Comparison between numerical simulation and field monitoring results of diaphragm wall lateral displacement and building D vertical displacement

3.2 建筑C的沉降

開挖完成后，對(duì)比地連墻側(cè)移與建筑C的沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值，如圖7所示。由圖7可知，建筑和蓋板荷載導(dǎo)致地連墻頂部向無建筑側(cè)移動(dòng)，但其地連墻側(cè)移量要大于建筑D。由于建筑體量大導(dǎo)致荷載較大，兩側(cè)地連墻變形差異更為顯著。在沉降方面，數(shù)值模擬與監(jiān)測結(jié)果吻合得較好。與建筑D相比，由于地下室和樁基的作用，基坑開挖引起的建筑C沉降較小。此外，由于建筑C體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其沉降表現(xiàn)出更明顯的空間效應(yīng)。

圖7 地連墻側(cè)移與建筑C沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測值對(duì)比

4 變形影響因素分析

4.1 計(jì)算工況

在前文數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究蓋板、地連墻深度等因素對(duì)軟土地區(qū)鄰近既有建筑情況下深基坑開挖變形的影響。各工況具體計(jì)算數(shù)值如表5所示。為了便于對(duì)比，建筑均布置在基坑蓋板側(cè)(或無蓋板組同樣位置)距離基坑邊緣10.0 m處，距離基坑最遠(yuǎn)處距離為30.0 m。

表5 各工況計(jì)算數(shù)值Tab.5 Calculation value of each working condition

4.2 地連墻側(cè)移

8種計(jì)算工況下，建筑側(cè)地連墻側(cè)移曲線如圖8所示。不同建筑基礎(chǔ)形式下，蓋板和地連墻深度對(duì)地連墻側(cè)移的影響規(guī)律相同。蓋板通過與地連墻間的剛性連接顯著影響地連墻頂部以下8 m內(nèi)的變形曲線，使頂部發(fā)生向基坑外的撓曲。地連墻嵌巖能極大地限制底部側(cè)移，但其下半段的整體變形略有增大。由于樁基礎(chǔ)建筑層數(shù)高、建筑荷載大，導(dǎo)致其地連墻側(cè)移量明顯大于淺基礎(chǔ)建筑。一方面其地連墻最大側(cè)移量達(dá)到了32～35 mm，大于淺基礎(chǔ)建筑下的地連墻最大側(cè)移量25～27 mm；另一方面其頂部側(cè)移量達(dá)到了16～22 mm，大于淺基礎(chǔ)建筑下的頂部側(cè)移量2～9 mm。此外，樁基礎(chǔ)建筑下的地連墻最大側(cè)移位置也稍有上升。

圖8 8種計(jì)算工況下建筑側(cè)地連墻側(cè)移曲線

綜上所述，既有建筑使基坑側(cè)產(chǎn)生偏壓，并使地連墻側(cè)移曲線整體發(fā)生向基坑內(nèi)的移動(dòng)；蓋板主要影響地連墻頂變形，通過與地連墻的剛性連接使頂部發(fā)生翹曲；地連墻嵌入巖層可以限制自身底部側(cè)移量，從而改變地連墻下端側(cè)移曲線形狀。既有建筑、蓋板和地連墻嵌巖對(duì)地連墻側(cè)移曲線影響示意圖如圖9所示。由圖9可知：既有建筑使基坑側(cè)產(chǎn)生偏壓，并使地連墻側(cè)移曲線整體發(fā)生向基坑內(nèi)的移動(dòng)；蓋板主要影響地連墻頂變形，通過與地連墻的剛性連接使頂部發(fā)生翹曲；地連墻嵌入巖層可以限制自身底部側(cè)移量，從而改變地連墻下端側(cè)移曲線形狀。若同時(shí)存在2個(gè)因素甚至3個(gè)因素，其對(duì)地連墻側(cè)移曲線的影響可疊加。該結(jié)論可推廣到一般情況。

圖9 既有建筑、蓋板和地連墻嵌巖對(duì)地連墻側(cè)移曲線影響示意圖

4.3 地面沉降

8種計(jì)算工況下，建筑側(cè)坑外地面沉降如圖10所示。由圖10可知：坑外地面沉降受建筑基礎(chǔ)形式影響顯著，淺基礎(chǔ)建筑下坑外地面沉降曲線呈典型“凹槽形”；最大沉降位置約為距離基坑0.6倍開挖深度處，最大沉降量相差不大，約為16～18 mm；距離基坑2倍開挖深度后，地面沉降接近于0;蓋板會(huì)增大墻后約0～4 m內(nèi)的土體沉降；地連墻嵌入巖層(地連墻深度為35 m)后，坑外地面沉降比未嵌入巖層的地表沉降(地連墻深度為31 m)稍大。與淺基礎(chǔ)建筑相比，由于樁基礎(chǔ)建筑剛度大，協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng)，所以建筑位置的沉降變化趨近于直線。超高層建筑中，常采用箱型基礎(chǔ)以取得較好的地面變形控制效果。樁基礎(chǔ)建筑下，靠近基坑邊緣的地面沉降要大于淺基礎(chǔ)建筑，原因在于高層建筑荷載導(dǎo)致地連墻側(cè)移更大，加劇了附近的土體沉降。

圖10 8組計(jì)算工況下建筑側(cè)坑外地面沉降

兩種建筑形式下，有蓋板且地連墻深度為31 m時(shí)的坑外土體沉降云圖如圖11所示。由圖11可知:基坑開挖主要影響墻后2倍開挖深度以內(nèi)三角形區(qū)域的土體沉降;當(dāng)既有建筑有地下室時(shí)，最大地面沉降發(fā)生在建筑靠近基坑一側(cè)(與圖10結(jié)論相符)，此時(shí)建筑有向內(nèi)傾倒的趨勢。對(duì)比圖11 a)和圖11 b)可知；坑外存在淺基礎(chǔ)建筑時(shí)，坑外土體沉降影響范圍較大；而采用地下室和樁基礎(chǔ)的建筑，盡管建筑層數(shù)更多，但地面沉降影響范圍卻大大縮小。圖11進(jìn)一步證明了既有建筑地下室具有協(xié)調(diào)變形能力，可以有效減小土體沉降，控制沉降范圍。當(dāng)樁基礎(chǔ)較長時(shí)，可通過其與周圍土體的摩擦及樁端承載力控制建筑與周圍土體的沉降。

圖11 兩種建筑形式下有蓋板且地連墻深度為31 m時(shí)坑外土體沉降云圖Fig.11 Settlement nephogram of soil outside the pit with cover plates and diaphragm wall depth of 31 m under two building forms

5 結(jié)語

本文以實(shí)際工程為例，采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)淺基礎(chǔ)建筑和樁基礎(chǔ)建筑兩種建筑形式，根據(jù)有無蓋板、地連墻不同深度等因素，設(shè)計(jì)了8種計(jì)算工況，探討了鄰近既有建筑下半蓋挖基坑開挖變形特征。主要獲得以下結(jié)論：

1) 既有建筑與蓋板偏壓使地連墻頂向基坑內(nèi)移動(dòng)，其中蓋板通過與地連墻間的剛性連接使頂部發(fā)生翹曲，導(dǎo)致頂部側(cè)移增大約6 mm。地連墻嵌入巖層限制了底部側(cè)移，改變了地連墻下端側(cè)移曲線形狀，但對(duì)地連墻最大側(cè)移量作用不大。由于樁基礎(chǔ)建筑荷載較大，地連墻整體側(cè)向變形更大。

2) 淺基礎(chǔ)建筑附近的坑外地面沉降曲線呈典型“凹槽形”；樁基礎(chǔ)建筑由于基礎(chǔ)剛度大，坑外地面沉降呈直線，且其沉降量小于淺基礎(chǔ)建筑。蓋板顯著影響地連墻外側(cè)土體沉降，地連墻嵌固深度對(duì)地面沉降影響不大。

3) 基坑開挖主要影響墻后2倍開挖深度以內(nèi)三角形區(qū)域的土體沉降。既有建筑地下室和樁基礎(chǔ)的剛度較大，因此最大地面沉降發(fā)生在建筑靠近基坑一側(cè)，二者能有效控制土體沉降大小以及沉降范圍。