軟土地區某階梯式深基坑變形監測與數值模擬

李 程, 賈戰磊, 徐成皓

(1.江蘇省巖土工程勘察設計研究院,江蘇 鎮江 212021; 2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,江蘇 鎮江 212003)

地下空間的開發利用是拓展城市空間、解決城市土地資源緊張的最有效途徑[1]。隨著城市地下空間開發的不斷深入,深基坑工程設計時難免面臨復雜的地域條件、不良的地質條件和不規則的地下結構等難題[2]。尤其是沿海城市,其地質條件較差,地下水豐富,軟土層深厚,若基坑支護結構設計不合理,在開挖施工及運營期間,極易發生支護結構破壞、基坑坍塌和地表沉降等災害,給基坑施工質量和安全帶來了隱患[3-6]。因此對深基坑開挖施工中的變形規律進行研究具有重要意義。

目前,針對軟土地區深基坑支護,主要通過現場監測數據分析、數值模擬以及二者結合的方法進行研究。王衛東等[7]對上海國際金融中心重大項目基坑工程的監測數據進行分析,研究了順逆作法交叉施工下基坑的變形特性。顧禎雪等[8]通過對深基坑現場監測數據進行分析,研究了地連墻的變形規律。劉杰等[9]以天津市某深基坑工程實例為研究對象,通過FLAC3D分析了樁錨混合圍護結構的變形規律。趙凌云等[10]以某沿海深基坑為例,介紹了分級卸荷、重力擋墻和樁錨組合的開敞式基坑支護型式,并結合數值模擬和現場監測數據,研究了組合圍護結構水平位移和錨桿力的變化規律。吳瑞拓等[11]基于HSS模型,結合數值模擬和現場監測數據,探討了地下連續墻的側移和坑外地表沉降的空間效應。于至海等[12]依托軟土區深基坑工程,通過FLAC3D研究了被動區超前加固的變形控制效果。郁志偉等[13]以上海某深基坑為背景,通過數值模擬探討了不同規格的地下連續墻變形特征。陳曉鵬等[14]通過對比數值模擬結果和現場監測結果,分析了紹興市地鐵一號線深基坑支護結構體系的位移變化。

以上是諸多學者對常規深基坑的變形規律研究,但對于階梯式深基坑的變形特性少有研究。因此,以鎮江市某基坑工程為例,通過分析現場監測數據得到支護結構的變形規律,并將監測結果與Midas GTS數值模擬結果進行對比分析。

1 工程概況

1.1 場地概況

基坑位于鎮江丹陽市新民路南側,擬建項目由5幢9、10層住宅樓、2幢6層住宅樓和3幢3、4層商業樓組成,下設1座2層大底盤地下室。建筑總用地面積約22 677 m2,地上建筑面積約45 355 m2,地下建筑面積34 531 m2,總建筑面積79 886 m2,底板設計底標高-2.2 m。

1.2 工程地質及水文條件

場地位于丹陽市城區內,場地地貌為太湖水網平原區,地貌單元為水網平原。場地現為露天停車場。地面高程6.16～8.33 m,相對高差約2.0 m,地形較平坦。場地從上至下巖土層依次為:①層素填土、②層粉土、③層淤泥質粉質黏土夾粉土、④層淤泥質粉質黏土、⑤層粉質黏土、⑥層粉質黏土夾粉土和⑥-1層粉質黏土。

勘察期間,測得孔隙潛水初見水位埋深0.91～2.25 m,穩定水位埋深0.82～2.15 m。水位為5.90～6.18 m。水位受季節性變化及附近河水位影響較大,年變化幅度一般在1.2 m左右。場地內3～5 a及歷史最高地下水位可按整平后室外地坪下埋深0.5 m考慮。

1.3 工程特點

開挖深度范圍內①層填土松軟、透水,②層粉土及③層淤泥質粉質黏土夾粉土開挖后易滲水,引起坑壁坍塌,并且③層淤泥質粉質黏土夾粉土和④層淤泥質粉質黏土為軟土,流塑狀態,強度低、壓縮性高,抗剪強度低,具觸變性,滲透性較小,中靈敏性,基坑開挖后易發生局部崩塌或整體滑移破壞等不良地質現象。另一方面,地下室形狀不規則,在2層地下室的南側存在逆錯層,基坑開挖時會形成階梯式深基坑,基坑開挖深度為6.2～10.0 m。因此,在進行基坑開挖時應采取相應的支護措施,確?；邮┕ぐ踩?。

2 支護結構設計及監測

2.1 支護結構方案

施工場地工程地質條件特殊,填土層和淤泥質土層天然狀態強度較低,基坑開挖后容易在該層發生坍塌?；又苓吘鶠槔吓f居民樓,距離基坑較近,基坑開挖對其穩定性有較大影響,故圍護結構需要嚴格控制變形。結合地質條件和周邊環境情況,本著安全、經濟的原則,基坑的圍護結構整體采用控制變形較好的鉆孔灌注樁支護,灌注樁直徑為900 mm,基坑內部設置2道700 mm×700 mm的鋼筋混凝土支撐,圍護樁外部設置三軸深層攪拌樁止水帷幕。支護體系具體如下:基坑北側、東側及西側范圍,上部放坡處理,下部采用直徑為900 mm的鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐;基坑南側為逆錯層,采用階梯式支護,即階梯上部采用鉆孔灌注樁支護,下部采用水泥土墻+復合土釘墻,形成組合支護結構,如圖1所示。

2.2 監測方案

為了確?；庸こ?、周邊建筑物及地下管線的正常運行,對基坑支護結構、建筑物及管線進行監測。監測內容包括支護樁的深層水平位移、支護樁頂水平位移與豎向位移、支撐軸力等項目,具體監測點布置如圖2所示。監測項目的控制要求為:支護樁的水平位移報警值為35 mm,水平位移變化速率≥2 mm/d時報警,支護樁豎向位移報警值為15 mm,豎向位移變化速率≥2 mm/d時報警;建筑物位移報警值為20 mm,變化速率≥2 mm/d,整體傾斜度累計值達到2/1 000時報警;基坑深層水平位移絕對累計值為45 mm,變化速率≥2 mm/d時報警。

圖2 基坑監測點布置平面圖

圖3 支護樁頂水平位移隨施工時間的變化關系

2.3 現場監測結果分析

2.3.1 支護樁頂水平位移分析

隨著基坑內部土方的逐步開挖,坑內土壓力逐漸減小,在支護樁后的土壓力作用下,支護樁發生側向位移,其值的變化可直接反映基坑的變形情況,因此,支護樁頂的水平位移是指導基坑工程施工以及衡量基坑支護結構是否安全的關鍵指標。選取典型監測點進行統計分析,選取監測點為ZQC2、ZQC8、ZQC13、ZQC16、ZQC21、ZQC25、ZQC31和ZQC34的實測結果進行統計,分析支護樁頂水平位移隨施工時間的變化趨勢,如圖3所示。

由圖3可知,不同支護樁頂的水平位移變化趨勢基本一致,都是先增大,最終趨于平穩,從土方開挖到基坑回填整個過程中支護樁頂的累計水平位移值為33.4 mm,滿足監測要求。在前期支護樁頂的水平位移變化較小,這是由于土方開挖深度較淺,作用在樁外側的土壓力較小。隨著開挖深度逐漸增加,作用在樁體的土壓力急劇增大,樁體產生較大位移,變形速率也明顯增加。然而,在第2道鋼筋混凝土內支撐施工之后,與第1道鋼筋混凝土內支撐以及支護樁形成穩定的框架結構,水平位移得到了有效控制,隨著開挖深度增加,其變化速率逐漸減小。同時,可以觀察到施工時間超過120 d時,支護樁頂水平位移顯著增大,這是因為拆除第1道鋼筋混凝土內支撐之后,支護樁受到的支撐作用削弱。

另外,通過觀察圖3可以發現,監測點ZQC21、ZQC25、ZQC31的水平位移值明顯小于其他監測點的數值,這是由于基坑南側采用了階梯式支護,階梯下部的水泥土墻和復合土釘墻加固了支護樁內側被動區,削弱了支護樁內側的坑底隆起。并且,可以發現點ZQC16的變形明顯小于點ZQC13,說明同一支護結構條件下基坑長邊的變形大于短邊的變形,即具有長邊效應。

圖4 支護樁頂豎向位移隨施工時間的變化關系

2.3.2 支護樁頂豎向位移分析

支護樁作為深基坑的圍護結構,其沉降關系著深基坑的安全,沉降過大時會直接破壞結構的整體性,引發基坑失穩安全事故,因此,支護樁的沉降監測是重點。根據實測數據繪制支護樁頂沉降隨施工時間變化的關系曲線,如圖4所示。

由圖4可以看出,支護樁頂豎向位移隨著施工時間的增加而增大,最終趨于平穩。支護樁頂部不同位置的豎向位移隨著基坑開挖深度增大而增大。對比南北兩側不同部位的豎向位移可知,北側支護樁的頂部豎向位移明顯小于南側的位移值,主要原因在于南側基坑階梯下部采用水泥土墻聯合土釘支護形式。此外,可以發現曲線的增長趨勢為非線性,曲線局部的斜率減小,即沉降速率減小,這是因為在內支撐施工之后,立柱樁與內支撐形成整體,且立柱樁嵌入土體深度較大,其側壁摩阻力減小支護樁的豎向位移。

2.3.3 深層土體水平位移分析

基坑的開挖會導致基坑周圍深層土體發生水平位移,位移過大會導致支護樁破壞引發事故。深層土體水平位移可以直接反映樁身的水平位移情況,因此,對深層土體水平位移進行監測是十分必要的。

圖5為基坑回填時不同監測點深層土體發生的水平位移,觀察圖5發現:①不同位置監測點的深層土體水平位移均呈現沿深度方向先增大后減小,整體表現為兩端位移小、中間大的“弓形”變形模式;②深層土體水平位移值最大為44.9 mm,位于基坑的北側中部深度為6 m的位置,即臨近第2層地下室坑底的位置;③由于南側坑內設置了水泥土墻和土釘,其水平位移明顯小于北側,最大水平位移位于基坑的南側中部深度為3.5 m的位置,即臨近第1層地下室坑底的位置。

為了進一步分析不同工況下深層土體水平位移,選取位于基坑北側中部的SWC2號監測點進行分析。由圖6可以看出,基坑開挖較淺時,由于未設置內支撐,支護樁為懸臂狀態,此時深層土體水平位移較小。隨著基坑繼續開挖,深層土體水平位移逐漸增大,曲線的趨勢更加明顯。

圖5 基坑回填時不同監測點深層土體的水平位移

圖6 不同施工階段下深層土體水平位移與深度的關系曲線

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

本模型采用Midas GTS NX來模擬,得到不同施工階段支護樁的變形特性。根據圣維南原理,基坑開挖邊線外地層的平面尺寸及其深度取開挖深度的5倍,模型平面尺寸為348 m×173 m,地層深度取40 m, 基坑的三維幾何模型如圖7所示。模型主要包括地層、排樁支護結構、土釘、內支撐以及立柱樁。地層采用修正摩爾-庫倫本構,內支撐、排樁、立柱樁、水泥土墻和土釘等支護結構采用彈性本構。建立支護結構模型時將排樁等效為地下連續墻。假設地層均勻分布,周邊道路荷載取12 kN/m3,周邊建筑荷載取每層15 kN/m3。模型的邊界采用自動約束,并對立柱設置旋轉約束。

圖7 有限元模型

3.2 模型參數選擇

根據現場勘察資料選取巖土參數,基坑支護結構參數根據實際工況選取經驗值(見表1)?；又ёo結構的具體屬性與尺寸見表2。

表1 土層及材料參數

表2 基坑支護結構屬性

3.3 施工階段組設置

為了與現場實際工況一致,在模型計算時進行了相同工況的劃分,首先進行初始應力分析,消除模型自重對開挖過程的影響,然后進行基坑支護施工和土方開挖。由于支護結構主要為鉆孔灌注樁和重力式水泥土墻,其施工對周邊環境影響較小,故模擬工況設置時也需要進行位移清零?；邮┕つM采用施工階段進行模擬,施工階段組結合施工工藝關鍵節點進行設置,土方分7次開挖。

3.4 數值計算結果對比分析

采用Midas GTS NX 進行計算,獲得基坑支護結構在土方開挖完成時的水平變形結果,如圖8所示。圖8(a)為X方向支護樁的水平位移,通過觀察發現支護樁均向坑內方向發生側移,X方向水平位移最大為34.7 mm。由圖8(b)可知,支護樁的最大水平位移為44.87 mm,側移方向為坑內。同時,可以發現支護樁樁身水平位移主要集中在樁身中上的部位,呈現出中間大、兩端小的“弓形”變形特點。

圖8 支護樁水平位移

圖9 支護樁頂水平位移模擬值與監測值對比曲線

3.4.1 支護樁頂水平位移對比分析

為了進一步分析支護結構的變形特點,在模型計算結束后選取實際監測點相同位置的支護樁頂水平位移計算結果與實測值進行對比分析,如圖9所示。

由圖9可知,模擬結果與監測值不完全一致,這是因為在數值模擬建模時簡化了土層,而實際土層分布不均勻;其次,模型的邊界條件和受力條件比較理想, 沒有考慮施工時場地內的臨時堆載和活荷載。此外,可以發現模擬結果曲線的變化趨勢與監測數據曲線基本一致,支護樁的位移隨著施工時間的增加逐漸增大,最終趨于穩定。在拆除第1道內支撐之前,各工況模擬結果基本小于監測值。 然而,在第2道內支撐拆除時,模擬結果大于監測值,這是由于實際工程中,內支撐拆除時會進行換撐,而在數值模擬時沒有考慮換撐。雖然第2道拆除時數值模擬結果較大,但未超過預警值,基坑支護結構處于安全狀態。

圖10 支護樁頂豎向位移模擬值與監測值對比曲線

3.4.2 支護樁頂豎向位移對比分析

在模型計算結束后選取實際監測點相同位置的支護樁頂沉降計算結果與實測值進行對比分析,如圖10所示。

通過觀察圖10發現,支護樁頂豎向位移的模擬結果與監測值的增長趨勢基本一致。實際工程中,基坑開挖之前需要進行降排水處理,土層失去自由水,孔隙水壓力消散,在土體自重作用下發生沉降,而數值模型計算時假設降排水已完成,故其模擬結果均小于監測值。但兩者的最大值僅為12.01 mm,小于預警值15 mm,表明基坑支護結構的穩定性較好。

4 結論

依托鎮江軟土地區某階梯式深基坑工程,對基坑施工過程中支護樁的位移進行了全面分析,通過有限元模型對典型剖面的監測結果與數值模擬計算結果進行分析,主要得到以下結論:

(1)在階梯式基坑開挖過程中,基坑中部支護樁的位移最大,樁頂實測位移最大值達到33.4 mm,樁身最大水平位移為44.9 mm,均小于監測報警值。其變形規律與數值模擬結果基本一致,驗證了數值模擬的準確性。

(2)通過實測數據和數值模擬結果對比,發現支護樁水平位移沿樁身呈“弓形”分布。隨著基坑開挖深度增加,支護樁的水平位移不斷增大,樁身最大位移的位置向下部移動,均位于開挖面附近。

(3)基坑南側支護樁的水平位移明顯大于北側支護樁的水平位移,表明采用階梯式支護可以有效地控制支護樁和周圍土體的變形。