基于流固耦合的深基坑周邊地表沉降界線分析

李 明,李化明

(佳木斯大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 黑龍江 佳木斯 154007)

近些年,深基坑工程在人口相對(duì)密集區(qū)域出現(xiàn)的頻率逐漸增加,并向著“更大、更寬、更深”的趨勢(shì)發(fā)展[1]。伴隨基坑各方向尺寸的增加,工程施工引起的周邊地表沉降也在逐漸增大,這直接影響到了臨近既有建(構(gòu))筑物或地下管線的正常使用。因此,研究如何減小工程施工所引起的周邊土體沉降一直倍受學(xué)者關(guān)注。

趙殿鵬等[2]運(yùn)用有限元軟件對(duì)某一實(shí)際基坑進(jìn)行模擬,結(jié)果表明:放坡開(kāi)挖結(jié)合樁支護(hù)的基坑支護(hù)方案具有較好的變形控制效果。李光明等[3]通過(guò)抽象化數(shù)學(xué)模型分析了止水帷幕深度、濾水管插入深度及降水速率對(duì)基坑變形的控制效果。張俊杰等[4]運(yùn)用有限元軟件midas GTS NX對(duì)沈陽(yáng)龍門(mén)地鐵車(chē)站基坑進(jìn)行了模擬分析,結(jié)果表明:適度的增加圍護(hù)樁嵌固深度與合理的布置支撐架設(shè)的位置均可起到一定的變形控制效果。俞強(qiáng)[5]通過(guò)對(duì)福州某一基坑工程進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè),提出優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與支撐體系等措施控制基坑變形。莫品強(qiáng)等[6]通過(guò)計(jì)算模型,提出了通過(guò)優(yōu)化冠梁和支撐的截面參數(shù)與位置來(lái)控制基坑變形。孫鐵軍等[7]通過(guò)對(duì)某一基坑工程進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),提出采用井點(diǎn)降水措施控制基坑邊坡變形。劉志剛[8]通過(guò)對(duì)上海市某一實(shí)際地鐵車(chē)站基坑進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè),提出通過(guò)嚴(yán)格遵循時(shí)空效應(yīng)原理或采用合理的開(kāi)挖方式來(lái)控制基坑工程變形。鄭剛等[9]以某鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的大面積基坑工程為實(shí)例,通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了注漿對(duì)土體變形的控制效果。王雄等[10]運(yùn)用PLAXIS 3D對(duì)一地鐵車(chē)站基坑進(jìn)行開(kāi)挖模擬,分析了凍結(jié)法施工對(duì)基坑周邊土體的變形控制效果。朱曉波[11]通過(guò)對(duì)上海市某一基坑項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),分析了分層、垂直開(kāi)挖的基坑變形控制效果。

施成華等[12]對(duì)一實(shí)際基坑工程進(jìn)行理論分析,結(jié)果表明:在距基坑周邊一定范圍以?xún)?nèi),開(kāi)挖和降水引所導(dǎo)致的地表變形大致相同,而在距基坑較遠(yuǎn)處,地表變形主要由降水導(dǎo)致。Roberts[13]通過(guò)對(duì)一實(shí)際基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出基坑外一定范圍內(nèi)的沉降是由應(yīng)力場(chǎng)的改變而引起的,而范圍外的沉降主要是由滲流場(chǎng)的改變所引起。朱雁飛[14]通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)一實(shí)際基坑工程進(jìn)行降水開(kāi)挖模擬,模擬結(jié)果表明:在距離基坑一倍開(kāi)挖深度的范圍內(nèi),回灌井點(diǎn)對(duì)基坑外土體沉降幾乎沒(méi)有影響。張明飛[15]運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行模擬分析,提出坑外兩倍開(kāi)挖深度外的地表沉降主要由降水引起。張宏洲等[16]進(jìn)行了模擬回灌實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:近基坑側(cè)回灌井的回灌效果略差于遠(yuǎn)基坑側(cè)回灌井。

綜上所述,已有相對(duì)較多的學(xué)者分別提出了針對(duì)于基坑開(kāi)挖或基坑降水所導(dǎo)致的基坑周邊沉降變形控制措施,但卻較少關(guān)注被保護(hù)對(duì)象是否處在基坑開(kāi)挖或基坑降水所主導(dǎo)的沉降變形區(qū)域內(nèi)。若被保護(hù)建(構(gòu))筑物位于被基坑降水所主導(dǎo)的區(qū)域,卻采取了針對(duì)于基坑開(kāi)挖的沉降控制措施,那么控制變形的效果與經(jīng)濟(jì)效益勢(shì)必不好,反之同理。目前,已有少部分學(xué)者對(duì)基坑外地表沉降主導(dǎo)分區(qū)進(jìn)行了初步探索,但卻并沒(méi)有真正的觸及到問(wèn)題核心,更沒(méi)有提出“基坑周邊地表沉降主導(dǎo)界線”的概念。

本文運(yùn)用有限元軟件midas GTS NX,在考慮流固耦合的先決條件下,對(duì)基坑周邊地表沉降區(qū)域是否存在界線問(wèn)題進(jìn)行分析。使得設(shè)計(jì)人員能夠依據(jù)被保護(hù)建(構(gòu))筑物所在的區(qū)域,制定出相對(duì)較為高效與合理的變形控制方案,具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程位于廣州市某交十字叉路口的東南角,北面與西面均面向公路,工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜,變形控制要求相對(duì)較高。現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地存在矩形二層地下室,長(zhǎng)53 m,寬為49 m,總開(kāi)挖深度12.4 m。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

依據(jù)本工程的地質(zhì)勘察報(bào)告,場(chǎng)地土層物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地土層物理參數(shù)

在場(chǎng)地地下水中,水位埋深為1.28 m～2.77 m,大氣降水為其主要供應(yīng)來(lái)源。場(chǎng)地中的粉質(zhì)黏土與粉土土層透水性相對(duì)較差。

1.3 基坑支護(hù)方案

基坑圍護(hù)體系采用地下連續(xù)墻與混凝土內(nèi)支撐圍護(hù)體系,地下連續(xù)墻厚為750 mm,深度為20 m。共兩道內(nèi)支撐,對(duì)撐平面尺寸為750 mm×1 000 mm,角撐與斜撐平面尺寸為600 mm×700 mm,兩道支撐中心線標(biāo)高分別為-3.6 m,-8.7 m。共設(shè)立四根立柱,直徑為1 m。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖

1.4 降水方案

坑內(nèi)井點(diǎn)降水、坑外不降水。采用分步,分層降水。共分三次,降深分別為-5 m,-10.2 m,-13.4 m。基坑總涌水量為630 m3/d,共32口井,沿基坑內(nèi)側(cè)布置,間距為6 m。

1.5 土方開(kāi)挖方案

該基坑工程共進(jìn)行三步開(kāi)挖,依次開(kāi)挖至地表下4.1 m、9.2 m與12.4 m處,并在第一、二步開(kāi)挖結(jié)束后,進(jìn)行第一道與第二道混凝土支撐的架設(shè)。

1.6 變形監(jiān)測(cè)方案

地連墻墻身水平位移監(jiān)測(cè):采用伺服加速器計(jì)式測(cè)斜儀測(cè)量地連墻的水平位移,采用測(cè)斜管進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。

地表沉降監(jiān)測(cè):所設(shè)立的測(cè)點(diǎn)盡可能的貫穿路面的表面,設(shè)置在強(qiáng)度較高的土體中。監(jiān)測(cè)頻率為1次/d。

2 有限元模型

2.1 模型尺寸與網(wǎng)格劃分

運(yùn)用有限元軟件midas GTS NX建立三維基坑模型如圖2所示。依據(jù)以往的建模經(jīng)驗(yàn)[17],選取基坑施工水平方向的影響范圍為3H～4H(H為基坑開(kāi)挖深度),豎直方向?yàn)?H～4H,故確定本模型的尺寸為140 m×140 m×45 m(長(zhǎng)×寬×高)。采用三維網(wǎng)格模擬土體,二維網(wǎng)格模擬基坑地連墻,一維網(wǎng)格模擬內(nèi)支撐與基坑立柱。為盡可能的兼顧數(shù)值模型的計(jì)算效率與精確性,確定基坑部分的網(wǎng)格尺寸為2 m[17],外圍土層的網(wǎng)格尺寸為3 m。

圖2 有限元計(jì)算模型

2.2 計(jì)算本構(gòu)與邊界條件

首先是土層的本構(gòu)選取,由土的壓縮-回彈實(shí)驗(yàn)可知,土體在壓縮固結(jié)時(shí)所表現(xiàn)出的變形含有塑性變形,同時(shí)在滲透力的作用下,土體的變形也將體現(xiàn)一定的塑性[18],故選擇彈塑性本構(gòu)。

midas GTS NX中的摩爾庫(kù)倫計(jì)算模型與修正摩爾庫(kù)侖計(jì)算模型均為彈塑性本構(gòu)計(jì)算模型,由于摩爾庫(kù)倫本構(gòu)的土體只有單一剛度,不能處理土體卸荷時(shí)所表現(xiàn)出的變形特性[19],故選擇修正摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型。其余各構(gòu)件均為彈性本構(gòu)模型。

模型計(jì)算類(lèi)型選擇應(yīng)力-滲流-邊坡(考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)單向耦合),模型四周設(shè)置x與y方向的位移約束邊界條件,底部設(shè)置x、y及z方向的位移約束邊界條件,頂部為自由邊界[20]。

定義地表以下2.5 m均為潛水,同時(shí),定義不同降水后的水位,借助界面功能析取止水帷幕。通過(guò)反復(fù)的激活與鈍化不同深度位置的水頭邊界條件,來(lái)模擬基坑降水。

2.3 模型參數(shù)

各土體模型參數(shù)詳見(jiàn)表1,圍護(hù)體系參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

2.4.1 基坑周邊地表沉降對(duì)比

基坑周邊地表沉降的模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖如圖3所示。由圖3可知,模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降分布規(guī)律大體相同,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,均呈現(xiàn)出先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且均于距邊緣約一半開(kāi)挖深度處達(dá)到峰值。整體分析,兩組數(shù)據(jù)的地表沉降平均差值為0.036 mm,約為5.46%。

圖3 地表沉降對(duì)比圖

2.4.2 地連墻位移對(duì)比

地連墻水平位移的模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖4所示。由圖4可知,模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出的位移分布規(guī)律基本相同,均呈現(xiàn)出隨著深度的增加先增大后減小。模擬數(shù)據(jù)于深度約8.7 m處達(dá)到最大值,約為5.16 mm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)于深度約6.8 m處達(dá)到最大值,約為5.06 mm。整體分析,兩組數(shù)據(jù)的地連墻水平位移平均差值為0.39 mm,約為6.22%。

圖4 地連墻水平位移對(duì)比圖

2.5 模擬方案

為探究在考慮流固耦合的情況下,基坑周邊地表沉降區(qū)是否存在沉降主導(dǎo)分界線的問(wèn)題,共建立3個(gè)對(duì)比分析模型,分別為僅考慮土體開(kāi)挖作用的基坑模型(模型一)、僅考慮降水作用(進(jìn)行耦合計(jì)算)的基坑模型(模型二)及開(kāi)挖與降水同時(shí)考慮的基坑模型(模型三)。

3 模擬結(jié)果分析

提取基坑模型較長(zhǎng)側(cè)外中部一直線上各節(jié)點(diǎn)的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為更加充分地論述所研究的問(wèn)題,分別對(duì)每一步基坑開(kāi)挖或基坑降水后的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 第一步開(kāi)挖后的地表沉降數(shù)據(jù)分析

各模型第一步開(kāi)挖或降水后的地表沉降對(duì)比圖如圖5所示。由圖5可知,模型一與模型三的沉降分布規(guī)律基本相同,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加(各模型的節(jié)點(diǎn)間距均約為2.41 m),均呈現(xiàn)出先隆起后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且均于距基坑邊緣約6 m處達(dá)到隆起位移的最大值。模型二的地表沉降分布形式較為單一,呈現(xiàn)為典型的“漏斗”狀,既隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,地表沉降逐漸減小,變形規(guī)律較為單一。

圖5 第一步開(kāi)挖后各模型地表沉降對(duì)比圖

在距基坑邊緣0 m～20 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的沉降差值見(jiàn)表3。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一與模型三的沉降差值相對(duì)比較穩(wěn)定,始終在0.061 mm附近上下波動(dòng)。模型二與模型三的沉降差值隨著與基坑邊緣距離的增加不斷減小,由最大差值0.68 mm減小到了0.11 mm,減小了約83.82%,但總體而言,普遍大于前者。由此可知,在該區(qū)間內(nèi),基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降的影響程度較為穩(wěn)定,而基坑降水對(duì)周邊地表沉降的影響程度卻在不斷增大。

表3 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置沉降差值表

在距基坑邊緣21 m～41 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的沉降差值見(jiàn)表4。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一與模型三的沉降差值逐漸增大,由0.067 mm增大到0.076 mm,增大了約13.43%。模型二與模型三的沉降差值逐漸減小,差值由-0.072 mm減小到約0.0043 mm,減小了近1倍,但總體而言,普遍小于前者。并且在距基坑邊緣約23 m位置處,兩模型與模型三的沉降差值十分接近。這表明,在該區(qū)間內(nèi),基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降的影響程度逐漸減小,而基坑降水對(duì)周邊地表沉降的影響程度仍在不斷增大,且在距基坑邊緣約23 m處,兩者的影響程度幾乎等同。

表4 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置沉降差值表

由上述分析可知,在第一步開(kāi)挖或降水結(jié)束時(shí),隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,開(kāi)挖作用對(duì)周邊地表沉降影響程度的變化規(guī)律為先穩(wěn)定后下降;降水作用對(duì)周邊地表沉降影響程度的變化規(guī)律為不斷提高,且在距基坑邊緣約21 m～23 m范圍內(nèi),兩者的影響程度幾乎等同。故對(duì)于基坑工程而言,在地表剛剛由于施工的影響而產(chǎn)生沉降時(shí),沉降區(qū)域內(nèi)便存已經(jīng)存在一個(gè)界線,該界線位于距基坑邊緣約21 m～23 m(1.69H～1.85H)范圍內(nèi),將基坑周邊地表沉降區(qū)域劃分為兩個(gè)沉降主導(dǎo)區(qū),界線以里為開(kāi)挖主導(dǎo)沉降區(qū),界線以外為降水主導(dǎo)沉降區(qū)。

3.2 第二步開(kāi)挖后的地表沉降數(shù)據(jù)分析

各模型第二步開(kāi)挖或降水后的地表沉降對(duì)比圖如圖6所示。由圖6可知,模型一與模型三的沉降變化規(guī)律大體相同,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,均呈現(xiàn)出先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且均于距基坑邊緣約5 m處達(dá)到最大值。模型二的地表沉降分布依舊呈現(xiàn)“漏斗”狀,即隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,地表沉降逐漸減小。

同時(shí),由圖6可知,模型二與模型三的沉降差值較為混亂,不利于分析。于是將圖6中的數(shù)據(jù)與圖5中的數(shù)據(jù)做差,得出基坑在第二步開(kāi)挖或降水完成后相較于前一相同施工步驟的地表沉降差值對(duì)比圖如圖7所示。由圖7可知,模型一與模型三的沉降差值變化規(guī)律較為相似,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定。模型二的沉降差值分布呈現(xiàn)“漏斗狀”,即隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,沉降差值逐漸減小。

圖6 第二步開(kāi)挖后各模型地表沉降對(duì)比圖

圖7 第二步開(kāi)挖后各模型地表沉降與第一步差值對(duì)比圖

為保持分析方法的統(tǒng)一性,假設(shè)沉降差值間的差值為α。在距基坑邊緣0 m～4 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值見(jiàn)表5。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一與模型三的α值逐漸減小,由0.25 mm減小到-0.016 mm,減小了近1倍。模型二與模型三的α值逐漸增大,由0.27 mm增大到0.75 mm,增大了約1.78倍,且普遍大于前者。由此可知,在該區(qū)間內(nèi),基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降的影響程度逐漸增大,而基坑降水對(duì)周邊地表沉降的影響程度卻在不斷減小。

表5 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值表

在距基坑邊緣5 m～14 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值見(jiàn)表6。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一與模型三的α值逐漸增大并趨于穩(wěn)定,由0.095 mm增大到0.47 mm,增大了約4倍。模型二與模型三的α值逐漸減小,由0.67 mm減小到-0.039 mm,減小了約一倍,且與前者的大小關(guān)系發(fā)生了變化,在距基坑邊緣約8 m處,模型一、模型二與模型三的α值較為接近。由此可知,在該區(qū)間內(nèi),基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降的影響程度逐漸減小并趨于穩(wěn)定,而基坑降水對(duì)地表沉降的影響程度卻在不斷增大。且在距基坑邊緣約8 m(0.65H)處,兩者的影響程度較為接近。

表6 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值表

在距基坑邊緣15 m～41 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值見(jiàn)表7。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一與模型三的α值已基本平穩(wěn),不再有顯著變化。模型二與模型三的α值仍舊逐漸減小,由-0.07 mm減小到0.031 mm,減小了約1.44倍,且依舊小于前者。由此可知,在該區(qū)間內(nèi),基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降的影響程度已基本穩(wěn)定,而基坑降水對(duì)地表沉降的影響程度依舊在不斷增大。

表7 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值表

由上述分析可知,在第二步開(kāi)挖或降水結(jié)束后,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,開(kāi)挖作用對(duì)周邊地表沉降影響程度的變化規(guī)律為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定;降水作用對(duì)周邊地表沉降影響程度的變化規(guī)律為先減小后增大,且在距基坑邊緣約8 m(0.65H)處,兩者的影響程度幾乎等同。故對(duì)于基坑工程而言,在地表由于第二次施工擾動(dòng)而產(chǎn)生沉降時(shí),沉降區(qū)域依舊存在一個(gè)界線,該界線位于距基坑邊緣約8 m(0.65H)處。界線以里為開(kāi)挖主導(dǎo)沉降區(qū),界線以外為降水主導(dǎo)沉降區(qū)。

3.3 第三步開(kāi)挖后的地表沉降數(shù)據(jù)分析

延續(xù)第3.2小節(jié)的分析思路,將基坑第三步開(kāi)挖或第三步降水后的周邊地表沉降數(shù)據(jù)與基坑上一施工階段結(jié)束時(shí)的地表沉降數(shù)據(jù)做差。得出基坑在第三步開(kāi)挖或降水后相較于前一相同施工步驟的地表沉降差值對(duì)比圖如圖8所示。由圖8可知,模型一與模型三的沉降差值分布規(guī)律大體相同,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定。模型二的沉降差值分布較為均勻,近似為一條水平的直線。

圖8 第三步開(kāi)挖后各模型地表沉降與第二步差值對(duì)比圖

在距基坑邊緣0 m～12 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值見(jiàn)表8。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一與模型三的α值先減小后增大,模型二與模型三的α值先增大后減小,且普遍大于前者。在距基坑邊緣10 m～12 m范圍內(nèi),兩組數(shù)據(jù)較為接近。由此可知,在該區(qū)間內(nèi),基坑開(kāi)挖對(duì)基坑周邊地表沉降的影響程度為先增大后減小,而基坑降水對(duì)基坑周邊地表沉降的影響程度為先減小后增大。

表8 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值表

在距基坑邊緣13 m～41 m范圍內(nèi),模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值見(jiàn)表9。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,模型一、模型二與模型三的α值均逐漸減小,且在距基坑邊緣約14 m處兩組數(shù)據(jù)較為接近。但兩組數(shù)據(jù)總體上的大小卻完全不同,模型二與模型三的α值普遍小于前者,前者的α平均值約為0.64 mm,后者的平均值僅約為0.23 mm。由此可知,在該區(qū)間內(nèi),雖然基坑開(kāi)挖與降水對(duì)周邊地表沉降的影響程度均逐漸增大,但后者仍舊占據(jù)主導(dǎo)地位。

表9 模型一、模型二與模型三對(duì)應(yīng)位置的α值表

由上述分析可知,在第三步開(kāi)挖或降水結(jié)束后,隨著與基坑邊緣距離的逐漸增加,開(kāi)挖作用對(duì)周邊地表沉降影響程度的變化規(guī)律為先增大后減小再增大,最終趨于穩(wěn)定;降水作用對(duì)周邊地表沉降影響程度的變化規(guī)律為先減小后持續(xù)增大,且在距基坑邊緣約10 m～14 m(0.81H～1.13H)范圍內(nèi),兩者的影響程度幾乎等同。故對(duì)基坑工程而言,當(dāng)?shù)乇碓谧詈笠坏朗┕すば蚪Y(jié)束并發(fā)生沉降時(shí),沉降區(qū)域依然存在一個(gè)界線,該界線位于距基坑邊緣約10 m～14 m(0.81H～1.13H)范圍內(nèi)。界線以里為開(kāi)挖主導(dǎo)沉降區(qū),界線以外為降水主導(dǎo)沉降區(qū)。

綜上所述,在考慮流固耦合的情況下,對(duì)于基坑工程的任意一個(gè)施工階段,基坑周邊地表沉降區(qū)均存在沉降主導(dǎo)界線,界線以?xún)?nèi)為開(kāi)挖主導(dǎo)沉降區(qū),界線以外為降水主導(dǎo)沉降區(qū)。隨著施工進(jìn)程的逐步推進(jìn),沉降主導(dǎo)界線的位置在不斷變化,由最初的位于距基坑邊緣約21 m～23 m(1.69H～1.85H)范圍內(nèi),移動(dòng)到距基坑邊緣約8 m(0.65H)處,后移動(dòng)到距基坑邊緣約10 m～14 m(0.81H～1.13H)范圍內(nèi),即先向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)后又向基坑外側(cè)移動(dòng)。

分析原因,界線存在的主要原因?yàn)榛娱_(kāi)挖與基坑降水所導(dǎo)致基坑周邊地表沉降的范圍、大小及分布情況都不相同。以最后一道施工工序?yàn)槔?模型一與模型二的最終土體沉降剖圖如圖9與圖10所示。由圖9可知,基坑開(kāi)挖導(dǎo)致基坑周邊11.6 m范圍內(nèi)的土體發(fā)生了沉降,最大沉降達(dá)到了3.44 mm。由圖10可知,基坑降水導(dǎo)致基坑周邊30.6 m范圍內(nèi)的土體發(fā)生了沉降,最大沉降達(dá)到了1.1 mm。由此可知,基坑周邊鄰近土體的沉降主要由基坑開(kāi)挖所主導(dǎo),而較遠(yuǎn)處土體的沉降則主要由基坑降水所主導(dǎo)。

圖9 模型一最終沉降剖圖

圖10 模型二最終沉降剖圖

界線移動(dòng)的主要原因?yàn)椴煌襟E的基坑開(kāi)挖與降水對(duì)土體的擾動(dòng)程度是不同的。依舊以模型一與模型二為例,模型一與模型二第一步開(kāi)挖或降水后的地表沉降矢量圖如圖11與圖12所示。由圖11與圖12可知,模型一在第一步開(kāi)挖結(jié)束后的地表位移矢量基本指向上,而模型二在第一步降水完成后的地表位移矢量基本指向下,因此此時(shí)的界線相對(duì)靠外。

圖11 模型一第一步開(kāi)挖后的地表沉降矢量圖

圖12 模型二第一步降水后的地表沉降矢量圖

模型一與模型二第二步開(kāi)挖或降水后的地表沉降矢量圖如圖13與圖14所示。由圖13與圖14可知,模型一在第二步開(kāi)挖結(jié)束后,地表位移矢量發(fā)生了較大變化,不僅沉降矢量的大小發(fā)生變化,方向也發(fā)生了逆轉(zhuǎn),而模型二在第二步降水完成后的地表位移矢量?jī)H有數(shù)值大小上的較小變化,因此此時(shí)的界線相對(duì)靠向基坑。

圖13 模型一第二步開(kāi)挖后的地表沉降矢量圖

圖14 模型二第二步降水后的地表沉降矢量圖

模型一與模型二第三步開(kāi)挖或降水后的地表沉降矢量圖如圖15與圖16所示。由圖15與圖16可知,兩模型此階段的地表沉降矢量方向均向下,不同之處為模型一的矢量變化范圍較小,而模型二變化范圍較大,因此此時(shí)的界線會(huì)在上一階段位置的基礎(chǔ)上向坑外側(cè)做少許移動(dòng)。

圖15 模型一第三步開(kāi)挖后的地表沉降矢量圖

圖16 模型二第三步降水后的地表沉降矢量圖

4 結(jié) 論

本文以廣州市某建筑基坑工程為背景,基于流固耦合模型與三維固結(jié)理論,應(yīng)用有限元軟件midas GTS NX模擬分析不同工況下的基坑周邊地表沉降變形。研究了基坑周邊地表沉降區(qū)存在沉降主導(dǎo)界線的問(wèn)題,為未來(lái)探索高精度控制基坑周邊地表沉降提供參考。主要結(jié)論如下:

(1) 基坑周邊地表沉降區(qū)存在一個(gè)將沉降分為不同因素主導(dǎo)的界線,界線以里為開(kāi)挖主導(dǎo)沉降區(qū),界線以外為降水主導(dǎo)沉降區(qū)。

(2) 隨著施工進(jìn)程的推進(jìn),界線的位置在不斷變化。界線最初位于距基坑邊緣約21 m～23 m(1.69H～1.85H)范圍內(nèi),移動(dòng)到距基坑邊緣約8 m(0.65H)處,后移動(dòng)到距基坑邊緣約10 m～14 m(0.81H～1.13H)范圍內(nèi)。

(3) 在實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)被保護(hù)建(構(gòu))筑物所處的位置與所關(guān)注的施工進(jìn)程,先判斷其所在區(qū)域沉降的主導(dǎo)因素,然后采取針對(duì)性措施,以達(dá)到更加精確控制深基坑周邊地表沉降的目的。