基坑开挖对临近地表沉降影响的分析 ＊

李开文,毛 勇,刘海明

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院,云南 昆明 650051;2.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北 武汉 430071)

1 引 言

随着城市用地不断加剧,产生了大量的基坑工程。基坑工程工期长、造价高、难度大、后果严重,如何合理地处理基坑开挖引起的环境问题,已成为土木工程界所关注的热点课题。当前很多研究者倾向于研究基坑开挖引起临近地表的水平位移,对其竖向位移 (沉降)不够关注甚至忽视,导致严重后果。本文认为在某些基坑工程中,临近地表的沉降具有重要意义。

目前,国内外已有不少学者对基坑开挖引起临近地表的沉降进行研究。Attwell[1]对基坑开挖引起的地面沉降及对地面建筑物和地下管线的影响进行了研究;Peck[2](1969)提出了预估地面下陷的无因次曲线,可以得到基坑周围地面下陷的数量级,他认为基坑开挖引起的周围地表沉降情况是多因素综合作用的结果,这些因素包括土的性质、开挖深度、面积、围护型式及施工工艺和质量等;日本道路工程规范[3]认为基坑周围地表沉降曲线围成的面积与围护结构侧向移动曲线所围成的面积是相等的,而围护结构的侧向位移量的估算相对容易一些,这样就可间接地估计地表沉降状况;侯学渊、陈永福 (1989)[4]根据有限元分析和对前人研究成果的总结,提出经验公式。

实验以昆明市某医院基坑为典型实例,利用FLAC-3D模拟分析了基坑开挖支护对周围地表造成的影响,得到了一些有价值的结论,可为同类工程借鉴。

2 工程地质与水文地质条件

场地地层按成因类型为五大类,从上至下分述为[5]:第四系人工填土 (Qml):由建筑垃圾构成;第四系坡、洪积层 Qwl+pl:由粘性土夹碎石构成;第四系残、坡积层 Qwl+dl:由粘性土夹碎石构成;二迭系倒石头组 Pld:由强风化砂岩构成;石碳系马平组 C2m:由碳酸盐岩 (灰岩)构成,岩溶发育。场地地下水位埋深 1.3～4.8 m,地下水含水层主要为粘性土和灰岩含水层。

3 基坑支护方案

基坑深度为 7.3 m,采用Φ1000 mm@4000 mm人工挖孔桩 (C25)支护,长 15 m。桩顶用800 mm×500 mm,C25钢筋混凝土冠梁连接。坑壁设一排预应力锚杆,一排预紧力钢管锚杆,一排钢管锚杆 (详见图1)。

4 FLAC-3D计算模型的建立

4.1 模型的计算范围

Peck认为[6]基坑变形的影响宽度为 4H,深度取为 3H。实验所建立的模型尺寸为:长 (x)×宽(y)×高(z) =52 m ×50 m×30 m。整个模型共划分为31200单元,参见图2。

4.2 模型的边界条件

模型边界约束条件设定如下:

1)模型左右边界为单约束边界,取u=0,v≠0,w≠0,(u为 x轴方向的位移,v为 y轴方向的位移,w为 z轴方向的位移);

2)模型前后边界为单约束边界,取u≠0,v=0,w≠0;

3)模型底边界为全约束边界,取u=0,v=0,w=0;

4)模型上边界为自由边界,取u≠0,v≠0,w≠0。

4.3 土体模型

根据现场地质勘察报告,以及现场室内实验的结果,将模型土层概化为三层:第一层层厚 10 m,土体重度为 18 kN/m3,采用修正剑桥模型,模型参数见表1;第二层层厚 8 m,土体重度为 18 kN/m3;第三层层厚 12 m,土体重度为 22 kN/m3,下部 20 m岩土层采用摩尔库仑模型模拟,模型参数见表2[7～9]。

表1 修正剑桥模型的模型参数Tab.1 Model parameters for modified Cam-clay model

表2 摩尔库仑模型的模型参数Tab.2 Model parameters for Mohr-coulomb model

4.4 结构模型

桩单元采用 pile单元模拟;冠梁、腰梁采用beam单元模拟;锚杆采用 cable单元模拟;喷射混凝土采用 shell单元模拟,如图3所示。

图3 基坑开挖的 FLAC-3D结构单元模型Fig.3 FLAC-3D structural unit model for foundation pit excavation

1)Pile单元参数:

表3 桩单元的几何参数表Tab.3 Geometric parameters of pile element

表4 桩单元的材料参数表Tab.4 Material parameters of pile element

2)Beam单元:

表5 梁单元的参数表Tab.5 Parameters of beam element

3)Cable单元:

表6 锚杆单元的参数表Tab.6 Parameters of cable element

4)Shell单元:

表7 壳单元的参数表Tab.7 Parameters of shell element

4.5 模拟过程

为了真实地模拟开挖过程,采用 FLAC-3D软件中的Null单元来模拟开挖。模拟开挖过程计算共分为 7步,具体如下:

第一步:建立未开挖之前的基坑模型,并将模型全部赋为弹性材料,加上均匀的地应力场,形成初始地应力场。

第二步:将上部 10 m土层赋为修正剑桥模型,将下部 20 m岩土层赋为摩尔库仑模型。将第一步的约束条件释放,并重新设置约束条件,求解得到新的初始地应力场。

第三步:将新的初始地应力场下的位移场置于零,在指定位置设置桩单元,并在指定时间下求解。

第四步:开挖 0～2.2 m土层,施加基坑周边荷载,并设置喷锚支护结构,并在指定时间下求解。

第五步:开挖 2.2～4.4 m土层,并设置喷锚支护结构,并在指定时间下求解。

第六步:开挖 4.4～6.6 m土层,并设置喷锚支护结构,并在指定时间下求解。

第七步:开挖 6.6～7.3 m土层,并设置喷射混凝土,最终求解。

5 计算结果

为了与数值模拟结果做对比,该基坑周边设置多个变形观测点,用以分析数值模拟结果,详见图4。

图5和图6表明:在基坑侧壁处,沉降达到最大值,随着距离基坑侧壁越远,沉降也越小;在支护结构上,由于其刚度相对于土体很大,其沉降量很小。由于数值模拟的时间是根据达到沉降稳定时,计算步数与监测时间相等得出,不是真正意义上的时间。数值模拟结果在 10 d左右出现一个明显的拐点,这与实际明显不符。数值模拟结果与监测结果较为一致,两者相差不到 10%。

图5和图7表明:在距离基坑深度约 8 m左右,约为 8/7.3=1.1倍基坑深度,此处沉降已显著下降,约为 16.5 mm,不足最大沉降的 1/6。数值模拟结果与监测结果较为一致。

图5和图8表明:当离基坑较远时 (大于 3倍基坑深度的距离时),沉降模拟结果跟监测数据明显不符,本工程监测数据显示此处基坑的沉降接近0,基本上在 0左右波动,模拟结果显示沉降不足1 cm,对于一般建筑物,完全可以不考虑其影响。模拟结果跟监测数据不符的原因可能是由于测量仪器的测量精度引起的。

通过图5和图9表明,沉降的影响范围为 20 m,此处沉降为 5.5/110=5%,为基坑深度的 20/7.3=2.73倍,由此可见,基坑附加应力场效应取4倍基坑深度完全能满足工程的精度,在条件不够的情况下,推荐取 3.5倍基坑深度。基坑的沉降在离基坑 6 m的位移有一个拐点,此点过后,沉降大幅度降低。

6 结 语

通过基坑实测结果与数值分析,可以得出以下主要结论:

1)利用 FLAC-3D进行基坑开挖的数值模拟研究是切实可行的,模拟分析得到的数值结果与实际工程监测结果大致吻合。

2)基坑开挖引起临近地表沉降的范围约为2.7倍基坑深度。随着基坑侧壁的距离的增大,沉降逐渐减小。浅层土体开挖对地表沉降的影响较深层土体大。

3)修正剑桥模型模拟昆明地区典型地基土能取得较好效果。

[1]Attwell P.B.Soil movement induced by tunneling and their efects or pipelines and structures[M].Blackie:Chapman and Hall,1986:20-46.

[2]Peck R.B.Deep Execavations and Tunnellings in Soft Ground[J]. Proc.7th on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. State-of-the-Art Int,Conf Reports,Mexico City:Vol.3,1969:225-290.

[3]赵荣欣.软土地基基坑工程的环境效应及对策研究 [D].浙江:浙江大学,1999:8-11.

[4]侯学渊,陈永福.深基坑开挖引起周围地基土沉陷的计算[J].岩土工程师,1989,1(1):1-13.

[5]云南省设计院勘察分院.中共云南省委机关新建办公楼岩土工程勘察报告 [R].2004.

[6]刘建航,侯学渊.基坑工程手册 [M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[7]Itasca Consulting Group Inc.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions(Version 3.00) UserMannal[M].USA,2002.

[8]M.Cai,P.K.Kaiser,H.Morioka,ect.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations[J]. International journal of rock mechanics&mining sciences,2007,44,pp:550-564.

[9]Duncan J.M.,and Chang C. Y.Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils[J].Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE,1970,96(5):1629-1653.