圓礫地層深基坑坑角效應(yīng)對鄰近建筑物變形的影響*

魏建發(fā) 周 穎 田發(fā)派 馬少坤,3,4 黃 震

(1.中國中鐵一局集團有限公司第三工程分公司,721003,寶雞; 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,530004,南寧;3.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室,530004,南寧; 4.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室,530004,南寧)

在基坑坑角效應(yīng)影響下,坑角處的圍護結(jié)構(gòu)變形差異顯著,建筑物沿基坑各方向會產(chǎn)生不同的沉降值,坑角效應(yīng)對圓礫地層的影響尤為顯著,極易造成建筑物破壞。因此,研究圓礫地層的坑角效應(yīng)對鄰近建筑物變形的影響具有一定的工程意義。

基坑坑角效應(yīng)表現(xiàn)為:在鄰近基坑坑角處,基坑的變形很小,但隨著基坑距坑角距離的增大,基坑的變形逐漸增加。文獻[1]研究了上軟下硬地層中,基坑的空間效應(yīng)。文獻[2]結(jié)合18個砂卵石地層的地鐵車站實測數(shù)據(jù),獲得了基坑的整體變形模式,并根據(jù)基坑長度定量劃分坑角效應(yīng)影響區(qū)域和平面應(yīng)變區(qū)域。文獻[3]的研究結(jié)果表明,鄰近坑角附近的建筑物在沿基坑和垂直于基坑方向均會發(fā)生不均勻沉降,呈現(xiàn)出三維沉降形態(tài)。文獻[4]結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),以建筑物沉降、傾斜、扭轉(zhuǎn)和不均勻沉降作為建筑物變形評價指標,分析鄰近坑角的建筑物變形評價指標在基坑開挖過程中的變化規(guī)律。文獻[5]分析了距坑角、坑邊不同距離處建筑物的墻體沉降、相對撓度和拉應(yīng)變的變化情況?？咏切?yīng)對于建筑物的影響是有一定范圍的,現(xiàn)有研究均未考慮在坑角效應(yīng)影響范圍內(nèi),建筑物的變形特征差異性。

圓礫地層的工程特性介于巖石與土之間,但針對圓礫地層的基坑坑角效應(yīng)鮮有研究。基于此,本文以南寧軌道交通5號線廣西大學(xué)站的車站深基坑為例,分析地下連續(xù)墻(以下簡稱“地連墻”)的實測數(shù)據(jù),以獲得圓礫地層坑角效應(yīng)的影響范圍。在此基礎(chǔ)上,建立基坑三維有限元數(shù)值模型,分析在不同地連墻水平位移作用下,距坑角及坑邊不同距離的建筑物變形特征。

1 工程案例分析

1.1 工程概況

南寧軌道交通5號線廣西大學(xué)站為地下三層島式車站,車站主體結(jié)構(gòu)總長156 m,標準段寬為22.6 m,基坑深度為25.5～28.5 m?；又苓吔ㄖ锩芗?其中星光老年服務(wù)中心位于基坑南右側(cè)坑角附近,為6層獨立基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu),建筑物尺寸為19.1 m(長)×16.4 m(寬)×18.0 m(高),層高3 m,距基坑約為13.5 m。

1.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與監(jiān)測

廣西大學(xué)站車站基坑的支護結(jié)構(gòu)采用厚為1 000 mm的地連墻加內(nèi)支撐支護方式,地連墻深度為33.4 m。第1道混凝土支撐尺寸為800 mm×900 mm,第3道混凝土支撐尺寸為900 mm×1 000 mm,第2道和第4道為φ609 mm,壁厚為16 mm的鋼支撐。4道支撐的中心標高分別為-1.50 m、-7.45 m、-15.35 m和-21.35 m?；又ёo結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜,根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,基坑及周邊建筑物的監(jiān)測點布置示意圖如圖2所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面示意圖

注:D為地面沉降監(jiān)測點;ZQT為地連墻水平位移監(jiān)測點。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以南邊右側(cè)和北邊右側(cè)基坑坑角為原點,距坑角不同距離的地連墻水平位移如圖3所示。由于坑角效應(yīng)的存在,距基坑坑角附近的地連墻水平位移均較小,地連墻最小水平位移值位于坑角測點ZQT2和ZQT26處,其最小值分別為3.29 mm和3.82 mm。隨著地連墻距坑角距離的增大,地連墻水平位移逐漸增大,呈現(xiàn)出典型的內(nèi)凸式變形模式,地連墻最大水平位移出現(xiàn)在基坑中部測點ZQT7和ZQT21處,地連墻最大水平位移值分別為18.44 mm和13.31 mm。相較于坑角附近,基坑中部的地連墻最大水平位移增量分別為82.2%和71.3%。當?shù)剡B墻距坑角距離繼續(xù)增大時,因受到左邊坑角效應(yīng)的約束,地連墻水平位移逐漸減小。

坑角效應(yīng)影響范圍示意圖如圖4所示,其中:α為圖4所示截面的最大位移/基坑中所有截面位移中的最大值;β為地連墻與坑角距離/基坑深度。隨著地連墻逐漸遠離基坑坑角,α不斷遞增,基坑南側(cè)與北側(cè)曲線變化速率存在一定的差異性,但均在與坑角距離2.8H(H為基坑開挖深度)位置處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。之后地連墻最大水平位移逐漸遞減。該基坑的坑角效應(yīng)影響范圍為2.8H,與文獻[6]的研究結(jié)果,坑角效應(yīng)的影響范圍約為基坑開挖深度的3倍較為接近,說明該基坑圓礫地層具有顯著的坑角效應(yīng),且坑角影響范圍約為2.8H。

圖4 坑角效應(yīng)影響范圍示意圖

綜上可知,由于坑角效應(yīng)的存在,不同位置處的地連墻水平位移存在較大的差異,基坑南側(cè)中部的地連墻最大水平位移比基坑坑角處的最大水平位移多82.2%。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 土體本構(gòu)模型

巖土工程中的土體受到擾動時,大部分區(qū)域的土體存在明顯的小應(yīng)變行為?；庸こ痰膽?yīng)變量級為0.01%～1.00%,屬于小應(yīng)變范圍。土體的HSS(小應(yīng)變硬化本構(gòu))模型能較好地反映土體小應(yīng)變的非線性、應(yīng)力相關(guān)等特性,因此本文選取的本構(gòu)模型為HSS模型。

土體力學(xué)參數(shù)如表1所示,其中:γ0.7為剪切模量衰減到初始剪切模量70%所對應(yīng)的剪應(yīng)變;E50為三軸固結(jié)排水剪切試驗測定的割線模量;Eur為三軸固結(jié)排水剪切試驗測定的加載卸載模量;Eoed為標準固結(jié)試驗測定的參考應(yīng)力下的切線模量。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模型

以南寧軌道交通5號線廣西大學(xué)站深基坑工程為例,采用Plaxis軟件建立三維有限元計算模型。為了提高計算效率,沿基坑長度方向中軸線取1/2對稱部分進行有限元建模分析?；娱_挖對周邊環(huán)境的影響范圍為0～4H,考慮到邊界效應(yīng)的影響,有限元模型尺寸為264 m(長)×200 m(寬)×60 m(高)?；炷羶?nèi)支撐采用梁單元進行模擬,鋼支撐采用點對點錨桿單元模擬,地連墻采用板單元進行模擬,墻體與土之間的接觸關(guān)系采用界面單元進行模擬。星光老年服務(wù)中心為獨立基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)埋深為1.7 m,層高3.0 m,采用梁板單元結(jié)構(gòu)進行模擬。三維數(shù)值模型進行底部約束固定,其他4個側(cè)面設(shè)置法向約束條件,僅讓模型發(fā)生豎向位移。三維有限元計算模型如圖5所示。

圖5 三維有限元計算模型

2.3 模擬方案

考慮到實際的坑角影響范圍可能稍大于理論值,本文取圓礫地層基坑坑角效應(yīng)的影響范圍為3H,通過調(diào)節(jié)支撐剛度使在距坑角距離為3H處的地連墻最大水平位移分別達到15 mm(未預(yù)警)、30 mm(一級基坑預(yù)警值)、45 mm(二級基坑預(yù)警值),研究距坑角及坑邊不同距離下的建筑物變形規(guī)律。具體模型參數(shù)設(shè)置為:建筑物距坑角距離L=0.25H,0.50H,1.00H,1.50H,2.00H,3.00H;建筑物距坑邊距離D=0.25H,0.50H,0.75H,1.00H,1.50H,2.00H;距坑角3H處地連墻最大水平位移δhm=15 mm,30 mm,45 mm。通過設(shè)置模型參數(shù),共建立有限元計算模型108個。

2.4 模型驗證

選取測點ZQT5、ZQT3、ZQT21的地連墻水平位移實測值和模擬值進行對比,如圖6所示。由于基坑頂部溫度和施工荷載的影響,以及現(xiàn)場施工條件的復(fù)雜性,ZQT5、ZQT3、ZQT21處墻頂部的地連墻水平位移實測值和模擬值之間存在一定的差異。3個測點地連墻最大水平位移的模擬值和實測值分別為15.75 mm、8.99 mm、15.03 mm和16.12 mm、9.66 mm、13.31 mm,差異性不大,均為典型的內(nèi)凸式變形模式。由此可知,所提模型的可靠性和準確性較高。

a) 測點ZQT5

3 建筑物變形分析

定義建筑物變形相關(guān)參數(shù):AB和BC為建筑物縱墻、橫墻所在位置,其不均勻沉降值為兩墻體沉降最大值與最小值之間的差值;BJ為基坑開挖前建筑物所在的位置;FH和EG分別為基坑開挖后建筑物在x和y方向傾斜后的位置,兩個方向上的傾斜率為二者水平位移的差值與其高度h的比值。建筑物變形示意圖如圖7所示。

圖7 建筑物變形示意圖

3.1 不均勻沉降值

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物縱墻不均勻沉降值如圖8所示。地連墻墻身水平位移雖不同,但距坑角及坑邊不同距離下,建筑物的不均勻沉降變形規(guī)律基本一致。隨著建筑物遠離坑邊、距坑角距離越近,建筑物的不均勻沉降值不斷減小,呈現(xiàn)陡降式的拋物線模式。當D>1.50H時,距坑角為任意距離處的建筑物不均勻沉降值均較小。當L≥1.50H時,坑角效應(yīng)影響對建筑物的約束作用逐漸減弱,縱墻不均勻沉降值相差較小。

a) δhm=15 mm

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物橫墻不均勻沉降值如圖9所示。在不同δhm作用下,當L≥1.50H時,距坑邊不同距離處的地連墻橫墻差異沉降值變化不大。當L=1.00H時,隨著建筑物與坑邊距離的增大,地連墻橫墻的不均勻沉降值逐漸增大。當D<0.50H時,地連墻橫墻的不均勻沉降值逐漸減小。隨著建筑物同坑角及坑邊距離的變化,地連墻的不均勻沉降變化規(guī)律存在顯著差異性,但當D>1.00H時,地連墻橫墻的不均勻沉降值均較小。

a) δhm=15 mm

3.2 傾斜率

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物在x方向上的傾斜率如圖10所示。隨著建筑物與坑角距離的增大,建筑物在x方向上的傾斜率不斷減小。當L=0.25H和0.50H時,建筑物逐漸遠離坑邊,其傾斜率呈現(xiàn)陡降的變形趨勢。當L>0.50H時,隨著建筑物與坑邊距離的增大,建筑物在x方向上的傾斜率呈現(xiàn)較為平緩的內(nèi)凸式拋物線變形模式。建筑物傾斜率最大值在L=0.50H、D=0.25H位置處。進一步分析在不同地連墻水平位移下建筑物傾斜率的變形規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),隨著地連墻水平位移的增加,建筑物在x方向的最大傾斜率位置未發(fā)生變化,僅在數(shù)值上發(fā)生改變。

a) δhm=15 mm

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物在y方向上的傾斜率如圖11所示。隨著地連墻距坑角越近、距坑邊越遠,建筑物在y方向上的傾斜率不斷減小,呈現(xiàn)陡峭下降的拋物線模式。在不同的δhm作用下,當建筑物在y方向上的傾斜率最大值分別為0.51×10-3、1.04×10-3、1.41×10-3時,隨著δhm的增大,這三個傾斜率相對前一個傾斜率的相對增量分別為103.9%和35.6%。隨著地連墻水平位移的增大,建筑物在y方向上的傾斜率變化較x方向更為敏感。

a) δhm=15 mm

4 結(jié)論

1) 由地連墻水平位移實測數(shù)據(jù)可知,基坑南北兩側(cè)中部處的地連墻最大水平位移較基坑坑角處分別增大了82.2%和71.3%,表明該圓礫地層基坑具有明顯的坑角效應(yīng),且坑角效應(yīng)的影響范圍約為2.8H。

2) 在不同地連墻水平位移下,隨著建筑物距坑角及坑邊距離的變化,建筑物縱墻不均勻沉降曲線、在y方向上的傾斜率變化曲線呈現(xiàn)出陡降式的拋物線變化趨勢;建筑物橫墻不均勻沉降曲線、在x方向上的傾斜率曲線的變化可劃分為陡降式、上凸式、下凹式拋物線變化趨勢。

3) 不同地連墻水平位移下,隨著建筑物距坑角及坑邊距離的變化,建筑物的變形規(guī)律基本一致,其各方向上的傾斜率僅在數(shù)值上發(fā)生改變。