富水軟弱深基坑開挖支護(hù)數(shù)值模擬及變形監(jiān)測對比研究

甘肅，魏星

（1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430060）

1 引言

隨著城市建設(shè)面積的急劇減少以及各項(xiàng)技術(shù)水平的不斷提升，城市中高層建筑逐漸增多，不可避免地增加了深基坑工程的數(shù)量。然而，深基坑開挖過程中勢必會(huì)遇到更加復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，開挖過程會(huì)對巖土體的穩(wěn)定性造成破壞，該現(xiàn)象在富水軟弱地層中尤為常見[1-2]。富水軟弱地層具有地下水豐富、沙石含量較高、承載力小、土壤易流動(dòng)和孔隙率大等特點(diǎn)，從而給工程建設(shè)帶來一系列難題，例如，與水接觸的砂石層和板巖的承載力降低，在降水和開挖過程中容易導(dǎo)致土壤變形等，給施工工藝和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)等提出了更高的要求[3-4]。如何在富水軟弱地層條件下選擇合適的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系以及進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證，對于深基坑開挖過程中的變形控制及周圍既有建筑物的保護(hù)均具有重要意義[5-6]。本文以某商業(yè)和辦公建筑深基坑施工為依托，制定符合現(xiàn)場實(shí)際情況的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，通過FLAC3D 數(shù)值仿真軟件進(jìn)行開挖過程三維數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 工程概況及監(jiān)測結(jié)果

2.1 工程概況

經(jīng)過對項(xiàng)目所在地進(jìn)行勘察，得到了該區(qū)域的地層大致結(jié)構(gòu)，從上至下主要分為3 層，即人工新近填土（Q4ml）、冰水沉積土體（Q2fgl）及白堊系灌口組不同風(fēng)化程度泥巖（K2g）。揭露的巖層可劃分為6 層，各土層劃分及參數(shù)見表1。

表1 土層劃分及參數(shù)

本項(xiàng)目擬采用的支護(hù)方案為地下連續(xù)墻+ 內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，采用分層開挖方式，一共分6 個(gè)步驟：（1）從地表開始進(jìn)行第一次開挖，開挖至0.5 m 處布置第一道混凝土支撐；（2）進(jìn)行第二次開挖，開挖至5.5 m 深處布置第二道鋼管支撐；（3）進(jìn)行第三次開挖，開挖至10.5 m 深處布置第三道鋼管支撐；（4）進(jìn)行第四次開挖，開挖至15.5 m 深處布置第四道鋼管支撐；（5）進(jìn)行第五次開挖，開挖至20.5 m 深處布置第五道鋼管支撐；（6）進(jìn)行第六次開挖，開挖至22.0 m 時(shí)達(dá)到開挖深度要求。本項(xiàng)目的基坑最大開挖深度為H=22.5 m，結(jié)合基坑周邊環(huán)境特點(diǎn)，確定該項(xiàng)目主體深基坑安全等級和保護(hù)等級均為I 級，相應(yīng)的變形控制指標(biāo)為：地表最大沉降≤0.12%H（27.00 mm），支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位移量≤0.16%H（36.00 mm）。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場采用的地下連續(xù)墻剛度為30 GPa，內(nèi)支撐道數(shù)為5 道。施工過程中及時(shí)做好監(jiān)測點(diǎn)布置，用于測量在不同施工工期下基坑周邊連續(xù)墻圍護(hù)墻體的水平位移和地表沉降等變形。

3 數(shù)值仿真及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值仿真建立

通過FLAC3D 軟件對基坑開挖進(jìn)行三維數(shù)值模擬，模擬區(qū)域內(nèi)的各個(gè)土層均采用摩爾-庫倫塑性模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型設(shè)計(jì)為長180 m，高60 m，垂直于紙面方向取10 m，基坑寬度取20 m，基坑開挖深度為22 m，按均布荷載20 kPa 施加壓力。對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為52 998 個(gè)節(jié)點(diǎn)、46 800 個(gè)六面體網(wǎng)格單元。開挖施工前對開挖區(qū)進(jìn)行降水處理，降水深度至基底下方1 m。因此，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)不考慮地下水滲流的影響。

支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的地下連續(xù)墻嵌入深度為13.5 m，厚度為0.8 m，密度和泊松比分別為2 500 kg/m3和0.25，剛度設(shè)置為10 GPa、30 GPa 和50 GPa；內(nèi)支撐分別設(shè)置2 道、3 道和5 道，第一道支撐為混凝土支撐，第二～第五道支撐為鋼支撐，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)單元采用beam 單元進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 圍護(hù)墻水平位移模擬結(jié)果分析

取開挖完成時(shí)圍護(hù)墻水平位移為研究對象，對比研究地下連續(xù)墻剛度及內(nèi)支撐道對其影響規(guī)律，研究連續(xù)墻剛度對圍護(hù)墻側(cè)向位移影響時(shí)內(nèi)支撐道數(shù)固定為5 道，研究內(nèi)支撐道數(shù)對圍護(hù)墻側(cè)向位移影響時(shí)連續(xù)墻剛度為30 GPa，圍護(hù)墻側(cè)向位移變化曲線如圖1 所示。

從圖1a 可以看出，不同剛度的地下連續(xù)墻在基坑開挖完成后的側(cè)向位移隨著深度的增加表現(xiàn)出的規(guī)律幾乎一致，側(cè)向位移最大值均出現(xiàn)在17 m 深處的位置，地下連續(xù)墻剛度為10 GPa、30 GPa 和50 GPa 時(shí)位移的最大值分別為23.95 mm、21.45 mm 和19.65 mm，可見隨著地下連續(xù)墻剛度的增加，圍護(hù)墻體抗變形能力有所增強(qiáng)，但是增大的幅度并不是十分明顯。

從圖1b 可以看出，在不同支撐道數(shù)下，圍護(hù)墻體的水平位移表現(xiàn)出的變化趨勢存在較大差異，當(dāng)支撐道數(shù)為5 時(shí)，連續(xù)墻側(cè)向位移隨基坑深度的增加表現(xiàn)出典型的“弓”形曲線，最大值出現(xiàn)在靠近基底1/3 處，為21.45 mm，滿足規(guī)范要求；當(dāng)支撐道數(shù)為3 時(shí)，連續(xù)墻側(cè)向位移隨基坑深度的增加表現(xiàn)出先顯著增大后穩(wěn)定最后減小的趨勢，即整個(gè)連續(xù)墻的側(cè)向位移均較大，最大為28.05 mm，也滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是考慮到實(shí)際工程情況的復(fù)雜性，3 道內(nèi)支撐存在較大的風(fēng)險(xiǎn)； 當(dāng)支撐道數(shù)為2 時(shí)，連續(xù)墻側(cè)向位移隨基坑深度的增加表現(xiàn)出典型的“弓”形曲線，最大值出現(xiàn)在靠近基底1/3 處，不同的是，此時(shí)的最大變形量高達(dá)39.90 mm，超過了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，加之實(shí)際工程情況的復(fù)雜性，2 道內(nèi)支撐必然導(dǎo)致安全事故。綜合上述分析情況可以看出，實(shí)際施工時(shí)，內(nèi)支撐道數(shù)對工程安全起著至關(guān)重要的作用，該工況下，內(nèi)支撐道數(shù)應(yīng)該大于或等于4 道較為安全。

3.3 地表沉降模擬結(jié)果分析

取開挖完成時(shí)距離基坑不同距離的地表沉降為研究對象，對比研究地下連續(xù)墻剛度及內(nèi)支撐道對其影響規(guī)律，沉降量變化曲線如圖2 所示。

圖2 不同支護(hù)參數(shù)下地表沉降

從圖2a 中可以看出，在不同剛度的地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下，基坑開挖完成后基坑周邊土體的豎向沉降位移隨著距基坑邊緣距離的增加表現(xiàn)出的規(guī)律幾乎一致，地下連續(xù)墻剛度為10 GPa、30 GPa 和50 GPa 時(shí)，沉降位移的最大值分別為15.05 mm、13.45 mm 和11.65 mm，可見隨著地下連續(xù)墻剛度的增加，土體沉降量有所減少，但減少的幅度不明顯。

從圖2b 中可以看出，在不同內(nèi)支撐道數(shù)支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下，基坑開挖完成后基坑周邊地表土體的豎向沉降位移隨著距基坑邊緣距離的增加表現(xiàn)出的規(guī)律幾乎一致，內(nèi)支撐道數(shù)為2、3 和5 時(shí)沉降位移的最大值分別為21.05 mm、16.15 mm和13.45 mm，均在安全范圍內(nèi)，但是鑒于現(xiàn)場施工環(huán)境的復(fù)雜性以及數(shù)值模擬簡化的部分工程條件，內(nèi)支撐道數(shù)為2 時(shí)的沉降量對基坑周邊建筑物的影響很大。可見，隨著內(nèi)支撐道數(shù)的減少，土體沉降量有所增加，當(dāng)內(nèi)支撐道數(shù)小于3 時(shí)，沉降增長幅度十分明顯。

4 結(jié)論

1）地下連續(xù)墻+ 內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系控制富水軟弱地層深基坑圍護(hù)墻變形及地表沉降具有顯著優(yōu)勢。

2）地下連續(xù)墻剛度對圍護(hù)墻變形及地表沉降影響較小；反之，內(nèi)支撐道數(shù)影響較大；在富水軟弱地層條件下可通過增加內(nèi)支撐道數(shù)和減小連續(xù)墻剛度的方式進(jìn)行安全施工和減少施工成本。

3）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明在富水軟弱地層條件下數(shù)值模擬變形結(jié)果較實(shí)際值偏小，選取參數(shù)時(shí)需考慮足夠的安全系數(shù)。