软土地区墙式支挡开挖地表水平位移分析

江 锋,李曦宇,陈建军,吴恭成,黄绍灯,陈奕天

(1.浙江交工集团股份有限公司,浙江 杭州 310018；2.浙江理工大学建筑工程学院, 浙江 杭州 310018)

深基坑工程逐渐趋向“大、紧、深”的特点,基坑变形控制要求逐渐严格。尤其在软土地区,深基坑开挖过程引起的地面运动易使周围建筑物、道路、地下管线等重要设施间接损伤[1]。因此深基坑开挖引起地面运动的预测和其对建构筑物的损害研究正逐渐被重视。

针对地表沉降运动预测问题的研究主要有模型试验法[2-3]、解析理论解[4-5]、实测统计[6-7]和有限元法[8-9],但大多数研究集中讨论基坑开挖引起围护结构最大侧向位移和地表竖向沉降之间的关系。地表沉降造成路面凹陷和建筑物下沉等影响是直观可见的，实际工程也往往将建筑物与地表沉降的相互联系来评估基坑开挖对邻近建筑物的严重程度。但部分学者[10-13]逐渐认识到基坑开挖引起邻近地表土体和建筑物产生的水平拉应变,会对建筑物造成较大裂缝甚至结构扭曲,其造成的破坏影响并不小于地表沉降。

综上所述,本文将建立有限元模型来逐渐深入研究基坑开挖引起地表土体水平变形特性,及其与围护结构变形之间的相互联系；同时以有限元模拟结果提出合理的地表水平位移预测公式，并以实际工程案例进行误差分析,验证地表水平位移预测公式的有效性。

1 工程概况

地铁浙大国际学院站位于海宁海州东路与碧云南路交叉路口。车站主体长432.23 m,标准段宽19.7 m,标准段深16～17 m,围护结构采用厚钢筋混凝土地下连续墙加内支撑体系。车站开挖方式采用明挖法开挖。

2 有限元模型

本次有限元模型采用Plaxis2D进行分析,土体本构模型采用土体硬化小应变(HSS)模型,土体参数主要参考杭州海宁地区的实际工程案例中的勘察报告,主要输入参数见表1。根据2组土质参数基坑案例,探讨基坑开挖深度、土层厚度以及围护结构刚度与邻近基坑外地面水平位移的关系,其中相关的参数变化范围见表2。

表1 有限元土质参数

表2 工况参数变化范围

有限元模型建模长度为4He,建模深度为5He,其中基坑开挖宽度为20 m,地下连续墙深度为40 m,共设置4道水平内支撑,其深度位置分别为0、3.1、6.4 m和11.4 m。

有限元模拟开挖共分为：1)开挖第一层土,开挖深度达到地下1 m;2)施加第一道水平内支撑;3)开挖至地表以下3.5 m;4)施加第二道水平内支撑;5)开挖至地表以下6.9 m;6)施加第三道水平内支撑;7)开挖至地表以下11.9 m;8)施加第四道水平内支撑;9)开挖至地表以下16.6 m。

3 坑外土体竖向沉降和水平位移

图1显示了地表土体水平位移以及竖向沉降,其中本文规定水平位移方向朝向基坑内为负,朝向基坑外为正；地表沉降沿开挖方向向下为正,向上为负。本文中字母含义如下：x为距离围护墙的垂直距离,δvs为土体竖向沉降位移,δhm为土体水平位移,He为开挖深度,EI为围护结构刚度,Dh为地下连续墙深度。从图中可以看出地表土体水平和竖向位移变化趋势基本相同。当基坑开挖较浅时,地表沉降呈 “凹槽型”趋势,而地表水平位移向基坑外位移。当基坑开挖深度较大时,地表沉降和地表水平位移的趋势较为一致,皆呈“凹槽型”模式。其中开挖深度达到16.6 m时,地表沉降在最大值距离基坑11.55 m处达到5.17 mm,而地表水平位移在距离基坑7 m处,其最大值为2.78 mm。

图1 基坑开挖引起坑外土体位移

虽然,地表水平位移比地表沉降小,但地表水平位移仍有地表沉降的50%以上,且地表水平位移最大值更接近于基坑围护结构。当x=0与xmax两点处,地表水平位移变形率为0.39,地表沉降变形率为0.44。而基坑开挖引起邻近建筑物的损伤评估，规范中曾指出对于水平位移阻力较小的建筑,其受到地表水平位移产生的拉应变作用引起的损伤远大于地表竖向位移的作用[14]。

4 不同地表水平位移参数影响分析

图2变化参数为不同基坑开挖深度。地表水平位移值随着开挖深度增加而逐渐增大,同时地表水平位移最大值所处位置与基坑间距逐渐增大。地表水平位移最大值在开挖深度为7.1、11.9、16.6 m 时,A组围护结构间距为8、12、15.57 m。B组与围护结构间距为7、11、12.80 m。显然,两组间距与开挖深度的比值皆接近于1。同时,水平位移最大值点(xhmax)与初始点(x=0)两点之间的位移差值随着开挖深度的增加而逐渐增大,但B组地表水平位移差值比A组大。

图2 不同开挖深度地表水平位移曲线

图3变化参数为不同围护结构刚度。墙体围护结构刚度的增加必然会使围护结构侧向位移减小,地表水平位移运动也随之减少。因此,基坑围护结构刚度EI与地表水平位移成反比。而A组地表水平位移最大值点(xhmax)皆在12.80 m附近,B组地表水平位移最大值点(xhmax)在11.00 m附近。可见,围护结构刚度的改变并不影响地表水平位移最大值所处位置。

图3 不同刚度地表水平位移

图4变化参数为不同土层厚度。当顶部粉质黏土厚度逐渐增大时(即1、2、3),地表水平位移值也相应的增加,地表水平位移最大值点变化并不明显。当中间层淤泥质黏土厚度如4、5、6依次增大时,地表水平位移同样增加,地表水平位移最大值所处位置逐渐远离围护结构。

图4 不同土层厚度地表水平位移

5 围护结构侧向变形对地表水平位移影响 分析

地表水平位移与地表沉降具有较大的相似性,图5给出地表水平位移最大值(δhvmax)与围护结构侧向位移最大值(δhmax)之间的关系。从图中看出,地表水平位移最大值大约为围护结构侧向位移最大值的0.3倍左右,且不同土质情况、开挖深度以及土层厚度对其比值影响变化不大,因此可得：

图5 地表水平位移最大值与围护结构侧向位移最大值

δhvmax=0.3δhmax

(1)

刘涛[13]基于上海地铁182个实测断面得出地表竖向沉降最大值点距离基坑水平位移x值大约为基坑开挖深度He的0.5～0.7倍。但基坑开挖深度大于16.6 m时,基坑最大的变形位置逐渐上移。图6则给出地面水平位移最大值点(xhmax)与围护结构侧向位移最大值(zmax)之间的关系,可以看出,xhmax与zmax皆随着开挖深度的增加而逐渐增加,但两者比值仍在一定范围内,其比值上限接近于1.1zmax,下限接近于0.6zmax。

图6 地表水平位移最大值点与围护结构侧向位移最大值所处深度

xhmax=0.6～1.1zmax

(2)

6 预测简化公式

由上述分析可知,地表水平位移曲线不仅与地表竖向沉降曲线类似,同时与围护结构侧向变形有着一定的联系。值得一提的是,地表竖向沉降预测曲线能用正态函数[14]或者偏态函数[15]拟合,两种拟合公式都具有较好的适用性。

不妨假定偏态函数亦适用于地表水平位移曲线,其具体公式如下：

(3)

式(3)中：A、B、C和D为待定研究的参数。

通过公式拟合108次凹槽型地表水平位移值来评估参数对地表水平位移曲线的拟合影响。

图7为参数A与地表水平位移最大值之间的关系。显然,参数A的取值与地表水平位移最大值的比值接近于1,此比值受不同土质、不同土层厚度、开挖深度和围护结构刚度的影响较小。由于围护结构最大侧向位移值与地表水平位移最大值几乎相等，因此,参数A也可以由围护结构最大侧向位移值得到：

图7 参数A与地表水平位移最大值

A=δhv=0.3δhm

(4)

图8为参数C与地表水平位移最大值所处位置的关系。从图中可以看出,当地表水平位移最大值点与基坑边距离增加时,参数C的取值逐渐增加,两者比值接近于1。因此,地表水平位移与基坑的距离可用围护结构水平位移最大值所处深度表示,参数C的取值为：

图8 参数C与地表水平位移最大值所处位置

C=xmax=0.6～1.1zmax

(5)

图9为参数B和地表水平位移最大值(δhv)之间的关系。可以看出,参数B随着地表水平位移最大值的增加而逐渐减小。在第一组(A组)土质情况下,参数B更偏向于下限(yb1曲线)。当处于第二组(B组)土质情况时,参数B更偏向于上限(yb2曲线)。显然,参数B不仅与地表水平位移最大值有一定的联系,且与不同土质情况有联系。结合地表水平位移最大值与围护结构最大侧向位移值之间的关系,给出参数B的经验公式,如公式(6)所示。

图9 参数B与地表水平位移最大值

图10为参数D和地表水平位移最大值(δhv)之间的关系。可以看出,参数D随着地表水平位移最大值的增加反而逐渐增加。当开挖深度较浅时,围护结构最大侧向位移值较小,地表水平位移最大值与参数D皆较小。而随着开挖深度逐渐增加,参数D与地表水平位移最大值也同时增加,但数据皆在曲线yd1和yd2之间。因此公式(7)给出参数D的经验公式。

图10 参数D与地表水平位移最大值

(6)

D=4×e(δhmax/2)+Td

(7)

其中Tb、Td的参数在软土地区中分别取值1.6～2.1和-3～-4。

7 预测公式验证

基坑开挖引起的地表水平位移实测数据较少且不完整,无法像地表竖向沉降一样能获得较好的曲线以验证地表竖向沉降曲线的合理性。

基坑开挖深度内土质较差,淤泥质粉质黏土在土层中厚度较大，见表4。围护结构采用0.8 m厚地下连续墙兼主体结构外墙。基坑开挖深度He=16.5 m,并且共设置3道混凝土内支撑,地下连续墙插入深度为35 m。在距离基坑围护结构10 m处布置测斜管。

表4 工程案例相关地层信息

根据土质情况分析可得,其Tb与Td值分别取1.6和-4。根据公式可得参数A、B、C和D,再将其代入公式中。

图11给出地下连续墙侧向位移值与测斜管的实测值对比,其中Hhm为地下连续墙侧向位移值。可以看出,预测曲线较接近于实测值,误差平均值仅有6%。说明本文提出的预测公式能较好地预测软土地区基坑开挖引起的地表水平位移。

图11 实测值与预测曲线

8 结 语

本文基于土体小应变特性与海宁地铁基坑车站实测土层数据的基础上建立数值模型。并在此基础上研究不同土质情况、土层厚度、围护结构刚度下,基坑开挖对邻近地表土体水平位移的影响,具体结论如下：

1)基坑开挖引起地表水平位移曲线与地表竖向沉降曲线形态上类似,但地表水平位移最大值点相较于地表竖向沉降最大值点更接近基坑,且地表水平位移最大值要小于地表竖向沉降。因此,实际工程中地表水平位移造成周边环境及建筑物影响不容忽视。

2)围护结构刚度仅影响地表水平位移数值大小,软弱土层厚度、开挖深度、不同土质参数不仅影响地表水平位移数值大小,而且影响地表水平位移影响范围和最大水平位移点与基坑的距离。

3)偏态函数能较好地拟合软土地区中深基坑开挖引起邻近地表水平位移曲线。通过实测值与其对比, 证明了本文提出的地表水平位移曲线能较好地预测基坑开挖对邻近土体的地表水平位移值的影响。地表水平位移值的影响因素不仅仅与基坑开挖的过程相关,而且与基坑降水、不同内支撑形式、邻近建筑物对其的影响等因素相关,这些因素仍需进一步研究。