近海淤泥地层基坑工程变形研究

2022-03-01胡世英

广东水利水电 2022年2期

胡世英

(广东城华工程咨询有限公司，广州 510660)

1 概述

随着中国经济的高速发展，城市建设的不断推进，越来越多的人口涌入沿海的大中城市，因此不可避免地造成交通堵塞、环境污染等一系列问题。地铁作为一种经济、方便、快捷的交通工具，有效地疏导地面交通，提高了通勤效率，深受民众的喜爱，因此，在近几年，沿海的大中城市掀起一股兴建地铁的热潮[1-3]。近海地区大范围分布着淤泥土层，这是一种典型的软粘土，往往具有高压缩性、低渗透性、高含水率和低强度等特性，因此在基坑开挖中往往要面临着比一般工程更复杂的施工环境，对于地质勘察的要求也有很高的要求[4-9]。周冠南[10]以某一软弱地层基坑为工程背景，分析了基坑开挖过程中的时空效应，结果表明基坑开挖中的长坑效应和边角效应很明显，围护结构的中部侧向位移最大。刘建强[11]等通过数值模拟方法模拟深圳某一地铁基坑的施工过程，结果表明基坑开挖的影响范围为基坑周围40 m内，基坑周围土体出现沉降槽，距离基坑约10～15 m。陆宏敏[12]等对淤泥土层基坑的支护桩的种类、桩长和桩间距等参数进行敏感性分析。

本文以沿海某地区新建地铁基坑为工程背景，利用岩土工程数值模拟软件geostudio，对淤泥地层基坑开挖过程进行数值模拟，分析基坑在开挖过程中应力场、渗流场、周围地层的沉降规律、基坑表面的变形特征以及灌注桩支护结构的侧向变形，为类似土层的基坑开挖工程提供参考依据。

2 基本原理

2.1 饱和-非饱和渗流理论

基坑开挖过程中，基坑周围地下水不断渗入基坑底部，二维的饱和-非饱和的渗流控制方程如下[13]：

(1)

式中：

kx、ky——土体在水平方向和竖直方向的渗透系数；

Q——施加的边界流量；

ρw——水的密度；

mw——比水容重；

t——时间。

2.2修正剑桥模型

基坑开挖过程中，土体的应力应变会发生很大的变化，修正剑桥模型采用联合流动准则，意味着屈服函数F和势函数P是相同的[14]。函数方程见下式：

F({σ′},{k})=P({σ′},{m})

(2)

式中:

q-p′应力空间M临界状态线的斜率按下式计算：

(3)

式中：

Φ′——临届状态摩擦角。

3 计算模拟

3.1 计算模型及边界条件

沿海某地区新建地铁站地基土主要为淤泥质土层，基坑开挖宽度为24 m，开挖深度为16 m。基坑支护采用钻孔灌注桩和6道支撑，围护结构采用Φ609钢管内支撑，基坑挖深16 m(冠梁顶部至基坑底)；东西端头为4道钢管支撑，挖深16～17 m，钻孔灌注桩尺寸为Φ1 100 mm@1 500 mm，桩间距在允许范围内可根据现场情况做微小调整。

基坑分7步进行开挖：第1步开挖至地下2 m，第2步开挖至地下4.5 m，第3步开挖至地下7.5 m，第4步开挖至地下10.5 m，第5步开挖至地下12.5 m，第6步开挖至地下14 m，第7步开挖至地下16 m。每开挖一步，就对基坑进行钢支撑，共设6道钢支撑。为了研究方便，沿灌注桩高度方向，每隔1 m设置1个位移监测点。本工程需要监测桩顶的水平位移和竖向位移，桩顶位移监测点沿着基坑周围每隔2 m左右布置1个，一般布置在支护桩冠梁边上，并且主要布置在基坑四周的中部或者阳角附近，因为这些部位是基坑开挖时，变形较大的位置。本工程桩顶位移监测布置28个监测点，并且对于观测基坑的水平位移和沉降位移共用相同的监测点。

基坑的典型剖面如图1所示，模型尺寸如图2所示，由于基坑沿中心轴线对称分布，所以取整个模型的一半进行分析。模型长为60 m，高为40 m，全局单元尺寸为1 m，共划分2 622个节点，2 520个单元。

图1 基坑典型剖面示意

图2 基坑模型示意

边界条件：对模型的左边界和下边界施加x向和y向位移约束，对模型的右边界施加x向位移约束，对模型上边界不施加约束。对钢支撑的右端点施加x向和y向位移约束。

3.2 土体参数

近海淤泥地层本构模型选用geostudio中的修正剑桥模型(耦合孔隙水压力变化)，根据岩土工程勘察报告，各土层的物理力学参数见表1所示。

表1 土体物理力学参数

在geostudio数值模拟中，灌注桩采用结构梁单元，钢支撑采用结构杆单元，主要力学参数见表2所示。

表2 结构单元参数

3.3 计算步骤

① 初始地应力计算;

② 基坑开挖前的地面附加应力计算；

③ 第1步开挖，计算完成后进行钢支撑；

④ 第2步开挖，计算完成后进行钢支撑；

⑤ 第3步开挖，计算完成后进行钢支撑；

⑥ 第4步开挖，计算完成后进行钢支撑；

⑦ 第5步开挖，计算完成后进行钢支撑；

⑧ 第6步开挖，计算完成后进行钢支撑；

⑨ 第7步开挖。

4 计算结果分析

4.1 初始应力计算

由图3可知，基坑开挖前，地层土的初始应力从上到下线性增大。图3b为灌注桩上监测点高程与总应力的变化曲线。可以看出，监测点的水平应力沿高程每增加1 m，减小12.5 kPa；竖向应力沿高程每增加1 m，减小16.8 kPa。这说明每开挖1 m地基土，相当于向上产生16.8 kPa的竖向应力，此时，基坑表面会出现隆起现象。由于开挖力与初始应力直接相关，所以计算准确的初始应力为后续计算提供可靠的依据。而且，由于在开挖过程中，基坑外的地下水位保持不变，所以也会对大大增加地基土的总水平应力，本次计算也考虑到这一点。

a x向总应力云图

a 初始应力场云图

4.2 开挖结束总应力场

图4为基坑开挖结束后基坑周围土体的水平向和竖向总应力场分布云图。从图4b可以看出，基坑开挖结束后，远离基坑区域的土体的应力场变化比较小，几乎保持不变，基坑灌注桩周围的土体应力有较大的变化，特别是竖向总应力。灌注桩附近的应力呈现出漏斗型分布状，而且应力等值线分布比较密集，说明该处可能出现应力集中现象。

4.3渗流场分析

图5a为基坑开挖结束后基坑周围渗流场分布示意，图5b为灌注桩附近监测点的孔隙水压力在开挖过程中的变化曲线示意。

a 开挖结束后渗流场云图

由图5a可知，基坑开挖结束后，基坑外的孔隙水压力几乎保持不变，基坑以下土层的孔隙水压力遵循一般的孔隙水压力分布规律。由于灌注桩不透水，基坑外的地下水绕过桩底渗入到基坑底部，图中箭头表示渗流水的流速大小。可以看出，渗流水经过桩底时流速最大，离桩底越远的地方，渗流水的流速越小。这是因为桩底和土层之间的渗透系数差别较大，两者之间存在接触冲刷现象，但是由于流速较小，不会对结构产生较大的影响。

由图5b可以看出，灌注桩附近的监测点孔隙水压力沿高程方向在开挖过程中呈现出逐渐减小的趋势。在基坑未开挖时，监测点的孔隙水压力沿高程方向呈线性比例关系，随着开挖的进行，最上部的监测点孔隙水压力沿高程方向呈线性减小的趋势，中部监测点的孔隙水压力沿高程呈非线性减小，下部监测点又呈现出线性减小的趋势。对比监测点初始孔隙水压力和基坑开挖完成后的孔隙水压力可知，最下部的监测点从283.93 kPa减小到201.11 kPa，减小30%。这是因为随着基坑的开挖，基坑内的水位不断下降，基坑外的水位高，在重力的作用下，基坑外地下水不断流向基坑内，使得基坑外的水位不断降低。

4.4 地表沉降

图6a为基坑开挖结束后基坑内外土层竖向位移变形网格示意，图6b为基坑外地表面监测点在不同开挖阶段的变形曲线示意。由图6a可知，基坑开挖结束后，基坑外地表出现沉降，基坑内地表出现隆起。从图6b可以看出，在基坑未开挖前施加附加荷载后，基坑外地表出现1 cm的沉降，靠近灌注桩顶部的监测点出现向上的位移。随着开挖的进行，基坑外地表监测点的沉降不断增大，呈U型沉降。基坑开挖结束后，地表最大沉降值为12.1 cm。这是因为随着基坑的开挖，基坑外部的孔隙水压力不断减小，土体的总应力减小，土体出现沉降。

a 开挖结束模型网格变形示意

4.5 桩水平位移

图7为基坑开挖过程中灌注桩监测点水平位移变形曲线示意，由图7可知，在第1步开挖结束后，灌注桩沿高程位移呈先增大后减小的变化趋势，总体呈弓字型分布，最大位移为0.015 m。对基坑开挖部分进行钢支撑维护后，支撑点以上桩顶位移向背离基坑方向增大，而且监测点高程越高，位移越大，最大位移为0.02 m。随着第2步的开挖，开挖土所在桩体的水平位移急剧变大，由原来的0.01 m增大到0.034 m，但是第1根钢支撑上部的桩体位移相对较小。随着基坑的开挖—支撑的进行，灌注桩的水平位移最大值位置不断下降，最大值几乎保持不变。灌注桩的最上部位移也不断向基坑靠近，但是变化值很小。灌注桩最下部的位移不断增大，到基坑开挖结束后，最下方的水平位移为0.008 m。可以看出，在基坑开挖过程中，由于基坑土的移除，基坑侧向土压力不断增大，钢支撑后，侧向土压力被钢支撑轴力抵消，使得侧向土的水平位移控制在一定范围内，保证基坑开挖施工过程的安全性。

图7 灌注桩侧向位移示意

4.6 坑底竖向位移

图8为每开挖完1步，基坑表面监测点的竖向位移变化曲线。由图8可知，基坑左右脚监测点的变形很小，中间监测点变形最大，基坑表面土体总体呈现倒U型的变形规律，而且随着开挖深度增加，基坑表面的竖向位移变大。例如，开挖完第1步后，基坑表面的最大竖向位移为0.04 m，开挖结束后基坑表面的最大竖向位移为0.22 m，增大450%。这是因为土层埋深越大，该处的初始应力也越大，当上部土体被移除后，由于应力释放，使得基坑表面出现竖直向上的位移也越大。