復雜環境條件下某深基坑設計與應用實例

李 維

(江蘇華晟建筑設計有限公司,江蘇 徐州 221006)

0 引言

隨著城市建設的發展,土地資源的開發利用加快,興建了大量高層建筑和地下結構,地下室的開挖深度越來越大,因此基坑施工過程中對周圍環境影響的控制要求也越來越高。

針對基坑施工對鄰近環境的影響,國內外眾多學者進行了相關研究。王罡[1]運用ANSYS有限元軟件對基坑開挖施工可能引起的既有地鐵隧道結構變形進行三維模擬分析,驗證了模擬預測的可靠性。呂文龍等[2]運用ANSYS三維有限元計算模型分析了在不同基坑間距情況下相鄰建筑基坑對地鐵基坑開挖變形的影響,為實際工程的設計和施工提供依據。杭寶國等[3]以某供熱管線工程為背景,通過建立深基坑開挖過程遇到的幾種管線計算模型,計算得到了基坑側壁與管線在應力、位移等方面的變化規律。陳濤等[4]通過有限元數值模擬對鄰近地鐵結構的基坑變形模擬,研究基坑施工對鄰近既有地鐵結構變形的影響,并提出控制變形措施的建議。陳勇超等[5]利用仿真分析軟件FLAC3D對基坑開挖支護過程中基坑周邊土體地表沉降變化規律、墻后土體水平位移變化規律以及支撐軸力變化規律等進行了研究。

本文結合徐州市某深基坑工程實例,采用Midas GTS有限元軟件對鄰近既有建筑物、道路等基坑工程的施工過程進行模擬計算分析并與監測成果作對比,分析評價基坑施工對周邊環境的影響。

1 工程概況

擬建工程位于徐州市老城區,地下室3層。基坑周長約330 m,面積約7 000 m2,基坑開挖深度14.0 m～17.3 m。

1.1 周邊環境條件

基坑周邊環境復雜,北側距用地紅線6.2 m,紅線外為銅沛路;東側距用地紅線5.9 m～7.8 m,紅線外為中山北路;南側距用地紅線5.0 m～8.5 m,紅線外40 m為故黃河;西側距已建C地塊住宅區建筑物4.1 m～12.5 m,(C2號樓為地上32層,地下2層,剪力墻結構,預制樁基礎;C4號樓為地上34層,地下2層,剪力墻結構,預制樁基礎;-2層地下室為框架結構,筏板基礎);鄰近C地塊住宅區一側圍護樁及止水帷幕先期作為住宅區基坑支護結構已施工。周邊道路下存在通信、電力、給水、排水、燃氣等市政管線。

基坑周邊環境情況如圖1所示。

由于基坑開挖對周邊環境的安全性可能構成不利影響,分析評價基坑施工過程中對周邊環境的影響很有必要。

1.2 工程地質條件

基坑支護深度范圍內的巖土層情況如下:

①層雜填土:以碎磚、石塊及灰渣等建筑垃圾為主,結構松散。厚度1.00 m～5.00 m。

②層粉土:稍密,干強度、韌性低;厚度5.50 m～11.00 m。

③層粉土:稍密,干強度、韌性低;厚度3.00 m～7.00 m。

④層粉質黏土:局部夾粉土,局部夾少量片石、碎石、草木灰、青磚瓦片等,干強度、韌性中等;厚度2.00 m～6.40 m。

⑤層黏土:可—硬塑,干強度、韌性高;厚度3.50 m～8.00 m。

⑥層含砂姜黏土:硬塑,干強度、韌性高;厚度11.30 m～15.50 m。

1.3 基坑支護方案

由于基坑周邊環境復雜,基坑支護結構變形要求高,為保護基坑周邊建筑物、道路、管線等,基坑支護結構采用一排φ1 000@1 300 mm鉆孔灌注樁(鄰近建筑物處為φ1 200@1 500 mm鉆孔灌注樁)+三道鋼筋混凝土水平支撐體系,基坑外圍采用一排φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕。典型支護剖面見圖2。

1.4 基坑支護結構計算

基坑支護設計計算采用彈性法土壓力模型,采用理正深基坑7.0專業軟件計算圍護樁內力、位移包絡圖見圖3。

經計算,圍護墻對前趾的抗傾覆安全系數KQ=1.975>1.30,滿足規范要求。采用瑞典條分法計算基坑整體穩定性,應力狀態為總應力法,條分法中的土條寬度為1.00 m。滑裂面數據:整體穩定安全系數Ks=1.595>1.35,滿足規范要求。

通過內力變形計算分析,圍護樁最大水平位移為20.7 mm。采用灌注樁加三道鋼筋混凝土內支撐的支護方案,可以滿足基坑支護要求。

2 數值模型分析

2.1 計算模型的建立

基坑周邊環境復雜,特別是西側緊鄰已建高層建筑,為了較準確地預測基坑開挖對周邊環境的影響,采用MIDAS GTS大型巖土三維分析軟件進行數值分析。該軟件可以很好地模擬地層和結構之間的相互作用,能夠再現地下工程施工過程中的應力狀態[6]。

充分考慮工程模擬精度與效率,土層邊線到基坑邊線距離取基坑深度的3倍,計算模型的尺寸長×寬×高分別定為230 m×214 m×50 m。在模型中,根據支護設計方案及勘察成果:土體從地表往下分成6層,采用混合網格模擬,計算分析土層采用修正Mohr-Coulomb模型,圍護結構、基坑內支撐和立柱分別采用結構板單元、梁單元模擬。

計算模型四周邊界約束水平位移,底部全約束,立柱底端約束豎向轉動;模型考慮土體及結構自重荷載,地面超載取20 kPa,建筑荷載取15 kPa/層。計算模型見圖4。

2.2 模擬計算參數

數值模擬中的計算參數主要包括土體、支護樁、內支撐以及立柱的物理力學參數。在土體的模擬中按照實際的土體分層情況來模擬,將土體分為6層。具體參數取值見表1。其他結構包括支護樁、內支撐以及立柱等,由于其剛度較大,認為上述材料在基坑開挖過程中仍處于彈性狀態,因此,數值模擬中采用線彈性模型來模擬它們的變形和受力特征。具體參數見表2。

表1 數值模型計算土體參數一覽表

表2 數值模型結構體計算參數一覽表

2.3 模擬計算步驟

為了準確模擬基坑開挖對鄰近周邊環境的影響,采用動態模擬施工過程,其步驟如下:1)初始應力平衡計算;2)施加周邊建筑物荷載、基坑圍護結構施工;3)止水帷幕、立柱及立柱樁施工;4)第一次土方開挖,開挖深度至2.70 m;5)施工第一道內支撐體系;6)第二次土方開挖,開挖深度至7.70 m;7)施工第二道內支撐體系;8)第三次土方開挖,開挖深度至12.00 m;9)施工第三道內支撐體系;10)第四次開挖,開挖至坑底。

在分工況連續計算中,位移和應力是逐次累加的,上一工況的應力和位移將作為下一工況的初始應力和初始位移狀態。

2.4 數值模擬計算結果

基坑開挖至坑底時,圍護結構的水平位移情況見圖5及圖6,圍護結構的變形特征為各支護邊中間位移大,兩端位移小,中間最大位移約18.3 mm,出現在X軸方向。

通過數值模擬可得到不同施工工況下周邊地表沉降值,隨著基坑開挖深度的不斷增加,地表的沉降值也不斷增大,最大位移發生在基坑開挖至坑底。由圖7可以看到,基坑開挖完成后,坑底會發生隆起,在立柱與圍護結構之間的土體中心隆起位移最大,約50 mm,臨近基坑邊隆起量明顯減小。基坑周邊地表的沉降隨著距基坑距離的增大而減小,最終趨于零,即基坑開挖對距離較遠的地表沉降無影響;基坑開挖影響范圍內,地表沉降最大值為7.7 mm。同時,基坑開挖時,周邊的建筑豎向位移最大值為5 mm,因此,基坑開挖對周邊建筑影響較小,在可控范圍內。

3 基坑監測成果分析

本工程針對基坑支護結構水平及豎向位移、深層水平位移、周邊建筑物及道路、管線、支撐軸力、立柱沉降等共布置202個監測點,對變形、內力、水位等進行監測,基坑支護結構樁頂水平位移、深層水平位移及周邊環境監測點位置見圖8。

監測自圍護結構施工開始至基坑回填結束,取得了大量可靠的監測數據。主要監測點位移最大值見表3。主要支護結構深層水平位移如圖9所示、周邊建筑豎向位移如圖10所示。

表3 基坑監測成果一覽表

根據基坑監測成果,實測最大深層水平位移為18.19 mm,理正深基坑軟件計算最大水平位移值為20.7 mm,MIDAS GTS三維分析軟件計算最大水平位移值為18.3 mm,支護樁變形實測值與理論計算值較為接近。深層水平位移曲線形態與計算較為吻合,樁身最大位移均發生在坑底以上3 m～4 m處,較好地反映了基坑實際變形情況。

周邊建筑的豎向位移在0.22 mm～4.23 mm之間、周邊道路的豎向位移在5.33 mm～13.14 mm之間,小于計算值和規范控制標準值,基坑施工期間建筑物、道路安全穩定。

基坑支護結構的變形及內力、周邊環境位移均在設計允許值范圍內,基坑安全穩定。

4 結論

本文基于MIDAS GTS軟件建立三維有限元模擬,分析評估基坑施工對鄰近環境的影響,得出以下結論:

1)基坑采用灌注樁+三道鋼筋混凝土水平支撐支護,圍護結構受力明確,變形小,安全性高。

2)通過理論計算和監測成果驗證,基坑開挖引起的變形與理論計算值較為接近且均小于規范控制值。基坑開挖對周邊環境特別是建筑物的影響在可控制范圍內,基坑支護結構及周邊環境安全穩定。

3)周邊環境復雜的深基坑,采用可靠的圍護結構體系并通過數值模擬計算、施工期間加強監測和控制,可以確保周邊環境的安全。

4)本基坑支護設計方案取得了良好的經濟效益和社會效益,對類似工程具有重要的指導意義和借鑒價值。