近海淤泥地層基坑工程變形研究

胡世英

(廣東城華工程咨詢有限公司，廣州 510660)

1 概述

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的人口涌入沿海的大中城市，因此不可避免地造成交通堵塞、環(huán)境污染等一系列問題。地鐵作為一種經(jīng)濟(jì)、方便、快捷的交通工具，有效地疏導(dǎo)地面交通，提高了通勤效率，深受民眾的喜愛，因此，在近幾年，沿海的大中城市掀起一股興建地鐵的熱潮[1-3]。近海地區(qū)大范圍分布著淤泥土層，這是一種典型的軟粘土，往往具有高壓縮性、低滲透性、高含水率和低強(qiáng)度等特性，因此在基坑開挖中往往要面臨著比一般工程更復(fù)雜的施工環(huán)境，對(duì)于地質(zhì)勘察的要求也有很高的要求[4-9]。周冠南[10]以某一軟弱地層基坑為工程背景，分析了基坑開挖過程中的時(shí)空效應(yīng)，結(jié)果表明基坑開挖中的長坑效應(yīng)和邊角效應(yīng)很明顯，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中部側(cè)向位移最大。劉建強(qiáng)[11]等通過數(shù)值模擬方法模擬深圳某一地鐵基坑的施工過程，結(jié)果表明基坑開挖的影響范圍為基坑周圍40 m內(nèi)，基坑周圍土體出現(xiàn)沉降槽，距離基坑約10～15 m。陸宏敏[12]等對(duì)淤泥土層基坑的支護(hù)樁的種類、樁長和樁間距等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

本文以沿海某地區(qū)新建地鐵基坑為工程背景，利用巖土工程數(shù)值模擬軟件geostudio，對(duì)淤泥地層基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析基坑在開挖過程中應(yīng)力場、滲流場、周圍地層的沉降規(guī)律、基坑表面的變形特征以及灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，為類似土層的基坑開挖工程提供參考依據(jù)。

2 基本原理

2.1 飽和-非飽和滲流理論

基坑開挖過程中，基坑周圍地下水不斷滲入基坑底部，二維的飽和-非飽和的滲流控制方程如下[13]：

(1)

式中：

kx、ky——土體在水平方向和豎直方向的滲透系數(shù)；

Q——施加的邊界流量；

ρw——水的密度；

mw——比水容重；

t——時(shí)間。

2.2修正劍橋模型

基坑開挖過程中，土體的應(yīng)力應(yīng)變會(huì)發(fā)生很大的變化，修正劍橋模型采用聯(lián)合流動(dòng)準(zhǔn)則，意味著屈服函數(shù)F和勢函數(shù)P是相同的[14]。函數(shù)方程見下式：

F({σ′},{k})=P({σ′},{m})

(2)

式中:

q-p′應(yīng)力空間M臨界狀態(tài)線的斜率按下式計(jì)算：

(3)

式中：

Φ′——臨屆狀態(tài)摩擦角。

3 計(jì)算模擬

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

沿海某地區(qū)新建地鐵站地基土主要為淤泥質(zhì)土層，基坑開挖寬度為24 m，開挖深度為16 m?；又ёo(hù)采用鉆孔灌注樁和6道支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ609鋼管內(nèi)支撐，基坑挖深16 m(冠梁頂部至基坑底)；東西端頭為4道鋼管支撐，挖深16～17 m，鉆孔灌注樁尺寸為Φ1 100 mm@1 500 mm，樁間距在允許范圍內(nèi)可根據(jù)現(xiàn)場情況做微小調(diào)整。

基坑分7步進(jìn)行開挖：第1步開挖至地下2 m，第2步開挖至地下4.5 m，第3步開挖至地下7.5 m，第4步開挖至地下10.5 m，第5步開挖至地下12.5 m，第6步開挖至地下14 m，第7步開挖至地下16 m。每開挖一步，就對(duì)基坑進(jìn)行鋼支撐，共設(shè)6道鋼支撐。為了研究方便，沿灌注樁高度方向，每隔1 m設(shè)置1個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)。本工程需要監(jiān)測樁頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移，樁頂位移監(jiān)測點(diǎn)沿著基坑周圍每隔2 m左右布置1個(gè)，一般布置在支護(hù)樁冠梁邊上，并且主要布置在基坑四周的中部或者陽角附近，因?yàn)檫@些部位是基坑開挖時(shí)，變形較大的位置。本工程樁頂位移監(jiān)測布置28個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，并且對(duì)于觀測基坑的水平位移和沉降位移共用相同的監(jiān)測點(diǎn)。

基坑的典型剖面如圖1所示，模型尺寸如圖2所示，由于基坑沿中心軸線對(duì)稱分布，所以取整個(gè)模型的一半進(jìn)行分析。模型長為60 m，高為40 m，全局單元尺寸為1 m，共劃分2 622個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 520個(gè)單元。

圖1 基坑典型剖面示意

圖2 基坑模型示意

邊界條件：對(duì)模型的左邊界和下邊界施加x向和y向位移約束，對(duì)模型的右邊界施加x向位移約束，對(duì)模型上邊界不施加約束。對(duì)鋼支撐的右端點(diǎn)施加x向和y向位移約束。

3.2 土體參數(shù)

近海淤泥地層本構(gòu)模型選用geostudio中的修正劍橋模型(耦合孔隙水壓力變化)，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

在geostudio數(shù)值模擬中，灌注樁采用結(jié)構(gòu)梁單元，鋼支撐采用結(jié)構(gòu)桿單元，主要力學(xué)參數(shù)見表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

3.3 計(jì)算步驟

① 初始地應(yīng)力計(jì)算;

② 基坑開挖前的地面附加應(yīng)力計(jì)算；

③ 第1步開挖，計(jì)算完成后進(jìn)行鋼支撐；

④ 第2步開挖，計(jì)算完成后進(jìn)行鋼支撐；

⑤ 第3步開挖，計(jì)算完成后進(jìn)行鋼支撐；

⑥ 第4步開挖，計(jì)算完成后進(jìn)行鋼支撐；

⑦ 第5步開挖，計(jì)算完成后進(jìn)行鋼支撐；

⑧ 第6步開挖，計(jì)算完成后進(jìn)行鋼支撐；

⑨ 第7步開挖。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 初始應(yīng)力計(jì)算

由圖3可知，基坑開挖前，地層土的初始應(yīng)力從上到下線性增大。圖3b為灌注樁上監(jiān)測點(diǎn)高程與總應(yīng)力的變化曲線?？梢钥闯?，監(jiān)測點(diǎn)的水平應(yīng)力沿高程每增加1 m，減小12.5 kPa；豎向應(yīng)力沿高程每增加1 m，減小16.8 kPa。這說明每開挖1 m地基土，相當(dāng)于向上產(chǎn)生16.8 kPa的豎向應(yīng)力，此時(shí)，基坑表面會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。由于開挖力與初始應(yīng)力直接相關(guān)，所以計(jì)算準(zhǔn)確的初始應(yīng)力為后續(xù)計(jì)算提供可靠的依據(jù)。而且，由于在開挖過程中，基坑外的地下水位保持不變，所以也會(huì)對(duì)大大增加地基土的總水平應(yīng)力，本次計(jì)算也考慮到這一點(diǎn)。

a x向總應(yīng)力云圖

a 初始應(yīng)力場云圖

4.2 開挖結(jié)束總應(yīng)力場

圖4為基坑開挖結(jié)束后基坑周圍土體的水平向和豎向總應(yīng)力場分布云圖。從圖4b可以看出，基坑開挖結(jié)束后，遠(yuǎn)離基坑區(qū)域的土體的應(yīng)力場變化比較小，幾乎保持不變，基坑灌注樁周圍的土體應(yīng)力有較大的變化，特別是豎向總應(yīng)力。灌注樁附近的應(yīng)力呈現(xiàn)出漏斗型分布狀，而且應(yīng)力等值線分布比較密集，說明該處可能出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.3滲流場分析

圖5a為基坑開挖結(jié)束后基坑周圍滲流場分布示意，圖5b為灌注樁附近監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力在開挖過程中的變化曲線示意。

a 開挖結(jié)束后滲流場云圖

由圖5a可知，基坑開挖結(jié)束后，基坑外的孔隙水壓力幾乎保持不變，基坑以下土層的孔隙水壓力遵循一般的孔隙水壓力分布規(guī)律。由于灌注樁不透水，基坑外的地下水繞過樁底滲入到基坑底部，圖中箭頭表示滲流水的流速大小。可以看出，滲流水經(jīng)過樁底時(shí)流速最大，離樁底越遠(yuǎn)的地方，滲流水的流速越小。這是因?yàn)闃兜缀屯翆又g的滲透系數(shù)差別較大，兩者之間存在接觸沖刷現(xiàn)象，但是由于流速較小，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

由圖5b可以看出，灌注樁附近的監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力沿高程方向在開挖過程中呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。在基坑未開挖時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力沿高程方向呈線性比例關(guān)系，隨著開挖的進(jìn)行，最上部的監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力沿高程方向呈線性減小的趨勢，中部監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力沿高程呈非線性減小，下部監(jiān)測點(diǎn)又呈現(xiàn)出線性減小的趨勢。對(duì)比監(jiān)測點(diǎn)初始孔隙水壓力和基坑開挖完成后的孔隙水壓力可知，最下部的監(jiān)測點(diǎn)從283.93 kPa減小到201.11 kPa，減小30%。這是因?yàn)殡S著基坑的開挖，基坑內(nèi)的水位不斷下降，基坑外的水位高，在重力的作用下，基坑外地下水不斷流向基坑內(nèi)，使得基坑外的水位不斷降低。

4.4 地表沉降

圖6a為基坑開挖結(jié)束后基坑內(nèi)外土層豎向位移變形網(wǎng)格示意，圖6b為基坑外地表面監(jiān)測點(diǎn)在不同開挖階段的變形曲線示意。由圖6a可知，基坑開挖結(jié)束后，基坑外地表出現(xiàn)沉降，基坑內(nèi)地表出現(xiàn)隆起。從圖6b可以看出，在基坑未開挖前施加附加荷載后，基坑外地表出現(xiàn)1 cm的沉降，靠近灌注樁頂部的監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)向上的位移。隨著開挖的進(jìn)行，基坑外地表監(jiān)測點(diǎn)的沉降不斷增大，呈U型沉降?；娱_挖結(jié)束后，地表最大沉降值為12.1 cm。這是因?yàn)殡S著基坑的開挖，基坑外部的孔隙水壓力不斷減小，土體的總應(yīng)力減小，土體出現(xiàn)沉降。

a 開挖結(jié)束模型網(wǎng)格變形示意

4.5 樁水平位移

圖7為基坑開挖過程中灌注樁監(jiān)測點(diǎn)水平位移變形曲線示意，由圖7可知，在第1步開挖結(jié)束后，灌注樁沿高程位移呈先增大后減小的變化趨勢，總體呈弓字型分布，最大位移為0.015 m。對(duì)基坑開挖部分進(jìn)行鋼支撐維護(hù)后，支撐點(diǎn)以上樁頂位移向背離基坑方向增大，而且監(jiān)測點(diǎn)高程越高，位移越大，最大位移為0.02 m。隨著第2步的開挖，開挖土所在樁體的水平位移急劇變大，由原來的0.01 m增大到0.034 m，但是第1根鋼支撐上部的樁體位移相對(duì)較小。隨著基坑的開挖—支撐的進(jìn)行，灌注樁的水平位移最大值位置不斷下降，最大值幾乎保持不變。灌注樁的最上部位移也不斷向基坑靠近，但是變化值很小。灌注樁最下部的位移不斷增大，到基坑開挖結(jié)束后，最下方的水平位移為0.008 m?？梢钥闯觯诨娱_挖過程中，由于基坑土的移除，基坑側(cè)向土壓力不斷增大，鋼支撐后，側(cè)向土壓力被鋼支撐軸力抵消，使得側(cè)向土的水平位移控制在一定范圍內(nèi)，保證基坑開挖施工過程的安全性。

圖7 灌注樁側(cè)向位移示意

4.6 坑底豎向位移

圖8為每開挖完1步，基坑表面監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移變化曲線。由圖8可知，基坑左右腳監(jiān)測點(diǎn)的變形很小，中間監(jiān)測點(diǎn)變形最大，基坑表面土體總體呈現(xiàn)倒U型的變形規(guī)律，而且隨著開挖深度增加，基坑表面的豎向位移變大。例如，開挖完第1步后，基坑表面的最大豎向位移為0.04 m，開挖結(jié)束后基坑表面的最大豎向位移為0.22 m，增大450%。這是因?yàn)橥翆勇裆钤酱?，該處的初始?yīng)力也越大，當(dāng)上部土體被移除后，由于應(yīng)力釋放，使得基坑表面出現(xiàn)豎直向上的位移也越大。

圖8 基坑底部豎向位移示意

5 結(jié)語

1)基坑開挖過程中，基坑周圍地下水不斷滲入基坑，樁底最下方監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力較初始減小30%。

2)基坑開挖過程中，基坑周圍建筑物發(fā)生沉降，呈U型分布。基坑底部由于上部土層的卸載作用發(fā)生隆起現(xiàn)象，坑底表面豎向位移呈倒U型分布，最大值為22 cm。灌注樁的側(cè)向位移在基坑開挖中呈弓字形分布，最大側(cè)向位移位置隨開挖深度增加而不斷下移。