元 翔,宮全美,周順華
(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201804)
基坑開(kāi)挖過(guò)程是基坑開(kāi)挖面上卸荷的過(guò)程,卸荷引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移,同時(shí)也引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平位移。影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的主要因素有:場(chǎng)地的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件、基坑平面形狀、基坑規(guī)模、周?chē)h(huán)境條件(地面超載、周邊建筑物、地下管線等)、墻體剛度、施工方法(擋墻、支撐的施工方法,施工質(zhì)量,開(kāi)挖順序,挖土?xí)r機(jī)等)、墻體嵌固深度、支撐形式及平面剛度和支撐預(yù)應(yīng)力大小等[1]。一些學(xué)者如 Peck[2]、Clough等[3]、Long[4]、Ou等[5]、Yoo[6]等基于大量工程實(shí)踐對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形作了研究,但一方面由于基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域特性,其他地區(qū)的有關(guān)研究成果能否直接應(yīng)用于上海地區(qū)的基坑工程變形預(yù)測(cè)尚有待探討。莊麗等[7]以上海鐵路南站南廣場(chǎng)大型放坡開(kāi)挖基坑為例,采用有限元法對(duì)該基坑放坡和圍護(hù)相結(jié)合的施工過(guò)程中土坡的蠕變變形、剪應(yīng)力松弛和蠕變應(yīng)變變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明,采用冪指數(shù)形式的蠕變方程進(jìn)行軟土放坡開(kāi)挖基坑土坡長(zhǎng)期暴露下的蠕變計(jì)算是可行的,并得出了土體開(kāi)挖時(shí)間10、150、300d時(shí)相對(duì)應(yīng)的土體蠕變量。包旭范等[8]分析了上海鐵路南站南廣場(chǎng)大型軟土基坑預(yù)留土臺(tái)的作用機(jī)理,得出了預(yù)留土臺(tái)開(kāi)挖寬度及土臺(tái)加固與否對(duì)連續(xù)墻變形的影響規(guī)律;張輝等[9]運(yùn)用FLAC3D對(duì)上海市軌道交通10號(hào)線國(guó)權(quán)路站-同濟(jì)大學(xué)站區(qū)間下立交基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)向位移實(shí)測(cè)值進(jìn)行了分析,得出了地下連續(xù)墻的剛度、基坑被動(dòng)區(qū)加固深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移的影響。金雪蓮等[10]利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)一典型帶撐式基坑工程在開(kāi)挖過(guò)程中的變形進(jìn)行模擬分析,將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,驗(yàn)證該方法的可行性,并對(duì)影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的幾個(gè)主要因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析。馮虎等[11]建立了上海地區(qū)58個(gè)開(kāi)挖深度19m以上超深基坑工程數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移特性進(jìn)行了歸一化最大水平位移值的特征、最大水平位移位置的特征、軟土層厚度對(duì)變形的影響、墻趾土層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響等幾方面的統(tǒng)計(jì)分析,得到了上海地區(qū)超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般變形規(guī)律和變形控制要點(diǎn)。蘭守奇等[12]通過(guò)對(duì)上海軌道交通10號(hào)線同濟(jì)大學(xué)站基坑地下連續(xù)墻現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析,研究了基坑開(kāi)挖深度與地下連續(xù)墻側(cè)移及最大相對(duì)側(cè)移的關(guān)系,同時(shí)給出了地下連續(xù)墻最大側(cè)移及最大側(cè)移位置隨開(kāi)挖時(shí)間的變化規(guī)律,并對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的側(cè)移結(jié)果進(jìn)行分析比較。目前,大多數(shù)對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素的研究是針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體剛度、墻體入土深度、支撐剛度、支撐位置等。但在實(shí)際工程中,土體開(kāi)挖施工的工序?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響也是十分明顯的[13-15]。
以上海世博會(huì)世博軸及地下綜合體工程1標(biāo)段大型軟土基坑為背景,考慮上海地區(qū)灰色淤泥質(zhì)黏土的蠕變現(xiàn)象[16-18],結(jié)合離心模型試驗(yàn),利用三維有限元進(jìn)行分析計(jì)算,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,通過(guò)對(duì)不同的土臺(tái)開(kāi)挖時(shí)限、不同的土臺(tái)開(kāi)挖順序和不同的土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響進(jìn)行分析,提出合理的土體開(kāi)挖工序。
上海世博會(huì)世博軸基坑工程位于浦東世博園區(qū),連通兩座地鐵車(chē)站,1個(gè)磁浮車(chē)站??傞L(zhǎng)度1 048m,寬68~110m,最大挖深22m。本文研究背景為世博軸及地下綜合體工程1標(biāo)段,基坑凈尺寸為205m×110m,分為深3層和淺3層兩部分。工程場(chǎng)地標(biāo)高為+4.2m,深3層開(kāi)挖深度為21.5m,淺3層開(kāi)挖深度為17m。淺3層外側(cè)采用水泥土攪拌樁加固,基底采用旋噴樁加固;深3層坑外不加固,基底采用旋噴樁加固。本基坑工程采用中心島放坡開(kāi)挖并結(jié)合逆作的施工工藝。工程概況及基坑剖面見(jiàn)圖1和圖2,主要土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。由于淺3層外側(cè)采用水泥土攪拌樁作為擋墻,該區(qū)域基坑地下1層采用明挖,地下2層以下采用逆作法施工,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,墻厚1m,深33m,施工順序?yàn)橄乳_(kāi)挖至連續(xù)墻頂部以下0.6m(標(biāo)高-1.68m),然后施作第1層中板;待中板到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,在第1層中板和預(yù)留土臺(tái)(土臺(tái)頂標(biāo)高-3.48m)的支撐下以1:2.5坡度開(kāi)挖至第2層中板處(標(biāo)高-7.3m),施作基坑中部的第2層中板;待中板到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,挖除預(yù)留土臺(tái),然后施作剩余的第2層中板;按上述方法繼續(xù)開(kāi)挖至坑底(標(biāo)高-12.8m),并施作底板。深3層坑外不加固,該區(qū)域基坑地下1層以下都采用逆作法施工,先施作頂板,中板和底板處的施工順序與淺3層相同。
圖1 基坑周?chē)h(huán)境
表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)
圖2 基坑橫剖面圖
離心模型試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是用離心力來(lái)模擬自重效應(yīng)。根據(jù)近代相對(duì)論的解釋?zhuān)nD的重力與慣性力是等效的,故原型在地球上受到的重力與模型在離心機(jī)上受到的離心力所產(chǎn)生的物理效應(yīng)是一致的。由于慣性力與重力等效,且工程材料性質(zhì)未變,從而使模型與原型的應(yīng)力應(yīng)變相等、變形相似、破壞機(jī)理相同,能再現(xiàn)原型特性[8]。
離心模型試驗(yàn)采用的是同濟(jì)大學(xué)的L-30型離心機(jī),該機(jī)的主要性能參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。根據(jù)模型箱的尺寸將模型率取為140,試驗(yàn)用土為取自現(xiàn)場(chǎng)的原狀土。試驗(yàn)中控制模型土樣的容重、含水量和土體的強(qiáng)度指標(biāo),將重塑后的土體在離心機(jī)內(nèi)由下至上進(jìn)行分層固結(jié)。在土樣制備過(guò)程中,每一次同時(shí)固結(jié)兩箱土樣,其中一箱土樣用于基坑開(kāi)挖的離心模型試驗(yàn),另外一箱土樣專(zhuān)門(mén)進(jìn)行土工試驗(yàn),測(cè)試土體的物理力學(xué)參數(shù),使模型土樣各項(xiàng)控制指標(biāo)的數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)值相近。根據(jù)抗彎剛度相似原則采用鋁板模擬連續(xù)墻,銅棒模擬支撐。
根據(jù)實(shí)際工況,在模型試驗(yàn)中對(duì)基坑進(jìn)行開(kāi)挖,其中工況2到工況3僅觀察由于預(yù)留土臺(tái)無(wú)支護(hù)暴露60d對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果照片,量測(cè)連續(xù)墻的水平位移。
試驗(yàn)時(shí)通過(guò)同步攝像系統(tǒng)對(duì)模型在試驗(yàn)中的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,并拍攝模型的照片,見(jiàn)圖3。
圖3 離心模型試驗(yàn)照片
通過(guò)圖片軟件處理分析試驗(yàn)照片,以獲取所需要的特征點(diǎn)位移數(shù)據(jù),見(jiàn)圖4。
圖4 地下連續(xù)墻水平位移
從圖4中可以看出,工況2到工況3基坑開(kāi)挖均位于④層淤泥質(zhì)粘土層中,隨著預(yù)留土臺(tái)無(wú)支護(hù)暴露時(shí)間的增加地下連續(xù)墻的水平位移明顯增加,最大水平位移增加了5mm,而且地下連續(xù)墻底也產(chǎn)生了明顯的水平位移。因此,在④層淤泥質(zhì)粘土層中進(jìn)行基坑開(kāi)挖,應(yīng)該考慮土體蠕變對(duì)基坑的影響。盡量縮短土體無(wú)支護(hù)暴露的時(shí)間,減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。
土的蠕變是指隨時(shí)間而發(fā)展的變形過(guò)程,甚至在恒定的荷載下也是這樣。任何一個(gè)蠕變階段的持續(xù)期和它的作用依賴(lài)于土的類(lèi)型和荷載值。不同的土及不同應(yīng)力水平作用下的土的蠕變曲線是不同的。
大型通用軟件ANSYS給出了采用隱式方程求解材料蠕變問(wèn)題的時(shí)間硬化模型[20]見(jiàn)式(1),
式中: 為等效蠕變速率;σt為等效應(yīng)力;T為絕對(duì)溫度;C1~C4均為常數(shù),由材料性質(zhì)等決定;t為求解步的時(shí)間。
根據(jù)文獻(xiàn)[7],得到上海淤泥質(zhì)粘土的參數(shù)分別為:C1=1.89×10-11,C2=1.57,C3=-0.89,不考慮溫度影響時(shí),C4=0。
由于離心模型試驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間較多,且模型受到模型箱的限制,考慮不到超大型基坑的大面積卸載情況,因此結(jié)合前述離心模型試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用ANSYS有限元計(jì)算方法對(duì)開(kāi)挖時(shí)限、開(kāi)挖順序和縱向開(kāi)挖寬度對(duì)連續(xù)墻變形的影響做進(jìn)一步的分析。模型根據(jù)圖2建立,考慮結(jié)果的合理性和計(jì)算模型規(guī)模的大小,將本工程深3層、淺3層都建立在該模型中,模型總尺寸為330m×250m×75m。淺3層連續(xù)墻深33m,深3層連續(xù)墻深43m,預(yù)留土臺(tái)寬8m,土臺(tái)土體進(jìn)行了加固,土體加固后的模量為原土體模量的3倍。綜合考慮計(jì)算機(jī)容量和計(jì)算精度,坑外部分的網(wǎng)格劃分相對(duì)較稀。采用八節(jié)點(diǎn)等參單元模擬土體,蠕變材料選取式(1)的隱式蠕變方程,方程中參數(shù)t按照表2選取。土體選用彈塑性模型,屈服準(zhǔn)則采用 D-P準(zhǔn)則,計(jì)算參數(shù)按照表1選取。連續(xù)墻、支撐采用實(shí)體單元模擬,由于中板環(huán)向封閉且與中心島相連,整體剛度較大,因此可簡(jiǎn)化為水平位移約束。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中采用分步開(kāi)挖,開(kāi)挖步驟與前述實(shí)際工程的開(kāi)挖步相同。建立的有限元模型如圖5所示,
圖5 有限元模型
表2 開(kāi)挖標(biāo)高及施工時(shí)間表
對(duì)基坑開(kāi)挖至-6.5m板時(shí)數(shù)值模擬與離心模型試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地下連續(xù)墻水平位移值進(jìn)行比較,如圖6所示。其中,淺3層和深3層地下連續(xù)墻分別位于圖7斷面1和斷面3處??梢钥闯鰯?shù)值計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)出的連續(xù)墻水平位移值比較接近,可以較好的反映基坑開(kāi)挖的變形性狀。
首先,分析基坑暴露時(shí)間對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響,將淺3層和深3層開(kāi)挖至-6.5m板且挖掉第1塊土臺(tái)開(kāi)始計(jì)算,暴露時(shí)間為180d。為分析地下連續(xù)墻典型斷面變形隨暴露時(shí)間增加的變化過(guò)程,選取了如圖7所示的5個(gè)典型斷面。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由于離心模型試驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間較多,僅針對(duì)淺3層斷面1觀察了由于預(yù)留土臺(tái)無(wú)支護(hù)暴露60d對(duì)地下連續(xù)墻變形的影響。
脂肪酸中的a-H,由于受到羧基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)的影響而具有一定的酸性,可參與比如鹵代、磺化、烷基取代等反應(yīng)。
圖6 數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較
圖7 計(jì)算典型斷面圖
圖8 不同斷面連續(xù)墻最大水平位移隨時(shí)間的變化曲線
由圖8可以看出,通過(guò)離心模型試驗(yàn)得到的結(jié)果與數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果比較接近,連續(xù)墻的最大水平位移值隨著暴露時(shí)間的增加不斷增加。斷面1和斷面3處連續(xù)墻的最大水平位移在60d內(nèi)增加較快,之后增加速度減緩,并趨于收斂。斷面2、4和5處連續(xù)墻的最大水平位移在30d內(nèi)增加較快,之后增加速度減緩,并趨于收斂。經(jīng)過(guò)180d的暴露,斷面1、2、3、4、5處連續(xù)墻產(chǎn)生的最大水平位移值分別為5.2、2.1、2.7、1.1、0.9mm。斷面1處連續(xù)墻產(chǎn)生的最大水平位移比斷面2處連續(xù)墻產(chǎn)生的最大水平位移大141%。斷面3處連續(xù)墻產(chǎn)生的最大水平位移比斷面4、5處連續(xù)墻產(chǎn)生的最大水平位移分別大154%和203%。
由此可以看出,由于斷面1和斷面3處的預(yù)留土臺(tái)已開(kāi)挖,而斷面2、4和5處仍留有預(yù)留土臺(tái),前兩處斷面的連續(xù)墻最大水平位移值和增加速率明顯比后三處斷面的連續(xù)墻最大水平位移值和增加速率大,可見(jiàn)預(yù)留土臺(tái)對(duì)于連續(xù)墻的變形有很好的控制作用;開(kāi)始暴露時(shí),淺3層的-1.08板已形成,深3層的+4.2板和-1.08板已形成,深3層的開(kāi)挖深度大于淺3層的開(kāi)挖深度,而由于土體蠕變所產(chǎn)生的連續(xù)墻最大水平位移卻遠(yuǎn)小于淺3層,可見(jiàn)中板對(duì)于連續(xù)墻的變形也具有很好的控制作用。
其次,分析預(yù)留土臺(tái)開(kāi)挖方式對(duì)連續(xù)墻變形的影響。預(yù)留土臺(tái)分塊如圖9所示,土臺(tái)寬度33m,跳挖方案如下:
方案1:先開(kāi)挖第1、4塊,再開(kāi)挖第2、5塊,再開(kāi)挖第3、6塊。
方案2:先開(kāi)挖第2、5塊,再開(kāi)挖第1、4塊,再開(kāi)挖第3、6塊。
方案3:1次開(kāi)挖第1、2、3、4、5、6塊。
方案4:先開(kāi)挖第1塊,再開(kāi)挖第2塊,再開(kāi)挖第3塊…最后開(kāi)挖第6塊。
圖9 預(yù)留土臺(tái)分塊圖
由圖10可以看出,對(duì)于不同的跳挖方案,方案3連續(xù)墻的水平位移最大,方案4連續(xù)墻的水平位移最小,斷面1、2、3、4和5處連續(xù)墻水平位移可分別減小14%、15%、15%、13%和16%,方案1和方案2連續(xù)墻的水平位移值介于方案3和方案4之間。
方案1和方案2一次開(kāi)挖為兩塊土塊,方案3一次開(kāi)挖為6塊土塊,方案4一次開(kāi)挖為一塊土塊。因此為減小土臺(tái)開(kāi)挖而引起的連續(xù)墻變形,同時(shí)開(kāi)挖的土塊體積不應(yīng)太大。從方案1和方案2中可以看出,當(dāng)采用跳挖開(kāi)挖土臺(tái)時(shí),首先開(kāi)挖的土塊區(qū)對(duì)應(yīng)的連續(xù)墻變形量大,因此在分塊開(kāi)挖施工中建議先開(kāi)挖連續(xù)墻附近無(wú)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象的區(qū)域。
圖10 不同方案各斷面的連續(xù)墻水平位移圖
在實(shí)際工程中,預(yù)留土臺(tái)的開(kāi)挖采用了上述方案中的跳挖方法,通過(guò)圖10中各個(gè)斷面數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出兩者的位移值比較接近,但是由于工程的復(fù)雜性,在連續(xù)墻的最大水平位移上理想的數(shù)值模擬解略微偏小。
再次,分析預(yù)留土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度對(duì)連續(xù)墻變形的影響。分別對(duì)預(yù)留土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度為30、25、20、15、10m進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果,如圖11、圖12所示。
圖11 不同縱向開(kāi)挖寬度下各斷面的連續(xù)墻水平位移圖
圖12 各斷面不同縱向開(kāi)挖寬度下連續(xù)墻最大水平位移比較圖
由圖11、圖12可以看出,斷面1和斷面2處當(dāng)土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度大于20m時(shí),連續(xù)墻的水平位移增加很快,在土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度小于20m時(shí),連續(xù)墻的水平位移變化不大。深3層處斷面3、斷面4和斷面5的連續(xù)墻由于比淺3層處斷面1和斷面2的連續(xù)墻多一道+4.2板,所以土臺(tái)的縱向開(kāi)挖寬度對(duì)于深3層處連續(xù)墻的變形影響不大,土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度從10m增加到30m,連續(xù)墻的最大水平位移平均只增加了9%。而淺3層處當(dāng)土臺(tái)縱向開(kāi)挖寬度從10m增加到30m時(shí),連續(xù)墻的最大水平位移平均增加了38%。淺3層預(yù)留土臺(tái)的縱向開(kāi)挖寬度宜為20m,深3層預(yù)留土臺(tái)開(kāi)挖時(shí)由于中板已形成封閉的結(jié)構(gòu)體系,具有較大的剛度,有效地控制了連續(xù)墻的水平變形,考慮到較大的縱向開(kāi)挖寬度方便施工的進(jìn)行,因此深3層預(yù)留土臺(tái)的縱向開(kāi)挖寬度宜為30m。
在實(shí)際工程中,根據(jù)上述預(yù)留土臺(tái)的縱向開(kāi)挖寬度建議進(jìn)行施工,通過(guò)圖11中各個(gè)斷面數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出淺3層數(shù)值模擬值略小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),深3層數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,均能較好的反應(yīng)出連續(xù)墻的變形性狀。
1)由于土體的蠕變而產(chǎn)生的地下連續(xù)墻變形80%以上發(fā)生在預(yù)留土臺(tái)開(kāi)挖后的60d內(nèi),在這段時(shí)間中地下連續(xù)墻的最大水平位移增加較快,60d后趨于穩(wěn)定。所以在預(yù)留土臺(tái)開(kāi)挖后應(yīng)盡快施作下層板結(jié)構(gòu),土方開(kāi)挖與結(jié)構(gòu)施工必須嚴(yán)密配合,以減小由于土體蠕變而使地下連續(xù)墻產(chǎn)生的變形。
2)預(yù)留土臺(tái)和中板對(duì)于地下連續(xù)墻的變形有很好的控制作用。
3)開(kāi)挖預(yù)留土臺(tái)時(shí),為減小土臺(tái)開(kāi)挖而引起的地下連續(xù)墻變形,同時(shí)開(kāi)挖的土塊體積不應(yīng)太大,當(dāng)采用跳挖方式開(kāi)挖土臺(tái)時(shí),應(yīng)先開(kāi)挖地下連續(xù)墻附近無(wú)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象的區(qū)域。
4)淺3層預(yù)留土臺(tái)的縱向開(kāi)挖寬度宜為20m,深3層預(yù)留土臺(tái)開(kāi)挖時(shí)由于中板已形成封閉的結(jié)構(gòu)體系,具有較大的剛度,有效地控制了地下連續(xù)墻的水平變形,考慮到較大的縱向開(kāi)挖寬度方便施工的進(jìn)行,因此深3層預(yù)留土臺(tái)的縱向開(kāi)挖寬度宜為30m。
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