余湘娟，王福彬，高 磊，周 斌

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098;2.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇南京210008)

城市地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)模越來(lái)越大，基坑深度也越來(lái)越深，基坑事故時(shí)有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)基坑工程事故率為20%～30%，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至對(duì)人員生命造成傷害［1］.肖?。?］考慮到工程樁存在對(duì)深基坑回彈的影響，采用有限元分析得出工程樁的存在對(duì)基坑開(kāi)挖回彈變形有明顯的限制作用.佟德凱［3］通過(guò)FLAC模擬改變土體參數(shù)、樁長(zhǎng)和樁直徑的情況下基坑隆起變化，認(rèn)為距離基坑邊壁越近隆起量越大，樁長(zhǎng)和土體內(nèi)摩擦角對(duì)隆起影響較大，土體黏聚力和樁徑影響較小，樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)對(duì)基坑隆起影響不明顯.

由于基坑工程的復(fù)雜性和不確定性，基坑工程問(wèn)題的解決仍處在半理論、半經(jīng)驗(yàn)的階段.因此，開(kāi)展對(duì)基坑工程問(wèn)題的研究，可以有效避免基坑工程事故的發(fā)生，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值.

為此，本研究結(jié)合某國(guó)際貿(mào)易大廈工程實(shí)例［4］，根據(jù)基抗開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及其施工過(guò)程，采用有限元程序ABAQUS，建立基坑支護(hù)三維數(shù)值分析模型，改變基坑支護(hù)形式，分析5種工況下其坑底回彈隆起情況.

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

某國(guó)際貿(mào)易大廈為一棟18層建筑物，附加5層地下室，占地面積3 500 m2，采用逆作法施工.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為地連墻圍護(hù)，墻厚 0.9 m，深35.0 m.基坑最終開(kāi)挖深度 19.7 m.圖1為基坑斷面示意圖.

圖1 某貿(mào)易大廈基坑斷面示意圖

支撐情況、地下室樓板布置及其施工過(guò)程見(jiàn)表1.

表1 某貿(mào)易大廈基坑開(kāi)挖施工過(guò)程

該基坑有2層支撐，支撐材料為H形鋼，分別布置在地下-2.0 m和-16.5 m處.第1層水平支撐在6.0 ～11.0 m，間距平均為 8.0 m，單位寬度的軸向支撐剛度為14 980 kN·m-2;每個(gè)支撐的預(yù)加軸力為784.8 kN，單位寬度的預(yù)加軸力為98.1 kN·m-1.地下第1層樓板建好后，除去第1層支撐，移除預(yù)加軸力.

第2層水平支撐在2.5 m到6.0 m之間，間距平均為3.0 m，單位寬度的軸向支撐剛度為64 363 kN·m-2;每個(gè)支撐的預(yù)加軸力為1 177 kN，單位寬度的預(yù)加軸力為392 kN·m-1.在開(kāi)工第528 d地下第5層樓板建好后除去該層支撐，移除預(yù)加軸力.地下室樓板有5層，如表1所示，分別布置在地下-3.5，-7.1，-10.3，-13.7 和 -17.1 m 處，樓板厚度為0.1 m.

1.2 工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)土層主要分為6層，如圖1所示，分別由粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)砂土構(gòu)成，沉積在厚實(shí)且堅(jiān)硬的砂礫層上.

土層中第1層和第2層分別為5.6 m厚的粉質(zhì)黏土和2.4 m厚的粉質(zhì)砂土.第3層為25.0 m厚粉質(zhì)黏土，是影響基坑開(kāi)挖和變形的主要土層，液限范圍為29% ～39%，塑性指數(shù)范圍為9～19，粉砂和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40% ～55%和45% ～60%，滲透系數(shù)為4×10-6cm·s-1，固結(jié)系數(shù)為1.1×10-3～3.0 ×10-3cm2·s-3.第4，5 層土為2.0 m 厚的中密細(xì)砂和2.5 m厚的黏土.第6層是8.0 m厚的中密粉土夾粉砂.礫石層在地表以下46 m處，標(biāo)準(zhǔn)貫入度大于328擊·m-1.

根據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)［5-12］，本研究采用修正劍橋模型，土體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 修正劍橋模型土體計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)值分析模型

本基坑工程平面尺寸如圖2所示，其形狀不規(guī)則.基坑土體的模擬采用C3D8單元，共有63 744個(gè)單元.地下連續(xù)墻的模擬采用S4單元，共有1 513個(gè)單元，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示.分析模型中，連續(xù)墻與土體接觸面的參數(shù)如下［8］:摩擦系數(shù) μ=0.28，最大切應(yīng)力 τmax=20 kPa.

由于46 m以下是堅(jiān)硬的礫石層，其對(duì)基坑的回彈隆起影響較小，所以整個(gè)模型沿基坑的深度取46 m;沿基坑的長(zhǎng)度方向取300 m，即基坑邊緣距邊界的距離為106 m;沿基坑的寬度方向取250 m，即基坑邊緣距離邊界的長(zhǎng)度為102.5 m.

圖2 基坑平面尺寸

圖3 網(wǎng)格模型

由于存在5層地下室和采用逆作法施工，在施工過(guò)程中地下和地上結(jié)構(gòu)同時(shí)施工，地下室樓板強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，方可繼續(xù)開(kāi)挖，地下室樓板可作地下連續(xù)墻的支撐.

地下室樓板厚度為0.1 m，對(duì)地下室樓板采用S4單元來(lái)模擬，每層樓板共有394個(gè)單元.地下2.0 m和16.5 m處的H形鋼支撐，采用單位寬度剛度相等的樓板代替，用樓板厚度為0.028 m代替第1層鋼支撐，用樓板厚度為0.120 m代替第2層鋼支撐，代替鋼支撐的樓板采用S4單元來(lái)模擬，網(wǎng)格劃分與地下室樓板相同.基坑模擬分析過(guò)程與施工過(guò)程完全一致.

3 結(jié)果分析

該基坑坑底回彈隆起分析共分為5種工況，如表3所示.

表3 基坑坑底回彈隆起分析工況

3.1 坑底回彈隆起對(duì)比

基坑坑底回彈隆起觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置如圖2所示，距離南墻(即沿基坑長(zhǎng)度方向的墻)20 m，距離東墻36 m，測(cè)量元件埋設(shè)深度為21.5 m.圖4為回彈隆起與開(kāi)挖深度的關(guān)系.

圖4 回彈隆起與開(kāi)挖深度的關(guān)系

由圖4可知:坑底回彈隆起量實(shí)測(cè)值和計(jì)算值均隨開(kāi)挖深度增加而增大，兩者變化趨勢(shì)一致，但計(jì)算值比實(shí)測(cè)值稍微大一點(diǎn)，這與建模過(guò)程中未考慮立柱對(duì)坑底回彈隆起的影響和對(duì)地下室樓板的簡(jiǎn)化處理有關(guān).

徐中華［6］認(rèn)為立柱對(duì)坑底回彈隆起有一定的限制作用，若在模擬過(guò)程中未考慮立柱的影響，坑底回彈隆起計(jì)算值將偏大.地下室的樓板限制了豎直方向的位移，樓板不能彎曲，水平方向的位移比實(shí)際情況小，坑底回彈隆起計(jì)算值偏大.可見(jiàn)，本數(shù)值分析模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合.

3.2 地連墻變形對(duì)比分析

地連墻的變形采用測(cè)斜儀觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在南邊的地連墻上，如圖2所示.共有3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別為距離東墻15 m(為大矩形基坑地連墻的1/4位置附近)、距離東墻33 m(為大矩形基坑地連墻的中部位置附近)和距離西墻23 m(為小矩形基坑與大矩形基坑的交界處).

圖5為3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)地連墻實(shí)測(cè)變形與計(jì)算值對(duì)比圖.地連墻的水平位移隨開(kāi)挖深度增加逐漸增大，且在坑底處達(dá)到最大，為11 mm.從圖中可以看出實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好，計(jì)算值略微比實(shí)測(cè)值大一點(diǎn)，因?yàn)椴捎每倯?yīng)力法簡(jiǎn)化了計(jì)算，沒(méi)有考慮有效應(yīng)力、孔隙水應(yīng)力和滲流的影響以及對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算，最終使得計(jì)算值比實(shí)測(cè)值稍大，但是從工程安全的角度來(lái)考慮，這樣模擬是可行的.

圖5 地連墻實(shí)測(cè)變形與計(jì)算值對(duì)比

3.3 墻后土體變形對(duì)比分析

圖 6 為開(kāi)挖深度8.6，15.2 和19.7 m 處墻后土體實(shí)測(cè)位移和計(jì)算值對(duì)比圖.從圖6中可以看出，實(shí)測(cè)和計(jì)算的土體變形曲線變化趨勢(shì)一致，墻后土體變形隨開(kāi)挖深度增加而增大;在某一開(kāi)挖深度下，墻后的土體變形先增大然后減小，出現(xiàn)谷峰，最終收斂于遠(yuǎn)處邊界;谷峰大約位于距離地連墻12 m處.計(jì)算位移比實(shí)測(cè)位移稍大，這是由于地連墻變形計(jì)算值比實(shí)測(cè)變形大，地連墻變形越大，對(duì)墻后土體壓力的釋放越顯著，導(dǎo)致墻后土體變形計(jì)算值也偏大.

圖6 墻后土體實(shí)測(cè)位移和計(jì)算值對(duì)比

3.4 基坑坑底回彈的空間效應(yīng)

由于基坑形狀不規(guī)則，存在大小2個(gè)矩形的基坑.取3個(gè)截面分析，分別為距離東墻12，33和76 m.小矩形基坑的中部位置與距離東墻12 m相對(duì)應(yīng)，距離東墻33 m為大矩形基坑的中部位置.圖7為不同截面的基坑回彈隆起對(duì)比.

圖7 不同截面的基坑回彈隆起

由圖7中3條曲線對(duì)比可知:大矩形基坑中部截面的坑底回彈隆起量最大，其次是大矩形基坑距離東墻12 m處的截面，回彈隆起量最小的是小矩形基坑中部截面.說(shuō)明基坑的回彈隆起與基坑的橫截面積、基坑不同位置有關(guān)，地連墻對(duì)坑底回彈隆起具有限制作用，當(dāng)橫截面積較小或與地連墻的距離較近時(shí)，這種限制作用越明顯，即基坑坑底回彈隆起具有明顯的空間效應(yīng).

3.5 支撐和預(yù)加軸力的影響

取2個(gè)典型截面的土體和相應(yīng)位置處的地連墻變形進(jìn)行對(duì)比，分別為大矩形基坑中部位置和小矩形基坑的中部位置.考慮支撐對(duì)基坑底部回彈隆起的影響，選取工況P1，P2和P3進(jìn)行比較，支撐層數(shù)分別為第2層、第5層和第7層(包括2層鋼支撐和預(yù)加應(yīng)力).考慮預(yù)加軸力對(duì)坑底回彈隆起的影響，根據(jù)地下室樓板的有無(wú)支撐軸力及支撐軸力的大小，分別選取工況P2和P4，P3和P5進(jìn)行對(duì)比.

圖8分別為大小矩形基坑中部截面坑底土體變形和地連墻變形曲線.由圖8知:支撐對(duì)基坑坑底回彈隆起的影響主要集中在地連墻附近，這種影響隨基坑寬度增加而增大;基坑中部位置坑底回彈隆起變形最終收斂;對(duì)于寬度較小的基坑，支撐對(duì)坑底回彈隆起的影響較小.

由圖8中的曲線還可知:地連墻變形在基坑底部附近最大，地連墻的變形導(dǎo)致墻角附近回彈隆起量的差異.圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響范圍約為一倍的挖深，因而回彈隆起在中部收斂.由于基坑形狀不是一個(gè)軸對(duì)稱的圖形，這種不對(duì)稱對(duì)于小矩形基坑的影響比較大，對(duì)大矩形基坑的影響較小，坑底回彈隆起呈對(duì)稱的形狀.

圖8 支撐對(duì)坑底回彈隆起的影響

圖9為有5層地下室樓板時(shí)坑底回彈隆起和地連墻的變形曲線.圖10為沒(méi)有5層地下室樓板時(shí)坑底回彈隆起和地連墻的變形曲線.由圖9和圖10的變形曲線可以看出，當(dāng)?shù)剡B墻變形較大時(shí)，坑角附近回彈隆起變形隨之增大，基坑中部變形卻減小;當(dāng)預(yù)加軸力在增大，其基坑中部坑底回彈隆起量隨之增大.大小矩形的基坑都符合這一規(guī)律.

根據(jù)圖10中的坑底回彈隆起和地連墻的變形曲線可以看得出，當(dāng)沒(méi)有5層地下室樓板的情況下，支撐的預(yù)加軸力影響較大，其影響表現(xiàn)在建筑物的墻角附近和基坑中部附近坑底回彈隆起變形差異增大.

圖9 支撐軸力對(duì)坑底回彈隆起的影響(有樓板)

圖10 支撐軸力對(duì)坑底回彈隆起的影響(無(wú)樓板)

3.6 坑底回彈隆起與墻后土體的關(guān)系

基坑開(kāi)挖時(shí)，墻后土體的變形和坑底的回彈隆起有一定的關(guān)系［5］，但在文獻(xiàn)［5］中沒(méi)有具體闡明，本文通過(guò)數(shù)值分析來(lái)深入研究.選取工況P2，P3，P4和P5中大矩形基坑中部位置的坑底回彈隆起變形與相對(duì)應(yīng)位置的地連墻變形和墻后土體變形做對(duì)比分析.圖11-13分別為4種工況坑底回彈隆起曲線、墻后土體變形曲線和地連墻變形曲線.

如圖11-13所示，坑底回彈隆起變形與相對(duì)應(yīng)位置的地連墻變形和墻后土體變形有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系.地連墻的變形越小，其坑底回彈隆起量越大，相對(duì)應(yīng)墻后土體變形在地連墻附近就越小.P5的地連墻變形最小，其坑底回彈隆起量最大，墻后地連墻附近土體的變形最小，緊隨其后的就是P4，P2和P3.

圖11 4種工況墻后土體變形曲線

圖12 水平位移隨地連墻變形的變化曲線

圖13 墻后土體變形曲線

圖13表明:墻后土體的變形最終趨于收斂，即數(shù)值分析模型所取的邊界條件是滿足要求的.

4 結(jié)論

1)本研究結(jié)合某工程實(shí)例，構(gòu)建有限元數(shù)值分析模型，將基坑坑底回彈隆起、地連墻的變形和墻后土體變形計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本研究數(shù)值分析模型的合理性和可行性.

2)基坑坑底回彈隆起具有一定的空間效應(yīng);支撐對(duì)基坑坑底回彈隆起的影響主要集中在地連墻附近，并隨基坑寬度增加而增大;基坑中部位置坑底回彈隆起變形最終收斂;對(duì)于寬度較小基坑，支撐對(duì)坑底回彈隆起的影響較小.

3)基坑形狀的不對(duì)稱對(duì)小矩形基坑的影響較大;對(duì)大矩形基坑的影響較小，坑底回彈隆起呈對(duì)稱形狀，地連墻的變形越大，墻后土體變形越大，其坑底回彈隆起量越小.

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