基坑開挖對臨近地表沉降影響的分析 ＊

李開文,毛 勇,劉海明

(1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院,云南 昆明 650051;2.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北 武漢 430071)

1 引 言

隨著城市用地不斷加劇,產生了大量的基坑工程。基坑工程工期長、造價高、難度大、后果嚴重,如何合理地處理基坑開挖引起的環境問題,已成為土木工程界所關注的熱點課題。當前很多研究者傾向于研究基坑開挖引起臨近地表的水平位移,對其豎向位移 (沉降)不夠關注甚至忽視,導致嚴重后果。本文認為在某些基坑工程中,臨近地表的沉降具有重要意義。

目前,國內外已有不少學者對基坑開挖引起臨近地表的沉降進行研究。Attwell[1]對基坑開挖引起的地面沉降及對地面建筑物和地下管線的影響進行了研究;Peck[2](1969)提出了預估地面下陷的無因次曲線,可以得到基坑周圍地面下陷的數量級,他認為基坑開挖引起的周圍地表沉降情況是多因素綜合作用的結果,這些因素包括土的性質、開挖深度、面積、圍護型式及施工工藝和質量等;日本道路工程規范[3]認為基坑周圍地表沉降曲線圍成的面積與圍護結構側向移動曲線所圍成的面積是相等的,而圍護結構的側向位移量的估算相對容易一些,這樣就可間接地估計地表沉降狀況;侯學淵、陳永福 (1989)[4]根據有限元分析和對前人研究成果的總結,提出經驗公式。

實驗以昆明市某醫院基坑為典型實例,利用FLAC-3D模擬分析了基坑開挖支護對周圍地表造成的影響,得到了一些有價值的結論,可為同類工程借鑒。

2 工程地質與水文地質條件

場地地層按成因類型為五大類,從上至下分述為[5]:第四系人工填土 (Qml):由建筑垃圾構成;第四系坡、洪積層 Qwl+pl:由粘性土夾碎石構成;第四系殘、坡積層 Qwl+dl:由粘性土夾碎石構成;二迭系倒石頭組 Pld:由強風化砂巖構成;石碳系馬平組 C2m:由碳酸鹽巖 (灰巖)構成,巖溶發育。場地地下水位埋深 1.3～4.8 m,地下水含水層主要為粘性土和灰巖含水層。

3 基坑支護方案

基坑深度為 7.3 m,采用Φ1000 mm@4000 mm人工挖孔樁 (C25)支護,長 15 m。樁頂用800 mm×500 mm,C25鋼筋混凝土冠梁連接。坑壁設一排預應力錨桿,一排預緊力鋼管錨桿,一排鋼管錨桿 (詳見圖1)。

4 FLAC-3D計算模型的建立

4.1 模型的計算范圍

Peck認為[6]基坑變形的影響寬度為 4H,深度取為 3H。實驗所建立的模型尺寸為:長 (x)×寬(y)×高(z) =52 m ×50 m×30 m。整個模型共劃分為31200單元,參見圖2。

4.2 模型的邊界條件

模型邊界約束條件設定如下:

1)模型左右邊界為單約束邊界,取u=0,v≠0,w≠0,(u為 x軸方向的位移,v為 y軸方向的位移,w為 z軸方向的位移);

2)模型前后邊界為單約束邊界,取u≠0,v=0,w≠0;

3)模型底邊界為全約束邊界,取u=0,v=0,w=0;

4)模型上邊界為自由邊界,取u≠0,v≠0,w≠0。

4.3 土體模型

根據現場地質勘察報告,以及現場室內實驗的結果,將模型土層概化為三層:第一層層厚 10 m,土體重度為 18 kN/m3,采用修正劍橋模型,模型參數見表1;第二層層厚 8 m,土體重度為 18 kN/m3;第三層層厚 12 m,土體重度為 22 kN/m3,下部 20 m巖土層采用摩爾庫侖模型模擬,模型參數見表2[7～9]。

表1 修正劍橋模型的模型參數Tab.1 Model parameters for modified Cam-clay model

表2 摩爾庫侖模型的模型參數Tab.2 Model parameters for Mohr-coulomb model

4.4 結構模型

樁單元采用 pile單元模擬;冠梁、腰梁采用beam單元模擬;錨桿采用 cable單元模擬;噴射混凝土采用 shell單元模擬,如圖3所示。

圖3 基坑開挖的 FLAC-3D結構單元模型Fig.3 FLAC-3D structural unit model for foundation pit excavation

1)Pile單元參數:

表3 樁單元的幾何參數表Tab.3 Geometric parameters of pile element

表4 樁單元的材料參數表Tab.4 Material parameters of pile element

2)Beam單元:

表5 梁單元的參數表Tab.5 Parameters of beam element

3)Cable單元:

表6 錨桿單元的參數表Tab.6 Parameters of cable element

4)Shell單元:

表7 殼單元的參數表Tab.7 Parameters of shell element

4.5 模擬過程

為了真實地模擬開挖過程,采用 FLAC-3D軟件中的Null單元來模擬開挖。模擬開挖過程計算共分為 7步,具體如下:

第一步:建立未開挖之前的基坑模型,并將模型全部賦為彈性材料,加上均勻的地應力場,形成初始地應力場。

第二步:將上部 10 m土層賦為修正劍橋模型,將下部 20 m巖土層賦為摩爾庫侖模型。將第一步的約束條件釋放,并重新設置約束條件,求解得到新的初始地應力場。

第三步:將新的初始地應力場下的位移場置于零,在指定位置設置樁單元,并在指定時間下求解。

第四步:開挖 0～2.2 m土層,施加基坑周邊荷載,并設置噴錨支護結構,并在指定時間下求解。

第五步:開挖 2.2～4.4 m土層,并設置噴錨支護結構,并在指定時間下求解。

第六步:開挖 4.4～6.6 m土層,并設置噴錨支護結構,并在指定時間下求解。

第七步:開挖 6.6～7.3 m土層,并設置噴射混凝土,最終求解。

5 計算結果

為了與數值模擬結果做對比,該基坑周邊設置多個變形觀測點,用以分析數值模擬結果,詳見圖4。

圖5和圖6表明:在基坑側壁處,沉降達到最大值,隨著距離基坑側壁越遠,沉降也越小;在支護結構上,由于其剛度相對于土體很大,其沉降量很小。由于數值模擬的時間是根據達到沉降穩定時,計算步數與監測時間相等得出,不是真正意義上的時間。數值模擬結果在 10 d左右出現一個明顯的拐點,這與實際明顯不符。數值模擬結果與監測結果較為一致,兩者相差不到 10%。

圖5和圖7表明:在距離基坑深度約 8 m左右,約為 8/7.3=1.1倍基坑深度,此處沉降已顯著下降,約為 16.5 mm,不足最大沉降的 1/6。數值模擬結果與監測結果較為一致。

圖5和圖8表明:當離基坑較遠時 (大于 3倍基坑深度的距離時),沉降模擬結果跟監測數據明顯不符,本工程監測數據顯示此處基坑的沉降接近0,基本上在 0左右波動,模擬結果顯示沉降不足1 cm,對于一般建筑物,完全可以不考慮其影響。模擬結果跟監測數據不符的原因可能是由于測量儀器的測量精度引起的。

通過圖5和圖9表明,沉降的影響范圍為 20 m,此處沉降為 5.5/110=5%,為基坑深度的 20/7.3=2.73倍,由此可見,基坑附加應力場效應取4倍基坑深度完全能滿足工程的精度,在條件不夠的情況下,推薦取 3.5倍基坑深度。基坑的沉降在離基坑 6 m的位移有一個拐點,此點過后,沉降大幅度降低。

6 結 語

通過基坑實測結果與數值分析,可以得出以下主要結論:

1)利用 FLAC-3D進行基坑開挖的數值模擬研究是切實可行的,模擬分析得到的數值結果與實際工程監測結果大致吻合。

2)基坑開挖引起臨近地表沉降的范圍約為2.7倍基坑深度。隨著基坑側壁的距離的增大,沉降逐漸減小。淺層土體開挖對地表沉降的影響較深層土體大。

3)修正劍橋模型模擬昆明地區典型地基土能取得較好效果。

[1]Attwell P.B.Soil movement induced by tunneling and their efects or pipelines and structures[M].Blackie:Chapman and Hall,1986:20-46.

[2]Peck R.B.Deep Execavations and Tunnellings in Soft Ground[J]. Proc.7th on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. State-of-the-Art Int,Conf Reports,Mexico City:Vol.3,1969:225-290.

[3]趙榮欣.軟土地基基坑工程的環境效應及對策研究 [D].浙江:浙江大學,1999:8-11.

[4]侯學淵,陳永福.深基坑開挖引起周圍地基土沉陷的計算[J].巖土工程師,1989,1(1):1-13.

[5]云南省設計院勘察分院.中共云南省委機關新建辦公樓巖土工程勘察報告 [R].2004.

[6]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊 [M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[7]Itasca Consulting Group Inc.Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions(Version 3.00) UserMannal[M].USA,2002.

[8]M.Cai,P.K.Kaiser,H.Morioka,ect.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations[J]. International journal of rock mechanics&mining sciences,2007,44,pp:550-564.

[9]Duncan J.M.,and Chang C. Y.Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils[J].Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE,1970,96(5):1629-1653.