土巖深基坑開挖誘發(fā)周邊地表沉降規(guī)律研究

倪向陽

(青島市地鐵四號線有限公司 青島市 266000)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展,基坑在城市交通網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用越來越重要[1]。而基坑工程所處周邊環(huán)境日益復(fù)雜,由于開挖卸荷作用,使得坑內(nèi)巖土體的原始應(yīng)力發(fā)生破壞,引起基坑周圍地表產(chǎn)生沉降,威脅了周邊建筑物與道路的安全,因此對于基坑工程的防災(zāi)減災(zāi),重點關(guān)注深基坑開挖引發(fā)的周圍土體變形規(guī)律具有重大價值[2-4]。

關(guān)于基坑施工過程中周邊地面豎向變形,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Goldberg等[5]通過分析總結(jié)不同基坑的實測資料,得到不同地質(zhì)條件下最大地表豎向位移,砂土中地表豎向變形最大值為2.5%H(H為基坑開挖深度),而黏土中僅為0.5%H。Clough[6]結(jié)合多個基坑工程的現(xiàn)場數(shù)據(jù),分析發(fā)現(xiàn)砂土地層中周邊地表豎向變形呈“三角形”分布,影響范圍約為3H,而軟土中以“梯形”分布出現(xiàn),沉降最大值位置距基坑邊緣0.75H。Attwel等[7]依據(jù)基坑工程實測結(jié)果,分析了開挖過程對周邊地表沉降以及建筑物的影響,并發(fā)現(xiàn)地表豎向位移受地層特性、基坑規(guī)模、開挖方式等諸多因素的影響。Ou等[8]通過分析大量的工程案例,發(fā)現(xiàn)基坑施工下的沉降模式分為兩種,分別是三角形和凹槽型。而在三角形模式中支護(hù)結(jié)構(gòu)后方土體的沉降量最大,與之不同,在凹槽型模式中離基坑邊緣一定距離處出現(xiàn)最大沉降。Leung等[9]充分利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了基坑開挖下支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形以及地表豎向位移特征,并通過豎向變形規(guī)律曲線分析了施工的影響范圍。聶宗泉等[10]對南京地區(qū)柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)下軟土深基坑周圍地表豎向變形特性進(jìn)行了研究,并給出相應(yīng)的地表豎向變形表達(dá)公式,在實際工程中得到較好的應(yīng)用。楊敏等[11]通過對比上海地區(qū)眾多深基坑的實測值,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)基坑開挖過程中周邊豎向變形呈凹槽型。王衛(wèi)東等[12]運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法分析了上海地區(qū)多個深基坑現(xiàn)場數(shù)據(jù),地表最大豎向位移發(fā)生在0.1%～0.8%H范圍內(nèi),并通過地表沉降最大值估算地面傾斜程度。李淑等[13]通過對北京地區(qū)多個明挖地鐵車站數(shù)據(jù)整理分析,發(fā)現(xiàn)開挖結(jié)束后,地表豎向位移呈“凹槽形”分布,沉降最大值與插入比成反比。謝錫榮等[14]根據(jù)金華地區(qū)某土巖復(fù)合基坑監(jiān)測結(jié)果,分析得到地表最大豎向位移平均值為0.035%H,基坑影響范圍約為1.5H。Chen等[15]結(jié)合深圳地區(qū)某土巖超大基坑的實測數(shù)據(jù),分析地面豎向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑物的變形特性,得到地面沉降的豎向影響范圍發(fā)生在剛性粘土層以上,最大豎向位移發(fā)生在約0.2H處。目前,地表沉降研究主要集中于土質(zhì)基坑,對于巖質(zhì)地層為主的基坑地表沉降特征并未重點研究。

文章以青島地區(qū)某地鐵車站深基坑為背景,運(yùn)用Midas有限元軟件對基坑的實際施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究分析開挖過程中深基坑周邊地表沉降變形規(guī)律,為該地區(qū)類似的深基坑工程施工提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

青島鞍山路站為地鐵4號線與8號線的換乘站,地下四層結(jié)構(gòu)。緊鄰兩條主干道,南側(cè)是鞍山路,東西走向,路寬約45m,路中為杭鞍高架橋;東側(cè)是山東路,南北走向,路寬約32m,路中為山東路高架橋。大路小學(xué)緊接車站北側(cè),西側(cè)為青島十六中,西北側(cè)是磚混結(jié)構(gòu)居民樓,如圖1所示。基坑開挖深度大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。考慮到深基坑工程具有明顯的區(qū)域特性,根據(jù)深基坑工程實踐,巖體內(nèi)部力學(xué)環(huán)境復(fù)雜,存在較大的離散性。巖體開挖后,應(yīng)力集中與應(yīng)力重新分布也存在較大的不確定性。

圖1 基坑施工現(xiàn)場

場區(qū)內(nèi)地貌特征主要為剝蝕地貌,由南向北緩緩傾斜。基坑上部地層為人工素填土,下部為巖性較好的花崗巖。局部區(qū)域有煌斑巖等淺成相巖貫穿其間,與花崗巖結(jié)合成混合巖體。節(jié)理發(fā)育程度隨著區(qū)域的變化相差較大,受斷裂帶控制,一般在斷裂帶附近節(jié)理更加集中。在場區(qū)內(nèi),花崗巖中的節(jié)理一般是每米5到10條,而煌斑巖中的節(jié)理較多,一般是每米10到15條。場區(qū)內(nèi)的地下水較豐富,主要以兩種形式呈現(xiàn),分別是孔隙潛水和基巖裂隙水。地下水間相互聯(lián)系,主要依賴大氣降水和孔隙水補(bǔ)充水源。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

綜合考慮場區(qū)周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、基坑開挖規(guī)模、地下水等情況,基坑采用明挖順筑法施工,圍護(hù)單元為微型鋼管樁+錨索/錨桿的支護(hù)形式。基坑使用三級微型鋼管樁+錨索/錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu),鋼管樁嵌入巖體的深度為1.5m,相鄰兩級鋼管樁間的錯臺寬度為1m。基坑上部土層的支護(hù)為雙排微型鋼管樁+預(yù)應(yīng)力錨索,下部巖層支護(hù)為單排微型鋼管樁+錨桿,鋼管樁外徑為168mm,厚度為8mm,樁間距為1m。錨索/錨桿水平間距為2m,豎向間距根據(jù)實際開挖情況進(jìn)行調(diào)整,并采用工型鋼將錨桿/錨索成排連接。最后,在開挖面上噴射100mm厚的C20混凝土。支護(hù)單元分布如圖2所示。

圖2 支護(hù)單元分布示意圖

2 數(shù)值模擬

由于鞍山路基坑開挖工作量大,施工周期長,現(xiàn)場監(jiān)測點及監(jiān)測數(shù)據(jù)眾多,針對研究目的,選取鞍山路8號線東北側(cè)M單元作為研究對象。單元M的支護(hù)形式及附近監(jiān)測點布置如圖3所示,由圖3可知,該支護(hù)單元地面標(biāo)高為27.7m,而標(biāo)高14.72m以下為微風(fēng)化花崗巖,錨索采用4Φ15.2mm的鋼筋,錨桿采用2Φ28mm的鋼筋,M單元周圍地表沉降監(jiān)測點為DBC30-01和DBC30-02。運(yùn)用Midas GTS NX數(shù)值軟件進(jìn)行M單元的模擬,較為真實地反映基坑的實際開挖過程。

圖3 支護(hù)單元M

2.1 模型建立

充分考慮復(fù)雜的周圍環(huán)境,為了便于分析,對模型進(jìn)行幾點簡化:假定基坑內(nèi)外為均質(zhì)地層,呈水平分布;由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)為微型鋼管樁+錨桿/錨索支護(hù),鋼管樁數(shù)目較多,為了提高模型的運(yùn)算速度,將微型鋼管樁根據(jù)等效剛度法簡化成地下連續(xù)墻,簡化后墻體厚度為0.14m,使用錨建模助手對錨索及其施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行添加,如圖4所示。

圖4 M單元圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以往大量基坑開挖數(shù)值分析的經(jīng)驗,深基坑的豎向影響范圍約為開挖深度的1～2倍,距離基坑開挖面水平方向上影響范圍約為開挖深度的3～5倍。文中基坑的模擬開挖深度為37m,最終選用的模型尺寸為140m×130m×80m。為了滿足求解精度和計算速度的要求,模型共產(chǎn)生42884個單元,297944個節(jié)點。

2.2 材料參數(shù)

由于巖土體材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且性質(zhì)多樣,為了真實地反映基坑開挖過程中巖土體的應(yīng)力應(yīng)變變化特性,數(shù)值分析中巖土體選取摩爾-庫倫本構(gòu)模型。模擬中巖土體的參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值計算中,除巖土體材料外,剩余的材料選取彈性本構(gòu)模型。各材料的具體參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

2.3 邊界條件

在基坑模型創(chuàng)建并劃分完成之后,需要在模型的邊界設(shè)置一定的條件。在x軸方向和y軸方向上創(chuàng)建水平向的固定約束,在z軸方向的底部建立豎直方向的定向約束。定義自重荷載為z軸方向,荷載系數(shù)為-1。數(shù)值模型創(chuàng)建完成,如圖5所示。

圖5 數(shù)值計算模型

2.4 施工步驟

基坑開挖根據(jù)實際工況先撐后挖,按照現(xiàn)場開挖順序,數(shù)值模擬將基坑內(nèi)部巖土體劃分成17層開挖,前11層每次開挖2m,最后6層每次開挖2.5m,每次開挖完成設(shè)置一道錨桿/錨索,將基坑開挖過程劃分成21個施工階段,并通過軟件“激活”和“鈍化”的功能進(jìn)行基坑的施工。

3 基坑周圍地表沉降分析

由于基坑的開挖卸荷作用,基坑初始應(yīng)力平衡發(fā)生破壞,從而引發(fā)地表沉降。根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果,對微型鋼管樁錨桿/索支護(hù)結(jié)構(gòu)的土巖深基坑進(jìn)行地表豎向變形特征分析。

3.1 數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

將鞍山路8號線東側(cè)監(jiān)測點DBC30-01和DBC30-02不同施工階段下現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,如圖6所示。

圖6 M單元沉降監(jiān)測值與計算值對比

對比監(jiān)測值和計算值可以得到,隨著基坑開挖深度的不斷增加,周邊地面豎向變形逐漸變大,但變形均在施工的允許范圍內(nèi)。開挖初期,地表豎向位移變化速率最大,并且大部分累計沉降發(fā)生在基坑施工前期,即第一級微型鋼管樁支護(hù)下的基坑開挖階段。在M單元開挖過程中,監(jiān)測點DBC30-01和DBC30-02實測曲線和對應(yīng)位置處的計算曲線存在一定差別,但整體變化趨勢一致。這種差異屬于合理容許范圍,說明模型模擬得到的結(jié)果具有較好的參考性。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)產(chǎn)生差別的原因是現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜,無法對其進(jìn)行模擬,且建模過程中未充分考慮周邊車輛荷載及地下水等情況。

3.2 地表沉降規(guī)律

隨著基坑施工進(jìn)程的不斷推進(jìn),坑內(nèi)巖土體鈍化卸荷,圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍巖土體應(yīng)力重新分布并向坑內(nèi)發(fā)生變形,從而使基坑周邊地面產(chǎn)生沉降。M單元周圍地表豎向位移變化云圖如圖7所示。

圖7 基坑開挖地表豎向位移云圖

圖7云圖展現(xiàn)了基坑開挖模擬過程中周圍地面豎向變形情況。基坑開挖初期,基坑周邊的豎向位移比較小,坑內(nèi)土體產(chǎn)生一定程度的隆起。隨著M單元開挖到第一級微型鋼管樁底部,開挖深度為10m,基坑周圍地面產(chǎn)生沉降槽,最大豎向位移約處在離基坑邊緣5m處,其值為5.77mm。此時,巖性較差的素填土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖已被挖除。當(dāng)開挖至第二級微型鋼管樁底部時,開挖深度到20m,最大沉降量距離M單元邊緣4m處,沉降值達(dá)到5.63mm。由于基坑底部為巖性較好的微風(fēng)化花崗巖,故開挖結(jié)束時,最大沉降達(dá)到6.19mm,位于基坑邊緣4m處,約為0.1H(H為基坑的開挖深度)。

以M單元邊緣處為坐標(biāo)原點,提取基坑開挖至不同深度處周邊地面豎向位移,如圖8所示。從圖8中可以看到基坑地表豎向變形曲線光滑性較差,存在兩個極值,以不規(guī)則的偏態(tài)分布形式呈現(xiàn)。施工期間,基坑附近出現(xiàn)一定的隆起,可能是因為施作預(yù)應(yīng)力錨索,預(yù)應(yīng)力錨索注漿后,會增大錨固體與周圍巖土體的摩擦力,在錨索注漿和養(yǎng)護(hù)完成后,對錨索進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力處理,由于微型鋼管樁和錨索共同作用,擠壓基坑附近土體,導(dǎo)致地表向上產(chǎn)生隆起。隨著基坑開挖深度增加,地表豎向位移也逐漸增大,但從施工到第一級微型鋼管樁底部到開挖結(jié)束,地面豎向變形曲線大體一致,說明巖性較好巖層的開挖對地表沉降影響小。基坑開挖過程中,最大地表豎向位移出現(xiàn)在離開挖面一定距離位置處。

圖8 地表豎向位移曲線

4 結(jié)論

以青島地鐵8號線鞍山路基坑工程為研究對象,通過有限元軟件,對青島地區(qū)復(fù)合地層深基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬,并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析總結(jié)了以巖層為主基坑的地表豎向位移變化規(guī)律。

(1)隨著基坑不斷向下開挖,周邊地表豎向變形逐漸變大,最大豎向變形量為13.39mm,未超過控制值25mm。

(2)地表豎向位移在基坑開挖初期變化速率最大,且大部分累積沉降發(fā)生在素填土和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中,而在巖性較好的中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖中豎向位移趨于平穩(wěn)。

(3)基坑施工過程中,地表豎向位移最大值出現(xiàn)在離基坑開挖面一定距離位置處。