圓礫地層深基坑坑角效應對鄰近建筑物變形的影響*

魏建發 周 穎 田發派 馬少坤,3,4 黃 震

(1.中國中鐵一局集團有限公司第三工程分公司,721003,寶雞; 2.廣西大學土木建筑工程學院,530004,南寧;3.廣西大學工程防災與結構安全教育部重點實驗室,530004,南寧; 4.廣西防災減災與工程安全重點實驗室,530004,南寧)

在基坑坑角效應影響下,坑角處的圍護結構變形差異顯著,建筑物沿基坑各方向會產生不同的沉降值,坑角效應對圓礫地層的影響尤為顯著,極易造成建筑物破壞。因此,研究圓礫地層的坑角效應對鄰近建筑物變形的影響具有一定的工程意義。

基坑坑角效應表現為:在鄰近基坑坑角處,基坑的變形很小,但隨著基坑距坑角距離的增大,基坑的變形逐漸增加。文獻[1]研究了上軟下硬地層中,基坑的空間效應。文獻[2]結合18個砂卵石地層的地鐵車站實測數據,獲得了基坑的整體變形模式,并根據基坑長度定量劃分坑角效應影響區域和平面應變區域。文獻[3]的研究結果表明,鄰近坑角附近的建筑物在沿基坑和垂直于基坑方向均會發生不均勻沉降,呈現出三維沉降形態。文獻[4]結合現場實測數據,以建筑物沉降、傾斜、扭轉和不均勻沉降作為建筑物變形評價指標,分析鄰近坑角的建筑物變形評價指標在基坑開挖過程中的變化規律。文獻[5]分析了距坑角、坑邊不同距離處建筑物的墻體沉降、相對撓度和拉應變的變化情況?？咏切獙τ诮ㄖ锏挠绊懯怯幸欢ǚ秶?現有研究均未考慮在坑角效應影響范圍內,建筑物的變形特征差異性。

圓礫地層的工程特性介于巖石與土之間,但針對圓礫地層的基坑坑角效應鮮有研究?；诖?本文以南寧軌道交通5號線廣西大學站的車站深基坑為例,分析地下連續墻(以下簡稱“地連墻”)的實測數據,以獲得圓礫地層坑角效應的影響范圍。在此基礎上,建立基坑三維有限元數值模型,分析在不同地連墻水平位移作用下,距坑角及坑邊不同距離的建筑物變形特征。

1 工程案例分析

1.1 工程概況

南寧軌道交通5號線廣西大學站為地下三層島式車站,車站主體結構總長156 m,標準段寬為22.6 m,基坑深度為25.5～28.5 m?；又苓吔ㄖ锩芗?其中星光老年服務中心位于基坑南右側坑角附近,為6層獨立基礎框架結構,建筑物尺寸為19.1 m(長)×16.4 m(寬)×18.0 m(高),層高3 m,距基坑約為13.5 m。

1.2 支護結構設計與監測

廣西大學站車站基坑的支護結構采用厚為1 000 mm的地連墻加內支撐支護方式,地連墻深度為33.4 m。第1道混凝土支撐尺寸為800 mm×900 mm,第3道混凝土支撐尺寸為900 mm×1 000 mm,第2道和第4道為φ609 mm,壁厚為16 mm的鋼支撐。4道支撐的中心標高分別為-1.50 m、-7.45 m、-15.35 m和-21.35 m?；又ёo結構剖面示意圖如圖1所示?；又苓叚h境復雜,根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》,基坑及周邊建筑物的監測點布置示意圖如圖2所示。

圖1 基坑支護結構剖面示意圖

注:D為地面沉降監測點;ZQT為地連墻水平位移監測點。

1.3 監測數據分析

以南邊右側和北邊右側基坑坑角為原點,距坑角不同距離的地連墻水平位移如圖3所示。由于坑角效應的存在,距基坑坑角附近的地連墻水平位移均較小,地連墻最小水平位移值位于坑角測點ZQT2和ZQT26處,其最小值分別為3.29 mm和3.82 mm。隨著地連墻距坑角距離的增大,地連墻水平位移逐漸增大,呈現出典型的內凸式變形模式,地連墻最大水平位移出現在基坑中部測點ZQT7和ZQT21處,地連墻最大水平位移值分別為18.44 mm和13.31 mm。相較于坑角附近,基坑中部的地連墻最大水平位移增量分別為82.2%和71.3%。當地連墻距坑角距離繼續增大時,因受到左邊坑角效應的約束,地連墻水平位移逐漸減小。

坑角效應影響范圍示意圖如圖4所示,其中:α為圖4所示截面的最大位移/基坑中所有截面位移中的最大值;β為地連墻與坑角距離/基坑深度。隨著地連墻逐漸遠離基坑坑角,α不斷遞增,基坑南側與北側曲線變化速率存在一定的差異性,但均在與坑角距離2.8H(H為基坑開挖深度)位置處出現轉折點。之后地連墻最大水平位移逐漸遞減。該基坑的坑角效應影響范圍為2.8H,與文獻[6]的研究結果,坑角效應的影響范圍約為基坑開挖深度的3倍較為接近,說明該基坑圓礫地層具有顯著的坑角效應,且坑角影響范圍約為2.8H。

圖4 坑角效應影響范圍示意圖

綜上可知,由于坑角效應的存在,不同位置處的地連墻水平位移存在較大的差異,基坑南側中部的地連墻最大水平位移比基坑坑角處的最大水平位移多82.2%。

2 數值模擬分析

2.1 土體本構模型

巖土工程中的土體受到擾動時,大部分區域的土體存在明顯的小應變行為?；庸こ痰膽兞考墳?.01%～1.00%,屬于小應變范圍。土體的HSS(小應變硬化本構)模型能較好地反映土體小應變的非線性、應力相關等特性,因此本文選取的本構模型為HSS模型。

土體力學參數如表1所示,其中:γ0.7為剪切模量衰減到初始剪切模量70%所對應的剪應變;E50為三軸固結排水剪切試驗測定的割線模量;Eur為三軸固結排水剪切試驗測定的加載卸載模量;Eoed為標準固結試驗測定的參考應力下的切線模量。

表1 土體力學參數

2.2 數值模型

以南寧軌道交通5號線廣西大學站深基坑工程為例,采用Plaxis軟件建立三維有限元計算模型。為了提高計算效率,沿基坑長度方向中軸線取1/2對稱部分進行有限元建模分析?；娱_挖對周邊環境的影響范圍為0～4H,考慮到邊界效應的影響,有限元模型尺寸為264 m(長)×200 m(寬)×60 m(高)?；炷羶戎尾捎昧簡卧M行模擬,鋼支撐采用點對點錨桿單元模擬,地連墻采用板單元進行模擬,墻體與土之間的接觸關系采用界面單元進行模擬。星光老年服務中心為獨立基礎框架結構,基礎埋深為1.7 m,層高3.0 m,采用梁板單元結構進行模擬。三維數值模型進行底部約束固定,其他4個側面設置法向約束條件,僅讓模型發生豎向位移。三維有限元計算模型如圖5所示。

圖5 三維有限元計算模型

2.3 模擬方案

考慮到實際的坑角影響范圍可能稍大于理論值,本文取圓礫地層基坑坑角效應的影響范圍為3H,通過調節支撐剛度使在距坑角距離為3H處的地連墻最大水平位移分別達到15 mm(未預警)、30 mm(一級基坑預警值)、45 mm(二級基坑預警值),研究距坑角及坑邊不同距離下的建筑物變形規律。具體模型參數設置為:建筑物距坑角距離L=0.25H,0.50H,1.00H,1.50H,2.00H,3.00H;建筑物距坑邊距離D=0.25H,0.50H,0.75H,1.00H,1.50H,2.00H;距坑角3H處地連墻最大水平位移δhm=15 mm,30 mm,45 mm。通過設置模型參數,共建立有限元計算模型108個。

2.4 模型驗證

選取測點ZQT5、ZQT3、ZQT21的地連墻水平位移實測值和模擬值進行對比,如圖6所示。由于基坑頂部溫度和施工荷載的影響,以及現場施工條件的復雜性,ZQT5、ZQT3、ZQT21處墻頂部的地連墻水平位移實測值和模擬值之間存在一定的差異。3個測點地連墻最大水平位移的模擬值和實測值分別為15.75 mm、8.99 mm、15.03 mm和16.12 mm、9.66 mm、13.31 mm,差異性不大,均為典型的內凸式變形模式。由此可知,所提模型的可靠性和準確性較高。

a) 測點ZQT5

3 建筑物變形分析

定義建筑物變形相關參數:AB和BC為建筑物縱墻、橫墻所在位置,其不均勻沉降值為兩墻體沉降最大值與最小值之間的差值;BJ為基坑開挖前建筑物所在的位置;FH和EG分別為基坑開挖后建筑物在x和y方向傾斜后的位置,兩個方向上的傾斜率為二者水平位移的差值與其高度h的比值。建筑物變形示意圖如圖7所示。

圖7 建筑物變形示意圖

3.1 不均勻沉降值

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物縱墻不均勻沉降值如圖8所示。地連墻墻身水平位移雖不同,但距坑角及坑邊不同距離下,建筑物的不均勻沉降變形規律基本一致。隨著建筑物遠離坑邊、距坑角距離越近,建筑物的不均勻沉降值不斷減小,呈現陡降式的拋物線模式。當D>1.50H時,距坑角為任意距離處的建筑物不均勻沉降值均較小。當L≥1.50H時,坑角效應影響對建筑物的約束作用逐漸減弱,縱墻不均勻沉降值相差較小。

a) δhm=15 mm

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物橫墻不均勻沉降值如圖9所示。在不同δhm作用下,當L≥1.50H時,距坑邊不同距離處的地連墻橫墻差異沉降值變化不大。當L=1.00H時,隨著建筑物與坑邊距離的增大,地連墻橫墻的不均勻沉降值逐漸增大。當D<0.50H時,地連墻橫墻的不均勻沉降值逐漸減小。隨著建筑物同坑角及坑邊距離的變化,地連墻的不均勻沉降變化規律存在顯著差異性,但當D>1.00H時,地連墻橫墻的不均勻沉降值均較小。

a) δhm=15 mm

3.2 傾斜率

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物在x方向上的傾斜率如圖10所示。隨著建筑物與坑角距離的增大,建筑物在x方向上的傾斜率不斷減小。當L=0.25H和0.50H時,建筑物逐漸遠離坑邊,其傾斜率呈現陡降的變形趨勢。當L>0.50H時,隨著建筑物與坑邊距離的增大,建筑物在x方向上的傾斜率呈現較為平緩的內凸式拋物線變形模式。建筑物傾斜率最大值在L=0.50H、D=0.25H位置處。進一步分析在不同地連墻水平位移下建筑物傾斜率的變形規律可以發現,隨著地連墻水平位移的增加,建筑物在x方向的最大傾斜率位置未發生變化,僅在數值上發生改變。

a) δhm=15 mm

不同δhm下,距坑角及坑邊不同距離處的建筑物在y方向上的傾斜率如圖11所示。隨著地連墻距坑角越近、距坑邊越遠,建筑物在y方向上的傾斜率不斷減小,呈現陡峭下降的拋物線模式。在不同的δhm作用下,當建筑物在y方向上的傾斜率最大值分別為0.51×10-3、1.04×10-3、1.41×10-3時,隨著δhm的增大,這三個傾斜率相對前一個傾斜率的相對增量分別為103.9%和35.6%。隨著地連墻水平位移的增大,建筑物在y方向上的傾斜率變化較x方向更為敏感。

a) δhm=15 mm

4 結論

1) 由地連墻水平位移實測數據可知,基坑南北兩側中部處的地連墻最大水平位移較基坑坑角處分別增大了82.2%和71.3%,表明該圓礫地層基坑具有明顯的坑角效應,且坑角效應的影響范圍約為2.8H。

2) 在不同地連墻水平位移下,隨著建筑物距坑角及坑邊距離的變化,建筑物縱墻不均勻沉降曲線、在y方向上的傾斜率變化曲線呈現出陡降式的拋物線變化趨勢;建筑物橫墻不均勻沉降曲線、在x方向上的傾斜率曲線的變化可劃分為陡降式、上凸式、下凹式拋物線變化趨勢。

3) 不同地連墻水平位移下,隨著建筑物距坑角及坑邊距離的變化,建筑物的變形規律基本一致,其各方向上的傾斜率僅在數值上發生改變。