深基坑開挖過程中土體位移變化的模擬分析

羅慶林,王 松,朱永強

(淮南聯合大學 建筑與藝術學院,安徽 淮南 232038)

深基坑工程近些年來不斷增加,該工程主要包括基坑的開挖和基坑支護兩方面的內容[1]。在基坑的開挖過程中會造成土體的位移,當位移超過一定的幅度和增加速度時,就會造成基坑坍塌。根據基坑的開挖深度對基坑劃分等級。一級基坑為基坑周圍有歷史文物或者重要管線以及開挖深度大于10m的基坑。二級基坑為7～10m的開挖深度。三級基坑是開挖深度小于7米或無特別需求的基坑。為了控制基坑變形和驗證基坑開挖方案的可行性,需要對開挖過程中的基坑做好現場監測。如表1所示,一級基坑的地表豎向位移不超過3cm,周圍結構的位移不能超過3cm和5cm;二級基坑地表豎向位移不超過6cm,周圍結構的位移不能超過6cm和8cm;三級基坑地表豎向位移不超過8cm,圍護結構頂部及墻體最大位移分別不得超過8cm和10cm。

表1 基坑監測位移的最大值

目前在這方面的研究比較多,宋辰辰利用MIDAS/GTS模擬了地鐵施工基坑有支護結構的開挖過程,通過模擬得出基坑周邊的圍護結構其水平移動速度,在剛開始的時候位移速度顯示是增加的趨勢,隨后速度減慢并穩定下來[2]。李明瑛,曾朋等對有樁錨結構的深基坑進行模擬分析,得到結論是由于主動土壓力增大,造成支護結構錨桿出現水平移位現象,并且水平位移不斷增加直至基坑內的土壓力趨于穩定后,支護結構錨桿不再增加水平位移[3]。溫孟瑤,劉杰等先通過現場監測獲得基坑邊坡X方向和Y方向的水平位移量,再用模擬軟件分析,最終得到的模擬數據和現場監測時的數據基本保持一致的結論[4]。

1 深基坑變形機理

除了在深挖基坑的過程中要保證安全、穩定外,還要保證在開挖過程中,周圍已有的設施不能受該基坑開挖的影響。如果基坑開挖在土質比較好的地方,比如硬塑黏土、軟巖等,那么基坑變形所帶來的周圍土層位移可以控制在適當的范圍內。反之,如果基坑開挖在地質比較復雜的軟土地區時,往往會帶來較大的基坑位移,這樣對附近設施都會造成較大的安全隱患。在基坑開挖方案設計上,由過去的主要控制強度向主要控制位移轉變,所以控制基坑的位移意義重大。

一般來說,基坑底部凸起主要是因為開挖時所造成的。坑內土體和坑外土體形成位移高度差,再加上基坑邊坡堆放的建筑材料和機械所帶來的荷載,當荷載超過一定限度時就會造成基坑周圍的土體向坑內移動,產生了基坑底部土體豎向位移。其中坑底隆起最主要的特點就是在坑底中央位置隆起的高度最高,隨著開挖的停止,坑底的隆起的速度也將降低,并且隨著時間的流逝,坑底隆起將緩慢下降,轉而基坑坑底變為中間低兩邊高的形狀。基坑的結構變形主要在開挖時,因為減少了上部荷載,由此造成基坑周圍兩側的壓差,破壞了原基坑的應力場以及地下水等土體環境,使基坑土體產生位移,造成結構發生變形。基坑四周位移主要是因為基坑在開挖過程中土體減少,土體外側承受主動土壓力,內側承受被動土壓力,造成基坑內外側向壓力失衡,在開挖面以下的土體受被動土壓力的影響向坑內產生水平位移,使基坑四周出現位移變形。在深基坑的開挖過程中,由于土體的流變性,基坑暴露在坑底一段時間以后,基坑也會產生位移,以至于引起基坑表面土體的豎向位移,所以基坑在開挖完以后,如果不能及時地進行基坑底部澆筑,那么土體的流動性也會增加基坑內的被動土壓力,同樣會使坑外的土體向坑內移動以及地表豎向位移加大。另外如果地下水或者雨水進入基坑內并且沒有及時地排出,會降低土體強度,增加土體和周圍地層的位移[5-6]。

基坑變形產生的危害較大,可以通過加固基坑內外的強度和剛度來進行位移控制。在基坑外采取加固措施往往花費較多的代價并且還要受到已有設施的影響,施工難度較大,所以一般情況不采用,而通過加強坑內土體的強度和剛度以達到控制基坑變形是目前最合適的方法[6],比如在基坑內加設鋼支撐或者基坑打樁以及基坑坑壁四周打入錨桿并灌漿的方式進行基坑內土體加固,達到了安全施工的目的。

2 工程概況

本工程為某地32層的高層建筑物,基坑開挖深度為9.6m,寬度為22.5m?；痈浇鼰o其他設施,并且不考慮地下水的影響。通過查閱相關地質資料可知,地下土層分布情況及各層土物理力學性質,如表2所示。第一層雜填土厚度為2.6m,第二層淤泥質土厚度為1.7m,第三層粉土厚度為5.3m。

表2 各土層主要物理力學性質參數

2.1 施工現場測點布置

為了監測基坑中土體的水平和豎向位移的變化情況,需要對現場的基坑布置監測點,同時布置監測點時,要考慮基坑周圍的設施和結構。

(1)基坑周圍水平位移及沉降觀測

布置測點的目的是監測基坑土體頂部的水平位移及垂直位移變形情況。在基坑頂部邊緣埋設觀測點,約15～30m布設一個測點,編號為W1至W11[7]。

(2)基坑底部沉降位移觀測

采用鉆孔置入法將監測點設置在基坑的上部,本工程共設置8個監測點編號為D1至D8,監測點的位移超過一定幅度,那么基坑開挖將不安全[8]。

2.2 監測頻率

監測時間從正式進場后開始至地下結構物達到設計標高且回填土完成時結束。觀測周期、次數的確定根據不同基坑的土質特點和施工支護情況而定,原則上各項目在基坑開挖前應測量初始值且不少于3次[9];隨后依據不同的施工階段確定現場監測應間隔的時間。支護結構在開挖階段的變形情況每天測量一次[10];壓實或澆筑好底板后,每3天進行一次測試,并可逐步延長。預計基坑監測總次數約30次,監測工期預計約3～4個月[11]。

2.3 應急措施

在深基坑開挖的過程中,需要采取一些措施來保證基坑開挖的安全性,如在坡頂卸去一些荷載,以減少對基坑的擾動;也可以通過往裂縫處灌漿的方法來進行加固;同時坡腳反壓土堆和砂包[9]以及修改支護方案等措施進行加固[12]。

3 建立MIDAS模擬模型

首先按照地質勘察資料將模型分為三層,第一層為雜填土,第二層為淤泥質土,第三層為粉土。在建立模型時,模型的長度和寬度為真實基坑的兩到三倍以上,高度為真實基坑的三倍以上,故模型寬度為70m,長度取90m?；娱_挖位于整個模型的正中央,邊界設定為自動設置,荷載只受重力影響,如圖1所示。

圖1 基坑開挖邊界荷載示意圖

由于本次研究是模擬整個開挖過程,所以需要定義施工階段。第一階段為“原場地”激活開挖“雜填土”“淤泥質土”“粉土”所有網格以及荷載和邊界條件。第二到第四階段依次鈍化各層開挖的土體,最后完成整個分析過程[13]。

4 監測數據和模擬結果分析

整個通過MIDAS建立的模型在劃分網格時,采用四面體劃分,并且在相應位置設置約束。在整個模型中從基坑表面到坑底選取8個節點為研究對象,通過節點的位移變化來研究深基坑在開挖過程中土體的位移規律。第一階段開挖到第三階段深基坑開挖顯示水平位移結果,如圖2-圖4所示。

圖2 第一階段基坑水平位移

圖3 第二階段基坑水平位移

圖4 第三階段基坑水平位移

4.1 深基坑開挖水平位移分析

(1)基坑第一階段開挖的最大水平位移為6.4mm,實測值7.5mm。第二階段的最大水平為11.40mm,實測值12.53mm。第三階段的水平位移為14.70mm,實測值15.62mm。如圖5所示。

圖5 不同階段開挖基坑最大位移

從數據上可以看出,隨著基坑的開挖,基坑中最大位移出現在基坑側壁位置,其中土體的水平最大位移隨著開挖階段在增大。這主要是由于土體不斷開挖,造成土體側向受力不平衡,土體通過移動來達到新的平衡。在施工過程中可以使用錨桿以增加基坑結構的安全性,為了增強效果可以選擇桿件強度較大或者澆筑強度較高的混凝土等方式來進行加固。

(2)根據選取不同深度節點的位移情況,得出在深基坑開挖過程中,節點水平位移隨基坑深度不斷增加,并且增加的幅度也在加大,隨后位移增加相對減少,位移最大值發生在基坑側壁中下部,同時基坑監測實際值和模擬值變化趨勢一致,如圖6所示。另外,基坑中某一個確定節點位移也會隨著開挖深度的增加而增大,如圖7所示。

圖6 不同深度基坑水平位移

圖7 同一節點不同深度的水平位移

4.2 深基坑開挖豎直位移分析

在深基坑開挖過程中,基坑會出現不同程度的豎向位移。第一階段最大豎向位移為58.15mm,實測值為60.12mm;第二階段最大位移為101.77mm,實測值110.58mm;第三階段最大位移為141.91mm,實測值為139.45mm,如圖8所示。隨著基坑被挖開,基坑內出現的豎向位移也越來越大,并且基坑中豎向位移的最大值在基坑底部。

圖8 不同開挖階段基坑豎向位移

在開挖過程中,基坑底部會有凸起現象。主要是基坑上面的土體被挖開以后造成的,上部卸去了荷載,引發底部基坑土體反彈,同時基坑周邊的土體在自重作用下對土體進行擠壓,從而在坑底產生隆起的現象。當基坑開挖較淺時,基坑隆起的最大位置在基坑底部,如圖9和圖10所示。

圖9 第一階段基坑豎向位移

圖10 第二階段基坑豎向位移

當基坑繼續開挖,基坑隆起的最大位置逐漸由中間位置變為基坑坑底中央兩邊,最終變為中間小兩邊大的形狀,如圖11所示。在開挖的第一到第三階段會在地表位置產生不同程度的豎向位移。離基坑較近的位置,地表產生的豎向位移較大;離基坑較遠的位置,地表豎向位移很小。

圖11 第三階段基坑豎向位移

結語

(1)采用現場監測和數值模擬兩種方式,得出的結論近乎一致,可以證明結論的準確性,同時也表明MIDAS模擬基坑開挖的可行性。

(2)在深基坑的開挖過程中,基坑中不同節點處,水平位移隨著開挖深度的增大而不斷增加,隨后位移增加相對減少,位移最大值發生在基坑側壁中下部;基坑中某個確定節點位移也會隨著開挖深度的增加而增大。

(3)基坑中出現的豎向位移隨著基坑開挖過程不斷增大,并且基坑中豎向位移的最大值在基坑底部。當基坑繼續開挖,基坑豎向位移的最大位置逐漸由中間位置變為基坑坑底中央兩邊,最終變為中間小兩邊大。另外,地表位置也會產生不同程度的豎向位移,離基坑較近的位置,地表產生的豎向位移較大;在基坑較遠的位置,地表的豎向位移較小。

(4)研究過程中未考慮地下水以及基坑支護的影響,在后期的研究中,將會探討這些影響因素。