李天降, 朱孟君, 王哲, 宋許根, 甄潔, 衣凡, 雷華陽, 鄭剛, 程雪松*

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司道路交通設(shè)計研究院, 武漢 430063; 2.天津大學土木工程系, 天津 300072)

隨著中國城市化進程加快,地下空間利用率逐漸提高,基坑開挖及支護發(fā)展迅速。但是基坑設(shè)計不當或工程經(jīng)驗不足會引起較大的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地表沉降,嚴重的會導致基坑失穩(wěn),造成巨大的經(jīng)濟損失,甚至威脅人身安全[1-3]?；庸こ淌墙ㄖこ毯突A(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè)之本,基坑變形規(guī)律分析和控制又是基坑工程中重要部分,特別是在軟土地區(qū)的基坑施工中,土體性質(zhì)較差[4],控制基坑與支護結(jié)構(gòu)的變形、確定合理的基坑安全的控制標準至關(guān)重要。

鑒于此,中國編制了許多國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)程。比如,《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》(GB 50497—2019)[5]給出了不同支護結(jié)構(gòu)類型的基坑變形絕對值及其與基坑開挖深度的關(guān)系,取較小值作為控制值,如采用鋼板樁支護的基坑的深層水平位移值,要求一級基坑的控制值為50～60 mm或0.6%H～0.7%H,二級基坑的控制值為60～80 mm或 0.7%H～0.8%H,三級基坑的控制值為70～90 mm 或0.8%H～1.0%H,H為基坑深度。北京地方標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(DB 11/489—2016)[6]中規(guī)定,當無明確要求時,最大水平變形限值:一級基坑為0.002H,二級基坑為0.004H,三級基坑為0.006H。《廣東省建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-20—2016)[7]中根據(jù)環(huán)境等級明確了基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移控制值,環(huán)境等級為一級基坑的支護結(jié)構(gòu)水平位移控制值取30 mm且不大于0.002H,環(huán)境等級為二級基坑的支護結(jié)構(gòu)水平位移控制值取45～50 mm且不大于0.004H,環(huán)境等級為三級基坑的支護結(jié)構(gòu)水平位移控制值取60～100 mm 且不大于0.006H。上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》(DG/TJ 08-61—2010)[8]根據(jù)基坑周圍環(huán)境的重要性程度及其與基坑的距離,提出了支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移、地表沉降的設(shè)計控制指標。重要保護對象與基坑距離s≤H,基坑環(huán)境保護等級為一級,支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為0.18%H,坑外地表最大沉降控制值為0.15%H;重要保護對象與基坑距離范圍為H

現(xiàn)行規(guī)范標準一部分提出了不同安全等級與圍護結(jié)構(gòu)形式的基坑變形的控制值,一部分考慮了周圍環(huán)境提出各環(huán)境等級下的變形控制要求。但是這些規(guī)范并未全面考慮區(qū)分支護結(jié)構(gòu)的類型與土質(zhì)條件;同時,一些規(guī)范給出的控制值的取值范圍較大,對于實際工程應(yīng)用來說針對性不強,控制標準不明確。

與此同時,基坑變形控制標準也受到許多專家學者的關(guān)注,提出了適合當?shù)氐幕幼冃慰刂茦藴省Ｈ缢谓▽W等[10]結(jié)合區(qū)域經(jīng)驗,提出了河南省基坑變形監(jiān)測的建議項目與預警指標。劉潤等[11]基于天津地鐵1號線的監(jiān)測與研究,以支護剛度減小使其水平位移增加作為控制基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞的標準,建議將支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移和地表最大沉降為0.4%H和0.28%H作為天津地區(qū)深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)變形的控制標準。李俊等[12]探討了某深基坑支護位移、沉降與內(nèi)力大小及變化規(guī)律,建議樁體水平位移最大值的預警值為 1.87%H。張陳蓉等[13]、黃茂松等[14]考慮基坑開挖對周圍建筑物和管線的影響,提出了變形控制標準。奚家米等[15]基于“時空效應(yīng)”理論,對上海市陶家宅深基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析,得到圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移平均值為0.15%H,最大側(cè)移深度平均值為0.8H。潘林有等[16]對溫州深厚軟土地層的明挖深基坑進行了實測分析,得到地連墻水平位移為“鼓脹形”,最大水平位移平均值為0.3%H。董凱等[17]基于北京上清橋站基坑進行了實測分析、數(shù)值模擬和概率統(tǒng)計分析,給出了圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測指示值為0.13%H。張建全等[18]結(jié)合實測分析給出了不同地層、不同工法施工的車站地表沉降控制值。趙塵衍等[19]基于常州的軌道交通基坑工程實測,提出了具體的變形控制指標值。

上述研究成果可以對當?shù)氐幕庸こ淌┕づc監(jiān)測提供參考,所研究的支護結(jié)構(gòu)多為剛度較大的地連墻,形式單一,且提出控制指標時未區(qū)分基坑等級。

無論是現(xiàn)行規(guī)范標準還是上述研究所提出的參考標準,這些控制指標均是由工程實測而來[20-21],而這些統(tǒng)計分析的基坑工程案例是在基坑安全、成功完成施工的案例,反映的僅是安全的基坑工程施工過程中基坑變形的最大值,存在一定的冗余,不一定是保證基坑安全、經(jīng)濟成本較低的最優(yōu)值。其次,以上規(guī)范與研究內(nèi)容多用于建筑基坑、地鐵基坑等深基坑的變形控制。廣州南沙等軟土地區(qū)的管廊基坑,一般基坑寬度與深度較小,基坑長度遠遠大于基坑寬度,是典型的狹長形基坑,常采用鋼板樁與內(nèi)支撐的組合支護形式,支護結(jié)構(gòu)柔性較大。此類基坑的變形規(guī)律及其按照基坑安全等級劃分的變形控制標準均缺乏研究,使得軟土地區(qū)管廊基坑在實踐中常遇到變形控制設(shè)計難度大、造價高,施工中變形極易超標但基坑仍較為安全等諸多問題。

現(xiàn)依托廣州南沙某管廊基坑開展有限元數(shù)值模擬,分析基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、坑底隆起的變形特征,基于6個不同基坑斷面,研究在臨界失穩(wěn)狀態(tài)與穩(wěn)定性滿足《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)兩種條件下,圍護結(jié)構(gòu)水平變形、地表沉降、坑底隆起的變形最大值與基坑開挖深度的比值,提出在保證基坑安全施工的情況下,柔性支護結(jié)構(gòu)應(yīng)控制的水平變形。

1 有限元模型建立

1.1 管廊基坑工程概況

此綜合管廊工程項目位于廣州市南沙區(qū),基坑采用明挖施工,基坑標準段寬度為14.1 m,基坑深度介于5.29 ～ 7.70 m?；硬捎妹芸邰粜屠摪鍢逗弯摴苤蔚慕M合支護形式。整個工程項目分為20個斷面進行設(shè)計,其中9個斷面區(qū)域基坑安全等級為二級,11個斷面區(qū)域基坑安全等級為三級。根據(jù)周圍環(huán)境評估,此項目環(huán)境等級為二級,允許鋼板樁最大水平位移為60 mm。

共選取6個基坑斷面進行分析,安全等級二級、三級的基坑各3個,表1為各基坑斷面的信息。

表1 基坑斷面幾何參數(shù)

1.2 有限元模型建立

以2-2斷面為例建立有限元模型,模型基坑寬度B=14 m,基坑開挖深度H=5.9 m。Ⅳ型拉森鋼板樁支護深度為21 m,基坑內(nèi)設(shè)兩道Φ580,t=16 mm 鋼管支撐,水平間距4 m。

圖1 基坑三維有限元計算模型

表2 土體小應(yīng)變硬化(HSS)本構(gòu)模型參數(shù)

鋼板樁按照抗彎剛度等效為厚度0.17 m的板單元,重度為78.5 kN/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比0.3,塑性彎矩為488 kN·m。鋼支撐采用梁單元模擬。土體與支護結(jié)構(gòu)之間采用界面單元進行模擬,界面強度參數(shù)取相鄰土體的0.67倍。

基坑工程采取明挖順作法施工,設(shè)置10個計算階段。

計算階段1:初始地應(yīng)力計算,位移清零,施作地連墻(地連墻)。

計算階段2:開挖第一層土(開挖1)。

計算階段3:架設(shè)第一道支撐(支撐1)。

計算階段4:開挖第二層土(開挖2)。

計算階段5:架設(shè)第二道支撐(支撐2)。

計算階段6:開挖第三層土(開挖3)。

計算階段7:施作底板(底板)。

計算階段8:拆除第二道支撐(拆撐2)。

計算階段9:施作頂板(頂板)。

計算階段10:拆除第一道支撐(拆撐1)。

2 典型斷面變形結(jié)果分析

對2-2基坑斷面的圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、坑底隆起變形進行詳細分析。

基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)水平位移如圖2所示,在完成開挖1階段后,由于進行第一步開挖,基坑內(nèi)側(cè)土體缺失,并且沒有進行第一道支撐的架設(shè),沒有支撐作用,故鋼板樁頂部向坑內(nèi)產(chǎn)生位移,最大值位于鋼板樁頂部,為0.28 mm,呈“懸臂式”變形特征,如圖3所示。

圖2 基坑開挖過程圍護結(jié)構(gòu)水平位移值

圖3 完成開挖1階段后圍護結(jié)構(gòu)水平位移分布圖

完成開挖2階段后,在第一道內(nèi)支撐的作用下,鋼板樁頂部向坑外產(chǎn)生位移,頂部最大值為 0.8 mm;樁身水平位移曲線呈現(xiàn)“內(nèi)凸形”,最大位移值位于基坑底部,為13.19 mm。直到開挖3階段結(jié)束,鋼板樁頂部向坑外產(chǎn)生位移1.39 mm,樁身變形呈“內(nèi)凸形”,如圖4所示,其最大位移為 31.92 mm,所在深度也移至基坑底部以下。后續(xù)拆撐過程,由于樁身應(yīng)力重分布,水平位移值略有減小,可忽略不計。

圖4 完成開挖3階段后圍護結(jié)構(gòu)水平位移分布圖

由于基坑內(nèi)側(cè)土體開挖卸荷,坑外土體向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生位移,坑外側(cè)墻后土體發(fā)生塑性沉降。如圖5所示,完成開挖1階段,墻后土體位移沉降可忽略不計。繼續(xù)施工,在內(nèi)支撐的作用下,地連墻呈內(nèi)凸變形,墻后土體隨之向基坑內(nèi)側(cè)移動,地表沉降呈現(xiàn)“凹槽形”。當完成開挖2階段后,地表沉降值達到8.64 mm。完成最后一次開挖(開挖3)后,地表沉降達到22.06 mm。在拆除兩道支撐后,地表沉降略有增加,達到整個施工過程中最大沉降值22.26 mm。在整個過程中,坑外沉降最大值位于基坑外一倍開挖深度左右,影響范圍4～5倍開挖深度?？梢娙嵝灾ёo下軟土地區(qū)管廊基坑的變形影響范圍較地連墻、灌注樁等剛度相對較大的支護結(jié)構(gòu)影響范圍大。

圖5 基坑開挖過程墻后地表沉降曲線

基坑開挖過程中,由于坑內(nèi)卸載,坑底土體會發(fā)生回彈。繼續(xù)開挖,基坑深度增大,在坑外土體向坑內(nèi)滑移和兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向擠壓作用下,坑底產(chǎn)生塑性隆起,如圖6所示。

圖6 開挖到基坑底部時基坑位移矢量圖

由圖7可以看出,隨著基坑開挖的進行,坑底隆起變形呈“中間大兩邊小”的形態(tài)。當開挖1階段完成時,坑底隆起量為0.67 mm,可忽略不計。當開挖2階段完成時,坑底隆起量達到13.99 mm。開挖3階段完成,由于開挖深度增大,坑底隆起量急劇增大,達到最大值54.81 mm。

圖7 基坑開挖過程坑底隆起變形曲線

綜上所述,開挖過程中此基坑斷面圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大值為31.92 mm,地表沉降最大值為22.26 mm,坑底隆起最大值為54.81 mm。根據(jù)規(guī)范要求與相關(guān)部門評定,基坑環(huán)境等級為二級,允許最大水平位移為60 mm,安全系數(shù)計算結(jié)果為2.1,滿足規(guī)范要求。

3 基坑變形控制標準研究

研究了深厚軟土區(qū)鋼板樁支護(柔性支護結(jié)構(gòu))時,基坑在臨界狀態(tài)下鋼板樁水平位移、地表沉降與坑底隆起等變形值的大小,并在周邊環(huán)境許可情況下,提出保證基坑安全施工的情況下,鋼板樁這一柔性支護結(jié)構(gòu)在整個開挖過程中應(yīng)控制的水平變形值。

(1)失穩(wěn)臨界狀態(tài)下基坑變形。將土體強度折減到安全系數(shù)接近于1.0時,分析基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形、土體沉降、坑底隆起與基坑開挖深度的關(guān)系。

(2)滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求狀態(tài)下基坑變形。將土體強度折減到安全系數(shù)滿足相應(yīng)規(guī)范要求時,分析基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形、土體沉降、坑底隆起與基坑開挖深度的關(guān)系。

3.1 臨界失穩(wěn)時基坑變形與控制標準研究

通過尋找基坑失穩(wěn)的臨界點,得到基坑變形與開挖深度的關(guān)系,以確定基坑開挖變形控制值。

采用強度折減有限元法計算基坑穩(wěn)定性,對各層土體強度進行折減,直至基坑失穩(wěn)不能完成計算,以便得到臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的土體參數(shù)和基坑變形。強度折減原理是將實際土體強度參數(shù),黏聚力c和摩擦角tanφ的值同時除以一個折減系數(shù)SR,得到一組新的ctrail、φtrail值,如式(1)和式(2)所示,然后將此組強度值作為新的強度參數(shù)輸入,重新計算,如果基坑仍然穩(wěn)定,就不斷地增加折減系數(shù)進行計算,直至基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞,此時對應(yīng)的SR即為基坑安全系數(shù)。

(1)

φtrial=arctan(tanφ/SR)

(2)

以典型基坑斷面2-2為例,如圖8所示,在土體強度進行折減的過程中,圍護結(jié)構(gòu)水平位移值在折減系數(shù)SR=2.1后急劇增大,即繼續(xù)增大折減系數(shù)SR,基坑失穩(wěn),原基坑安全系數(shù)FS=2.1。

圖8 基坑變形隨土體強度折減系數(shù)SR變化曲線

理論上應(yīng)將安全系數(shù)FS=1.0時作為基坑的臨界狀態(tài)進行分析。然而,若土體強度折減系數(shù)SR=2.1,土體強度折減后基坑的安全系數(shù)FS=1.0,基坑極其不穩(wěn)定,會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,無法完成全部計算過程。故而將土體強度折減后安全系數(shù)FS=1.1的基坑視為臨界狀態(tài)進行分析,得到此時基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形、土體位移與坑底隆起值等,進一步確定基坑臨界狀態(tài)下的變形控制值。

基坑臨界失穩(wěn)狀態(tài)下,在基坑施工過程中,2-2斷面圍護結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖9所示,最大值為140 mm,位于12.15 m深度處;圖10為基坑豎向位移云圖,深層土體沉降最大值為106.14 mm,位于基坑外側(cè)9.09 m處,深度2.67 m;而地表沉降最大值為98.01 mm,位于距離坑外11.34 m處;坑底隆起最大位移位于基坑中央位置,為303 mm。

圖9 圍護結(jié)構(gòu)水平位移云圖

圖10 基坑豎向位移云圖

基坑開挖深度H=5.9 m,地連墻水平位移最大值為2.37%H,深層土體沉降位移最大值為1.8%H,地表沉降位移最大值為1.66%H,坑底隆起位移最大值為5.14%H。

采用同樣的方法,對其他基坑斷面進行分析,將圍護結(jié)構(gòu)水平變形δhmax、地表沉降δsmax、坑底隆起δbmax與基坑深度H的比值匯總于表3。

表3 臨界狀態(tài)各典型基坑斷面變形最大值與基坑深度的比值

一般以支護結(jié)構(gòu)水平位移作為控制基坑失穩(wěn)破壞的標準,建議將圍護結(jié)構(gòu)水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值,則安全等級為二級、三級基坑控制值的參考值分別為2.62%H、3.24%H。

對于地表沉降和坑底隆起變形也可將計算結(jié)果平均值作為控制值的參考值。設(shè)計安全等級為二級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為1.86%H、5.44%H,安全等級為三級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為2.29%H、6.85%H。

作為環(huán)境等級為二級的基坑,將以上計算結(jié)果平均,建議將2.93%H作為圍護結(jié)構(gòu)水平位移控制標準的參考值。地表沉降與坑底隆起的變形控制參考值為2.07%H、6.14%H。

3.2 穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求時基坑變形與控制標準研究

分析基坑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求時,圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、坑底隆起與基坑深度的關(guān)系,以此確定基坑設(shè)計和施工的變形控制參考值。按照相關(guān)規(guī)范,安全等級為二級和三級的基坑需分別滿足安全系數(shù)大于等于1.9和1.7。

按照設(shè)計等級,2-2斷面為三級基坑,按規(guī)范需滿足安全系數(shù)1.7。在開挖到基坑底部時,其圍護結(jié)構(gòu)水平位移55.41 mm,位于9.65 m深度處;地表沉降為38.41 mm,位于距離坑外8.16 m處;坑底隆起位移為104.1 mm;深層土體沉降為 40.85 mm,位于基坑外側(cè)6.45 m處,深度2.76 m。

基坑開挖深度H=5.9 m,地連墻水平位移最大值為0.94%H,地表沉降位移最大值為0.65%H,坑底隆起位移最大值占為1.76%H,深層土體沉降位移最大值為0.69%H。

采用同樣的方法,對其他基坑斷面進行分析,將圍護結(jié)構(gòu)水平變形、地表沉降、坑底隆起與基坑深度的比值匯總于表4。

表4 穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求時各典型基坑斷面變形最大值與基坑深度的比值

一般以支護結(jié)構(gòu)水平位移作為控制基坑失穩(wěn)破壞的標準,建議將圍護結(jié)構(gòu)水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值,則二級、三級基坑控制值的參考值分別為0.8%H、0.93%H。

對于地表沉降和坑底隆起變形也可將計算結(jié)果平均值作為控制值的參考值。安全等級為二級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為0.52%H、1.41%H,安全等級為三級的基坑,地表沉降與坑底隆起控制參考值分別為 0.62%H、1.67%H。

作為環(huán)境等級為二級的基坑,將以上計算結(jié)果平均,建議可將0.86%H作為支護結(jié)構(gòu)水平位移控制標準的參考值。地表沉降與坑底隆起的變形控制參考值為0.57%H、1.54%H。

4 結(jié)論

依托實際工程,對廣州南沙軟土區(qū)管廊基坑的典型斷面進行有限元數(shù)值模擬,總結(jié)分析了基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、坑底隆起等變形。在此基礎(chǔ)上,基于6個不同基坑斷面,研究了臨界失穩(wěn)狀態(tài)與穩(wěn)定性滿足規(guī)范兩種條件下,圍護結(jié)構(gòu)變形最大值與基坑開挖深度的比值,以期為軟土區(qū)柔性支護管廊基坑設(shè)計與施工變形控制提供參考。主要結(jié)論如下。

(1)軟土區(qū)柔性支護管廊基坑開挖過程中,圍護結(jié)構(gòu)樁身變形由“懸臂式”變?yōu)椤皟?nèi)凸形”;坑外地表沉降成凹槽形,沉降最大值位于基坑外一倍開挖深度左右,影響范圍4～5倍開挖深度,大于傳統(tǒng)的剛度較大的支護結(jié)構(gòu);由于基坑較窄,坑底隆起變形呈“中間大兩邊小”的形態(tài)。

(2)基坑臨界失穩(wěn)狀態(tài)下,建議將圍護結(jié)構(gòu)水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值。設(shè)計安全等級為二級和三級的基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形的控制參考值分別為 2.62%H和3.24%H。

(3)基坑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求時,建議將圍護結(jié)構(gòu)水平變形與基坑深度比值的平均值作為控制值的參考值。設(shè)計安全等級為二級和三級的基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形的控制參考值分別為0.8%H和0.93%H。