软土区管廊基坑柔性支护下基坑变形控制标准

李天降, 朱孟君, 王哲, 宋许根, 甄洁, 衣凡, 雷华阳, 郑刚, 程雪松*

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司道路交通设计研究院, 武汉 430063; 2.天津大学土木工程系, 天津 300072)

随着中国城市化进程加快,地下空间利用率逐渐提高,基坑开挖及支护发展迅速。但是基坑设计不当或工程经验不足会引起较大的围护结构侧向变形和地表沉降,严重的会导致基坑失稳,造成巨大的经济损失,甚至威胁人身安全[1-3]。基坑工程是建筑工程和基础设施工程的建设之本,基坑变形规律分析和控制又是基坑工程中重要部分,特别是在软土地区的基坑施工中,土体性质较差[4],控制基坑与支护结构的变形、确定合理的基坑安全的控制标准至关重要。

鉴于此,中国编制了许多国家规范和行业规程。比如,《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497—2019)[5]给出了不同支护结构类型的基坑变形绝对值及其与基坑开挖深度的关系,取较小值作为控制值,如采用钢板桩支护的基坑的深层水平位移值,要求一级基坑的控制值为50～60 mm或0.6%H～0.7%H,二级基坑的控制值为60～80 mm或 0.7%H～0.8%H,三级基坑的控制值为70～90 mm 或0.8%H～1.0%H,H为基坑深度。北京地方标准《建筑基坑支护技术规程》(DB 11/489—2016)[6]中规定,当无明确要求时,最大水平变形限值:一级基坑为0.002H,二级基坑为0.004H,三级基坑为0.006H。《广东省建筑基坑工程技术规程》(DBJ/T 15-20—2016)[7]中根据环境等级明确了基坑支护结构的水平位移控制值,环境等级为一级基坑的支护结构水平位移控制值取30 mm且不大于0.002H,环境等级为二级基坑的支护结构水平位移控制值取45～50 mm且不大于0.004H,环境等级为三级基坑的支护结构水平位移控制值取60～100 mm 且不大于0.006H。上海市《基坑工程技术规范》(DG/TJ 08-61—2010)[8]根据基坑周围环境的重要性程度及其与基坑的距离,提出了支护结构最大侧移、地表沉降的设计控制指标。重要保护对象与基坑距离s≤H,基坑环境保护等级为一级,支护结构最大侧移控制值为0.18%H,坑外地表最大沉降控制值为0.15%H;重要保护对象与基坑距离范围为H

现行规范标准一部分提出了不同安全等级与围护结构形式的基坑变形的控制值,一部分考虑了周围环境提出各环境等级下的变形控制要求。但是这些规范并未全面考虑区分支护结构的类型与土质条件;同时,一些规范给出的控制值的取值范围较大,对于实际工程应用来说针对性不强,控制标准不明确。

与此同时,基坑变形控制标准也受到许多专家学者的关注,提出了适合当地的基坑变形控制标准。如宋建学等[10]结合区域经验,提出了河南省基坑变形监测的建议项目与预警指标。刘润等[11]基于天津地铁1号线的监测与研究,以支护刚度减小使其水平位移增加作为控制基坑发生失稳破坏的标准,建议将支护结构最大侧移和地表最大沉降为0.4%H和0.28%H作为天津地区深基坑开挖支护结构变形的控制标准。李俊等[12]探讨了某深基坑支护位移、沉降与内力大小及变化规律,建议桩体水平位移最大值的预警值为 1.87%H。张陈蓉等[13]、黄茂松等[14]考虑基坑开挖对周围建筑物和管线的影响,提出了变形控制标准。奚家米等[15]基于“时空效应”理论,对上海市陶家宅深基坑工程的监测数据进行了统计分析,得到围护结构最大侧移平均值为0.15%H,最大侧移深度平均值为0.8H。潘林有等[16]对温州深厚软土地层的明挖深基坑进行了实测分析,得到地连墙水平位移为“鼓胀形”,最大水平位移平均值为0.3%H。董凯等[17]基于北京上清桥站基坑进行了实测分析、数值模拟和概率统计分析,给出了围护结构水平位移监测指示值为0.13%H。张建全等[18]结合实测分析给出了不同地层、不同工法施工的车站地表沉降控制值。赵尘衍等[19]基于常州的轨道交通基坑工程实测,提出了具体的变形控制指标值。

上述研究成果可以对当地的基坑工程施工与监测提供参考,所研究的支护结构多为刚度较大的地连墙,形式单一,且提出控制指标时未区分基坑等级。

无论是现行规范标准还是上述研究所提出的参考标准,这些控制指标均是由工程实测而来[20-21],而这些统计分析的基坑工程案例是在基坑安全、成功完成施工的案例,反映的仅是安全的基坑工程施工过程中基坑变形的最大值,存在一定的冗余,不一定是保证基坑安全、经济成本较低的最优值。其次,以上规范与研究内容多用于建筑基坑、地铁基坑等深基坑的变形控制。广州南沙等软土地区的管廊基坑,一般基坑宽度与深度较小,基坑长度远远大于基坑宽度,是典型的狭长形基坑,常采用钢板桩与内支撑的组合支护形式,支护结构柔性较大。此类基坑的变形规律及其按照基坑安全等级划分的变形控制标准均缺乏研究,使得软土地区管廊基坑在实践中常遇到变形控制设计难度大、造价高,施工中变形极易超标但基坑仍较为安全等诸多问题。

现依托广州南沙某管廊基坑开展有限元数值模拟,分析基坑开挖过程中基坑围护结构水平位移、地表沉降、坑底隆起的变形特征,基于6个不同基坑断面,研究在临界失稳状态与稳定性满足《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)两种条件下,围护结构水平变形、地表沉降、坑底隆起的变形最大值与基坑开挖深度的比值,提出在保证基坑安全施工的情况下,柔性支护结构应控制的水平变形。

1 有限元模型建立

1.1 管廊基坑工程概况

此综合管廊工程项目位于广州市南沙区,基坑采用明挖施工,基坑标准段宽度为14.1 m,基坑深度介于5.29 ～ 7.70 m。基坑采用密扣Ⅳ型拉森钢板桩和钢管支撑的组合支护形式。整个工程项目分为20个断面进行设计,其中9个断面区域基坑安全等级为二级,11个断面区域基坑安全等级为三级。根据周围环境评估,此项目环境等级为二级,允许钢板桩最大水平位移为60 mm。

共选取6个基坑断面进行分析,安全等级二级、三级的基坑各3个,表1为各基坑断面的信息。

表1 基坑断面几何参数

1.2 有限元模型建立

以2-2断面为例建立有限元模型,模型基坑宽度B=14 m,基坑开挖深度H=5.9 m。Ⅳ型拉森钢板桩支护深度为21 m,基坑内设两道Φ580,t=16 mm 钢管支撑,水平间距4 m。

图1 基坑三维有限元计算模型

表2 土体小应变硬化(HSS)本构模型参数

钢板桩按照抗弯刚度等效为厚度0.17 m的板单元,重度为78.5 kN/m3,弹性模量为206 GPa,泊松比0.3,塑性弯矩为488 kN·m。钢支撑采用梁单元模拟。土体与支护结构之间采用界面单元进行模拟,界面强度参数取相邻土体的0.67倍。

基坑工程采取明挖顺作法施工,设置10个计算阶段。

计算阶段1:初始地应力计算,位移清零,施作地连墙(地连墙)。

计算阶段2:开挖第一层土(开挖1)。

计算阶段3:架设第一道支撑(支撑1)。

计算阶段4:开挖第二层土(开挖2)。

计算阶段5:架设第二道支撑(支撑2)。

计算阶段6:开挖第三层土(开挖3)。

计算阶段7:施作底板(底板)。

计算阶段8:拆除第二道支撑(拆撑2)。

计算阶段9:施作顶板(顶板)。

计算阶段10:拆除第一道支撑(拆撑1)。

2 典型断面变形结果分析

对2-2基坑断面的围护结构水平位移、地表沉降、坑底隆起变形进行详细分析。

基坑开挖过程中围护结构水平位移如图2所示,在完成开挖1阶段后,由于进行第一步开挖,基坑内侧土体缺失,并且没有进行第一道支撑的架设,没有支撑作用,故钢板桩顶部向坑内产生位移,最大值位于钢板桩顶部,为0.28 mm,呈“悬臂式”变形特征,如图3所示。

图2 基坑开挖过程围护结构水平位移值

图3 完成开挖1阶段后围护结构水平位移分布图

完成开挖2阶段后,在第一道内支撑的作用下,钢板桩顶部向坑外产生位移,顶部最大值为 0.8 mm;桩身水平位移曲线呈现“内凸形”,最大位移值位于基坑底部,为13.19 mm。直到开挖3阶段结束,钢板桩顶部向坑外产生位移1.39 mm,桩身变形呈“内凸形”,如图4所示,其最大位移为 31.92 mm,所在深度也移至基坑底部以下。后续拆撑过程,由于桩身应力重分布,水平位移值略有减小,可忽略不计。

图4 完成开挖3阶段后围护结构水平位移分布图

由于基坑内侧土体开挖卸荷,坑外土体向基坑内侧发生位移,坑外侧墙后土体发生塑性沉降。如图5所示,完成开挖1阶段,墙后土体位移沉降可忽略不计。继续施工,在内支撑的作用下,地连墙呈内凸变形,墙后土体随之向基坑内侧移动,地表沉降呈现“凹槽形”。当完成开挖2阶段后,地表沉降值达到8.64 mm。完成最后一次开挖(开挖3)后,地表沉降达到22.06 mm。在拆除两道支撑后,地表沉降略有增加,达到整个施工过程中最大沉降值22.26 mm。在整个过程中,坑外沉降最大值位于基坑外一倍开挖深度左右,影响范围4～5倍开挖深度。可见柔性支护下软土地区管廊基坑的变形影响范围较地连墙、灌注桩等刚度相对较大的支护结构影响范围大。

图5 基坑开挖过程墙后地表沉降曲线

基坑开挖过程中,由于坑内卸载,坑底土体会发生回弹。继续开挖,基坑深度增大,在坑外土体向坑内滑移和两侧围护结构的侧向挤压作用下,坑底产生塑性隆起,如图6所示。

图6 开挖到基坑底部时基坑位移矢量图

由图7可以看出,随着基坑开挖的进行,坑底隆起变形呈“中间大两边小”的形态。当开挖1阶段完成时,坑底隆起量为0.67 mm,可忽略不计。当开挖2阶段完成时,坑底隆起量达到13.99 mm。开挖3阶段完成,由于开挖深度增大,坑底隆起量急剧增大,达到最大值54.81 mm。

图7 基坑开挖过程坑底隆起变形曲线

综上所述,开挖过程中此基坑断面围护结构水平位移最大值为31.92 mm,地表沉降最大值为22.26 mm,坑底隆起最大值为54.81 mm。根据规范要求与相关部门评定,基坑环境等级为二级,允许最大水平位移为60 mm,安全系数计算结果为2.1,满足规范要求。

3 基坑变形控制标准研究

研究了深厚软土区钢板桩支护(柔性支护结构)时,基坑在临界状态下钢板桩水平位移、地表沉降与坑底隆起等变形值的大小,并在周边环境许可情况下,提出保证基坑安全施工的情况下,钢板桩这一柔性支护结构在整个开挖过程中应控制的水平变形值。

(1)失稳临界状态下基坑变形。将土体强度折减到安全系数接近于1.0时,分析基坑围护结构的变形、土体沉降、坑底隆起与基坑开挖深度的关系。

(2)满足规范稳定性要求状态下基坑变形。将土体强度折减到安全系数满足相应规范要求时,分析基坑围护结构的变形、土体沉降、坑底隆起与基坑开挖深度的关系。

3.1 临界失稳时基坑变形与控制标准研究

通过寻找基坑失稳的临界点,得到基坑变形与开挖深度的关系,以确定基坑开挖变形控制值。

采用强度折减有限元法计算基坑稳定性,对各层土体强度进行折减,直至基坑失稳不能完成计算,以便得到临界失稳状态下的土体参数和基坑变形。强度折减原理是将实际土体强度参数,黏聚力c和摩擦角tanφ的值同时除以一个折减系数SR,得到一组新的ctrail、φtrail值,如式(1)和式(2)所示,然后将此组强度值作为新的强度参数输入,重新计算,如果基坑仍然稳定,就不断地增加折减系数进行计算,直至基坑发生失稳破坏,此时对应的SR即为基坑安全系数。

(1)

φtrial=arctan(tanφ/SR)

(2)

以典型基坑断面2-2为例,如图8所示,在土体强度进行折减的过程中,围护结构水平位移值在折减系数SR=2.1后急剧增大,即继续增大折减系数SR,基坑失稳,原基坑安全系数FS=2.1。

图8 基坑变形随土体强度折减系数SR变化曲线

理论上应将安全系数FS=1.0时作为基坑的临界状态进行分析。然而,若土体强度折减系数SR=2.1,土体强度折减后基坑的安全系数FS=1.0,基坑极其不稳定,会出现失稳破坏,无法完成全部计算过程。故而将土体强度折减后安全系数FS=1.1的基坑视为临界状态进行分析,得到此时基坑围护结构的变形、土体位移与坑底隆起值等,进一步确定基坑临界状态下的变形控制值。

基坑临界失稳状态下,在基坑施工过程中,2-2断面围护结构水平位移云图如图9所示,最大值为140 mm,位于12.15 m深度处;图10为基坑竖向位移云图,深层土体沉降最大值为106.14 mm,位于基坑外侧9.09 m处,深度2.67 m;而地表沉降最大值为98.01 mm,位于距离坑外11.34 m处;坑底隆起最大位移位于基坑中央位置,为303 mm。

图9 围护结构水平位移云图

图10 基坑竖向位移云图

基坑开挖深度H=5.9 m,地连墙水平位移最大值为2.37%H,深层土体沉降位移最大值为1.8%H,地表沉降位移最大值为1.66%H,坑底隆起位移最大值为5.14%H。

采用同样的方法,对其他基坑断面进行分析,将围护结构水平变形δhmax、地表沉降δsmax、坑底隆起δbmax与基坑深度H的比值汇总于表3。

表3 临界状态各典型基坑断面变形最大值与基坑深度的比值

一般以支护结构水平位移作为控制基坑失稳破坏的标准,建议将围护结构水平变形与基坑深度比值的平均值作为控制值的参考值,则安全等级为二级、三级基坑控制值的参考值分别为2.62%H、3.24%H。

对于地表沉降和坑底隆起变形也可将计算结果平均值作为控制值的参考值。设计安全等级为二级的基坑,地表沉降与坑底隆起控制参考值分别为1.86%H、5.44%H,安全等级为三级的基坑,地表沉降与坑底隆起控制参考值分别为2.29%H、6.85%H。

作为环境等级为二级的基坑,将以上计算结果平均,建议将2.93%H作为围护结构水平位移控制标准的参考值。地表沉降与坑底隆起的变形控制参考值为2.07%H、6.14%H。

3.2 稳定性满足规范要求时基坑变形与控制标准研究

分析基坑稳定性满足规范要求时,围护结构水平位移、地表沉降、坑底隆起与基坑深度的关系,以此确定基坑设计和施工的变形控制参考值。按照相关规范,安全等级为二级和三级的基坑需分别满足安全系数大于等于1.9和1.7。

按照设计等级,2-2断面为三级基坑,按规范需满足安全系数1.7。在开挖到基坑底部时,其围护结构水平位移55.41 mm,位于9.65 m深度处;地表沉降为38.41 mm,位于距离坑外8.16 m处;坑底隆起位移为104.1 mm;深层土体沉降为 40.85 mm,位于基坑外侧6.45 m处,深度2.76 m。

基坑开挖深度H=5.9 m,地连墙水平位移最大值为0.94%H,地表沉降位移最大值为0.65%H,坑底隆起位移最大值占为1.76%H,深层土体沉降位移最大值为0.69%H。

采用同样的方法,对其他基坑断面进行分析,将围护结构水平变形、地表沉降、坑底隆起与基坑深度的比值汇总于表4。

表4 稳定性满足规范要求时各典型基坑断面变形最大值与基坑深度的比值

一般以支护结构水平位移作为控制基坑失稳破坏的标准,建议将围护结构水平变形与基坑深度比值的平均值作为控制值的参考值,则二级、三级基坑控制值的参考值分别为0.8%H、0.93%H。

对于地表沉降和坑底隆起变形也可将计算结果平均值作为控制值的参考值。安全等级为二级的基坑,地表沉降与坑底隆起控制参考值分别为0.52%H、1.41%H,安全等级为三级的基坑,地表沉降与坑底隆起控制参考值分别为 0.62%H、1.67%H。

作为环境等级为二级的基坑,将以上计算结果平均,建议可将0.86%H作为支护结构水平位移控制标准的参考值。地表沉降与坑底隆起的变形控制参考值为0.57%H、1.54%H。

4 结论

依托实际工程,对广州南沙软土区管廊基坑的典型断面进行有限元数值模拟,总结分析了基坑开挖过程中围护结构水平位移、地表沉降、坑底隆起等变形。在此基础上,基于6个不同基坑断面,研究了临界失稳状态与稳定性满足规范两种条件下,围护结构变形最大值与基坑开挖深度的比值,以期为软土区柔性支护管廊基坑设计与施工变形控制提供参考。主要结论如下。

(1)软土区柔性支护管廊基坑开挖过程中,围护结构桩身变形由“悬臂式”变为“内凸形”;坑外地表沉降成凹槽形,沉降最大值位于基坑外一倍开挖深度左右,影响范围4～5倍开挖深度,大于传统的刚度较大的支护结构;由于基坑较窄,坑底隆起变形呈“中间大两边小”的形态。

(2)基坑临界失稳状态下,建议将围护结构水平变形与基坑深度比值的平均值作为控制值的参考值。设计安全等级为二级和三级的基坑围护结构水平变形的控制参考值分别为 2.62%H和3.24%H。

(3)基坑稳定性满足规范要求时,建议将围护结构水平变形与基坑深度比值的平均值作为控制值的参考值。设计安全等级为二级和三级的基坑围护结构水平变形的控制参考值分别为0.8%H和0.93%H。