钢板桩支护基坑周围海相软土变形特征分析★

谭 贵

(中山翠亨新区工程项目建设事务中心,广东 中山 528437)

0 引言

随着国家的高速发展,基础建设推进得十分迅速,与日俱增的工程建筑给空间利用带来了巨大的挑战。为充分利用地下空间,综合管廊在国内逐步得到推广与建设。地下综合管廊的工程建设难度与地层地质条件息息相关。在沿海地区,海相软土地层分布广泛,由于工程性质较差,海相软土是地基处理过程中需要重点处理和研究的对象。

软土地基目前存在许多处理方式,海相软土地层在综合管廊基坑工程开展作用下的变形特征分析对相关控制技术的研究具有指导作用,对综合管廊在软土地区的建设发展具有重要意义。

近年来,学者们针对软土区基坑建设展开了不少研究。郑刚[1]分析了基坑施工全过程各阶段的变形特征、机理以及对环境的影响,将基坑变形及其对环境影响的控制划分为“基于基坑支护体系的变形控制”和“基于邻近基坑保护对象的变形控制”两类方法;黄剑等[2]在工程设计和施工中,采取有效措施解决了深厚淤泥场地中长线形地下工程的沉降控制问题,验证了结构和基础方案的合理性。宋许根[3]通过对广州南沙某基坑进行理论计算和数值模拟,结合对监测资料的详细分析,探讨了广州南沙某深厚软土区综合管廊基坑破坏发生的成因和变形特征;陈永华[4]基于工程实例,建立了三维有限元模型,对施工过程中各施工步的基坑沉降与支护结构的内力进行了分析,为海相软土地层综合管廊在钢板桩支护体系下施工提供了参考。吴晨[5]通过有限元数值分析软件Midas GTS对跨泗河城市综合管廊深基坑工程进行建模,并分别对该城市综合管廊深基坑支护结构、周边土体的应力场和位移场进行分析,对深基坑的稳定性进行验证;张海松等[6]采用FLAC3D软件模拟深基坑开挖支护结构数值,结合该地铁施工区域的实际土质情况,完成深基坑开挖支护结构的数值模拟分析,为实际施工工况提供指导参考;姚丙生[7]采用MIDAS数值软件进行深基坑开挖支护数值模拟,结合地表监测数据与数值模拟结果进行了对比分析,得到了深基坑开挖地表范围内地层的沉降变形特征。

目前,在综合管廊深基坑建设工程中钢板桩支护得到了广泛的应用。但在钢板桩支护体系下海相软土地层变形的作用机理、变形特征、理论计算分析仍缺乏系统性的研究。本文结合中山马鞍岛地下综合管廊工程,采用Midas GTS NX数值模拟软件对钢板桩支护体系下海相软土地区综合管廊基坑建设各施工步进行模拟计算。对钢板桩支护体系下海相软土地层变形特征进行分析,为相关工程提供经验参考。

1 海相软土地层综合管廊工程概况

1.1 工程概况

本文所依托中山市马鞍岛地下综合管廊工程位于科学城片区,属市政路网建设工程。该项目处于富含淤泥土的浅海湾地区,位于珠江口西部。

分析段取建设线路中宁静路段,该段地下综合管廊总长1.403 2 km,地下综合管廊尺寸为5.4 m×3.3 m。

地下综合管廊采取18SP-IV钢板桩进行支护,在其间施加两道钢管作为内支撑,钢管尺寸为:直径609.0 mm,厚度14.0 mm。三脚架连接腰梁,施作于基坑底部位置作为钢板桩支护体系,以此加固内支撑钢管的稳定。分析段地下综合管廊基坑普遍开挖至7.0 m左右,基坑宽度为5.4 m～5.8 m。本文基于实际情况对基坑结构进行了部分简化,基坑具体布设如图1所示。

1.2 地质概况

涉及工程中地层主要包含素填土、淤泥土和粉质黏土以及相关复合地层,各地层和基坑结构布设对应位置如图1所示。

各地层描述如下:

素填土:由碎石、黏土组成,包含少量块石,粒径分布为0.45 cm～0.55 cm。淤泥质土层厚2.36 m～33.56 m不等,易压缩,含水率高,呈流塑状态。碎石块主要由混凝土土块、花岗岩块等组成,棱状,厚度1.56 m～15.89 m。

淤泥土:呈黑色、灰黑色,工程性质差,高压缩性,含有生物碎屑,厚度1.23 m～33.12 m。

粉质黏土:呈褐黄色,含水较高,饱和,主要包含长石、石英等矿物,厚度0.53 m～15.55 m。

全风化花岗岩:呈白色略带灰色,岩石风化程度较高,矿物结构发生破坏,组成矿物中云母几乎完全风化,主要包含长石、石英等矿物,工程性质一般,极易发生破碎,厚度0.56 m～8.23 m。

2 理论计算与分析模型

2.1 Peck经验公式

Peck分析了大量的实测地表沉降数据后提出地表沉降槽符合正态分布曲线,目前地层沉降预测主要采用Peck法进行预测,Peck法计算公式见式(1)—式(3):

(1)

(2)

(3)

其中,s(x)为地表沉降量,m;σmax为地表沉降最大值,m;V为单位长度地层损失值,m3/m;i为地表沉降槽的宽度系数值,m。

2.2 GTS NX模型概况

文中采用Midas GTS NX有限元分析软件对地下综合管廊基坑开挖施工进行数值计算。

2.2.1 模型概况

建模过程中考虑到整体实际工程路线较长,故根据实际施工分段截取一段进行数值建模分析,分段两侧支护采取整体综合管廊首尾的支护方法进行模型构建。对实际地层情况进行简化,各地层厚度及物理力学参数如表1所示。

表1 岩土参数取值

如图2所示,模型尺寸为150 m×65 m×20 m。对模型四周水平方向采用单向位移约束,模型底部采用水平、竖向以及旋转约束。模型采用的是摩尔库仑模型,基坑尺寸为50.0 m×5.60 m,在基坑-0.60 m,-4.10 m分别设置一道钢管支撑,支护结构的参数取值如表2所示。

表2 支护结构基本属性

2.2.2 施工步骤

根据实际施工工况,该地下综合管廊的具体施工步骤设计如表3所示。

表3 施工步骤设计

3 结果分析

3.1 模型沉降计算

该节主要针对两次基坑开挖后软土地层变形特征进行分析,第一次内支撑施作、基坑开挖施工后周边地层TX水平横向变形如图3(a)所示,周边地层TY水平横向变形如图3(b)所示,竖向变形见图3(c);第二次内支撑施作、基坑开挖施工后周边地层TX水平横向变形如图4(a)所示,周边地层TY水平横向变形如图4(b)所示,竖向变形见图4(c)。

由图3,图4可知,在第一次基坑开挖完成后,基坑四周土体最大水平变形位移为3.387 mm,出现在地表,基坑四周土体,竖向最大沉降值为5.054 mm。坑口两侧土体呈现出向坑内位移的趋势,随着距离坑口越远,沉降值越小,坑底存在卸荷隆起效应。第二次基坑开挖完成后,基坑最大水平位移变形值增加至4.593 mm,周边地层竖向最大位移值增加至9.923 mm。

3.2 数值结果分析

图5展示了在不同施工步下基坑周边地层水平位移随着距基坑远近的变化趋势数值计算结果和地层水平位移实际测量值之间的拟合关系。从图5中可以看出,在各个施工步下,随着土层与基坑间的距离逐步增加,地层水平位移发生了显著减小,水平位移减小速率与土层距坑口的距离成反比关系,随着距离的增加,减小速率逐渐减小,最后趋于平缓。在基坑前后两次开挖过程中,实际测量得到第一次基坑开挖引起最大水平位移变形值为3.153 mm,第二次基坑开挖完成后最大水平位移达到4.258 mm,最大水平位移相对增加了1.105 mm,数值计算结果表明:第一次基坑开挖引起最大水平位移变形值为3.387 mm,第二次基坑开挖完成后最大水平位移达到4.593 mm,最大水平位移相对增加了1.206 mm,数值计算结果和实际测量值拟合良好,说明钢板桩支护体系很大程度上限制了海相软土的地层变形,工程安全性良好。

图6描绘了不同施工步下基坑周边地层竖向变形随着距基坑距离远近的变化趋势数值计算结果和地层竖向位移实际测量值之间的拟合关系。可以得到,随着地层距基坑距离的逐渐增加,其沉降量逐渐减小,在前后两次基坑开挖施工中,地层沉降量最大值由4.513 mm增加至9.113 mm,数值计算结果显示地层沉降量由5.054 mm增加至9.923 mm,数值计算结果和实际测量值拟合较好。相对于地层的水平位移值变化更明显,变形满足控制要求。

从图7可以看出,基坑开挖至-4.10 m时,基坑周边地层沉降量和坑口距离呈正态分布曲线关系,根据Peck经验公式计算出最大沉降量出现在坑口附近,值为4.503 mm,随着距离坑口越远,地层沉降量越小,距离坑口15 m处地层沉降量接近为零,Midas GTS NX数值模拟结果得到了和Peck法相类似的结果,其最大沉降量为5.054 mm,沉降量随距离坑口变化趋势和Peck法几乎一致。

与此类似的,如图8所示,当基坑开挖完成时,基坑周边地层沉降量和坑口距离呈正态分布曲线关系,根据Peck经验公式计算出最大沉降量为9.056 mm,数值模拟结果为9.923 mm。数值结果和Peck法拟合较好。

4 结论

本文结合中山马鞍岛地下综合管廊工程,采用Midas GTS NX数值模拟软件对钢板桩支护体系下海相软土地区综合管廊基坑建设各施工步进行模拟计算,对钢板桩支护体系下海相软土地层变形特征进行了分析,得出以下结论:

1)在海相软土地区地下综合管廊基坑工程中采用了钢板桩支护体系,通过数值计算,得到每个施工步完成后,地层最大变形值均小于10.0 mm,满足规范设计要求,安全性良好,说明了钢板桩支护体系在该工程中起到了重要作用。

2)分析了不同施工步下基坑周边地层水平和竖向位移随其距基坑距离的变化趋势,在基坑前后两次开挖过程中,第一次基坑开挖引起最大水平位移变形值3.153 mm,第二次基坑开挖完成后最大水平位移达到4.258 mm,最大水平位移相对增加了1.105 mm,在前后两次基坑开挖施工中,地层沉降量最大值由4.513 mm增加至9.113 m,相对于地层的水平位移值变化更明显,说明钢板桩支护体系很大程度上限制了海相软土地层的水平变形,工程安全性良好。

3)通过Midas GTS NX数值软件计算得到基坑先后两次开挖工况下地层水平位移和竖向位移,将计算结果和实际测量结果进行了对比,计算结果和实测结果拟合较好,证明了数值计算结果的可靠性。

4)基坑先后两次开挖后,通过将Midas GTS NX软件模拟的数值结果与Peck法所得结果进行拟合对比,计算结果拟合度高,得到了基坑周边地层沉降量和坑口距离之间的正态分布关系曲线,为相关工程提供了可靠经验。