张 毅
(1.中国矿业大学,北京 100000;2.上海市机械施工集团有限公司,上海 200000)
上海市是典型的软土地基城市,软土深度达150~400m,软土覆盖面广,含水量高,渗透系数低、抗剪强度低、变形率大[1]。在软土地区进行深基坑施工,会运用到岩土力学、结构力学、施工组织和施工技术等多种综合知识,另外,施工材料、施工机械、施工条件和施工人员等诸多因素会不同程度地影响深基坑的稳定性,也是进行深基坑稳定性研究的内容。内支撑的道数、围护墙的插入比及刚度对基坑的整体稳定性都起着关键作用,也是研究人员目前关注的重点和热点。
Long[2]根据大量实测基坑施工中土体和墙体变形的数据资料,对地层加以划分,认为基坑变形主要是由于支护因素、挖掘深度、坑底隆起等各种因素造成的。刘彤等[3]应用弹塑性有限元方法,研究在不同施工流程中围护结构和支护结构的内力关系,并通过与实际数据比较分析,为基坑工程的设计及施工提供了重要依据。徐中华[4]通过有限元法研究表明,工程桩的应用显著影响坑底隆起,且桩间距越小,对土体的制约效果就越强,坑底土体的隆起越小。赵晓旭5]通过深入研究软弱土层地区深基坑施工的相关理论,根据软土地质特殊的水文地质条件,总结出了影响深基坑围护结构变形的主要因素包括水文地质、工程地质情况、深基坑的规模、周边环境以及支护结构型式等。
通过对前人研究成果的总结和分析,结合过江井基坑工程实例,利用FLAC3D建立数值分析模型,分析了不同支撑道数、地下连续墙厚度和插入比对基坑整体稳定性的影响,以期为今后类似工程的设计和施工提供参考。
上海市天然气越江隧道长兴岛北过江井深基坑位于长兴岛北新大堤南侧67m,上海长江大桥东侧146m,北侧河浜距离基坑为24m,新大堤距离基坑67m。基坑平面呈方形,基坑尺寸为22.2m×13.2m,开挖深度为23.5m,整个基坑面积为266.64m2。
基坑由1m 厚的地下连续墙围护,地下连续墙的深度为49m,两侧采用Ф650mm 三轴水泥土搅拌桩(长18m)加固槽壁。竖向设置6 个水平内支撑,其中前第一、四道为矩形钢筋混凝土支撑,其余均为Ф800mm 圆形钢支撑。图1为基坑的支护结构剖面图。
图1 基坑支护体系剖面图
根据基坑开挖方案,按照开挖的先后顺序,结合实际开挖情况,本次数值计算主要模拟以下7个工况。
工况一:开挖土体至第一道支撑顶面,开挖深度1m,浇筑第一道混凝土支撑;
工况二:开挖土体至第二道支撑(钢)顶面,开挖深度5.5m,开槽设置钢支撑,并施加预应力;
工况三:开挖土体至第三道支撑(钢)顶面,开挖深度10m,开槽设置钢支撑,并施加预应力;
工况四:开挖土体至第四道支撑顶面,开挖深度13.5m,掏槽开挖浇筑第四道混凝土支撑,并施加预应力;
工况五:开挖土体至第五道支撑顶面,开挖深度17m,开槽设置钢支撑,并施加预应力;
工况六:开挖土体至第六道支撑(钢)顶面,开挖深度20.5m,开槽设置钢支撑,并施加预应力;
工况七:开挖土体至底板下基坑底面,开挖深度23.5m。
2.1.1 土体计算参数的选取
在FLAC3D中摩尔-库仑模型必须对土体的密度ρ、内摩擦角φ、体积模量K、内聚力c 和剪切模量G这五个参数进行赋值,过江井基坑土层参数见表1。
表1 土层设计参数表
2.1.2 围护结构计算参数的选取
在该深基坑中,支撑结构的模拟都选取梁(beam)构造单元。参数取值见表2。地下连续墙围护结构的计算参数见表3。
表2 混凝土支撑和钢支撑的计算参数
表3 地下连续墙围护结构的计算参数表
选取基坑长边中点测斜孔所在的地点作为比较分析对象,其在各种工况下实测和模拟的水平位移分析结果分别见图2和图3所示。
图2 各工况下墙体水平位移实测分析图
图3 各工况下墙体水平位移模拟分析图
图2 和图3 为不同工况下的围护墙体施工现场监测值和水平位移模拟计算值的分析曲线图。对比实测值和模拟值可知,模拟值总体比现场实测值偏小,工况二至工况六偏差值较小,最大位移偏差量为2.1mm,工况七水平位移偏差值最大,最大位移偏差值为7.6mm。结合实际施工情况分析认为,这是坑底沼气泄露所致。从变形曲线整体变化趋势上看,数值模拟计算得到的围护墙体水平位移曲线与施工现场实际监测位移曲线变化规律基本吻合。从变形曲线形状分析,地下围护墙的水平位移呈现中间大,两端小的“大肚状”。
取长边中点断面的地表下沉情况为主要研究对象,并选择了该断面的七个监测点位和冠梁顶部的一个监测点位,将实际监测结果和用FLAC3D计算结果加以比较分析,得到了地表下沉情况的曲线,分别见图4和图5所示。
图4 工况二地表沉降实测值分析
图5 各工况地表沉降模拟值分析
图4 和图5 是在各工况下的基坑周围实测数值与地表计算数值之间的分析曲线图。从曲线上看,模拟数值在总体上相对于实际数值变化较小,工况二到工况六最大沉降的偏差数值为约1.5mm,分析这种现象的原因很可能是建模过程中对土层结构进行了较大程度的简化,并未充分考虑地下水渗流效应和基坑周边施工机具以及在基坑边临时放置的附加荷载对周边土层地表的影响。其中工况七对比图相差较大,最大沉降偏差值为13.11mm,结合现场施工情况分析原因是基坑在该工程下出现沼气泄露,坑底扰动较大,基坑暴露时间过长所致。从曲线变化趋势上看,除工况七外,其他工况对比可以发现数值在变化趋势上大致吻合。
通过对上述的结果进行分析,可以发现:虽然数值模拟值与实测值之间具有一定的差别,但是对比结论却从一定程度上证实了数值模拟计算结果能够对基坑变形进行预测,模拟值具有一定的参考价值。
模拟分析内支撑道数为五道和七道时的基坑变形情况。五道支撑模型分别设置在开挖深度0.5m、5.5m、10.5m、15m、19.5m 处,七道支撑模型分别设置在开挖深度0.5m、4m、7m、7.5m、11m、14m、17m、20m 处。选取基坑开挖至基底标高23.5m时的变形情况作分析,在三种不同道数内支撑情况下地下连续墙在水平方向上的位移变化曲线及基坑周围地表下沉位移曲线分别见图6和图7所示。
图6 不同支撑道数围护墙体水平位移对比
图6 和图7 为不同道数内支撑支护下的基坑围护墙与地表沉降变形曲线图。从图中可以看出,采用五道内支撑时,基坑的围护墙体的水平最大位移为13mm,周边地表最大沉降量为13.68mm;采用六道内支撑时,基坑的围护墙体的水平最大位移为11.6mm,周边地表最大沉降量为11.52mm;采用七道内支撑时,基坑的围护墙体的水平最大位移为10.74mm,周边地表最大沉降量为10.75mm;当在第六道支撑的基础上,增加一道内支撑,基坑产生的变形控制作用并不明显。
对上海地区的前期基坑设计资料研究表明,上海地区的围护结构插入比介于0.7~1.1 之间,平均值约为0.9[6]。本研究取地下连续墙的插入比分别为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1,进行模拟分析。以地表至坑底标高23.5m时的基坑变形为分析对象,研究不同墙体插入比对基坑变形的影响,得到的模拟成果。图8 和图9 为不同插入比的地连墙在开挖至坑底标高时的围护墙水平位移变形量和周边地表沉降量的对比图。从图中可知,增大插入比能起到控制基坑变形的作用。插入比为0.6~0.9 时,围护墙水平位移及基坑周边地表沉降变形控制效果相对较好。当插入比大于0.9时,曲线变化趋势相对平缓,继续增大围护墙体的插入比对基坑变形影响甚微,说明插入比为0.9时已能充分满足基坑的稳定性要求。
图8 不同插入比墙体水平位移对比
图9 不同插入比周边地表沉降对比
选取基坑开挖至坑底深度23.5m的工况,选用厚度为600mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm、1400mm7种围护墙的水平位移作为分析对象。图10 和图11 为不同厚度的地连墙在开挖至坑底标高时的围护墙水平位移变形量和周边地表沉降量的对比图。从图中曲线变化趋势来看,当地连墙厚度为600~1000mm时,围护墙水平位移及周边地表沉降变形控制效果都较为明显。当地连墙厚度大于1000mm时,曲线变化趋势相对较弱,继续增大围护墙体的厚度虽然可以进一步控制墙体的最大水平位移和基坑周边的地表变形,但是效果甚微,这表明围护墙厚度为1000mm 时,已能充分满足基坑的稳定性要求。
图10 不同厚度墙体水平位移对比
图11 不同厚度墙体周边地表沉降对比
本文将深基坑位移和沉降的现场观测结果和数值模拟计算结果进行对比分析,证明了数值模拟的合理性,然后利用FLAC3D6.0 模拟计算分析了不同支护结构参数设计情况下的基坑变形情况,主要结论如下:对计算分析值与实际数值进行比较分析,发现实际数值普遍大于计算数值,但是其变化趋势基本上是吻合的,表明了该FLAC3D6.0 软件对基坑开挖施工流程的数值模拟是比较合理的,并能够为今后各类基坑工程的方案设计与施工提供借鉴;进行基坑支护结构设计时,内支撑的道数、围护墙体的插入比及地下连续墙的厚度对基坑的稳定性有较大影响,但要根据工程不良地质、施工环境、施工的时空效应及方案的经济性综合考虑。