深基坑开挖过程中土体位移变化的模拟分析

罗庆林,王 松,朱永强

(淮南联合大学 建筑与艺术学院,安徽 淮南 232038)

深基坑工程近些年来不断增加,该工程主要包括基坑的开挖和基坑支护两方面的内容[1]。在基坑的开挖过程中会造成土体的位移,当位移超过一定的幅度和增加速度时,就会造成基坑坍塌。根据基坑的开挖深度对基坑划分等级。一级基坑为基坑周围有历史文物或者重要管线以及开挖深度大于10m的基坑。二级基坑为7～10m的开挖深度。三级基坑是开挖深度小于7米或无特别需求的基坑。为了控制基坑变形和验证基坑开挖方案的可行性,需要对开挖过程中的基坑做好现场监测。如表1所示,一级基坑的地表竖向位移不超过3cm,周围结构的位移不能超过3cm和5cm;二级基坑地表竖向位移不超过6cm,周围结构的位移不能超过6cm和8cm;三级基坑地表竖向位移不超过8cm,围护结构顶部及墙体最大位移分别不得超过8cm和10cm。

表1 基坑监测位移的最大值

目前在这方面的研究比较多,宋辰辰利用MIDAS/GTS模拟了地铁施工基坑有支护结构的开挖过程,通过模拟得出基坑周边的围护结构其水平移动速度,在刚开始的时候位移速度显示是增加的趋势,随后速度减慢并稳定下来[2]。李明瑛,曾朋等对有桩锚结构的深基坑进行模拟分析,得到结论是由于主动土压力增大,造成支护结构锚杆出现水平移位现象,并且水平位移不断增加直至基坑内的土压力趋于稳定后,支护结构锚杆不再增加水平位移[3]。温孟瑶,刘杰等先通过现场监测获得基坑边坡X方向和Y方向的水平位移量,再用模拟软件分析,最终得到的模拟数据和现场监测时的数据基本保持一致的结论[4]。

1 深基坑变形机理

除了在深挖基坑的过程中要保证安全、稳定外,还要保证在开挖过程中,周围已有的设施不能受该基坑开挖的影响。如果基坑开挖在土质比较好的地方,比如硬塑黏土、软岩等,那么基坑变形所带来的周围土层位移可以控制在适当的范围内。反之,如果基坑开挖在地质比较复杂的软土地区时,往往会带来较大的基坑位移,这样对附近设施都会造成较大的安全隐患。在基坑开挖方案设计上,由过去的主要控制强度向主要控制位移转变,所以控制基坑的位移意义重大。

一般来说,基坑底部凸起主要是因为开挖时所造成的。坑内土体和坑外土体形成位移高度差,再加上基坑边坡堆放的建筑材料和机械所带来的荷载,当荷载超过一定限度时就会造成基坑周围的土体向坑内移动,产生了基坑底部土体竖向位移。其中坑底隆起最主要的特点就是在坑底中央位置隆起的高度最高,随着开挖的停止,坑底的隆起的速度也将降低,并且随着时间的流逝,坑底隆起将缓慢下降,转而基坑坑底变为中间低两边高的形状。基坑的结构变形主要在开挖时,因为减少了上部荷载,由此造成基坑周围两侧的压差,破坏了原基坑的应力场以及地下水等土体环境,使基坑土体产生位移,造成结构发生变形。基坑四周位移主要是因为基坑在开挖过程中土体减少,土体外侧承受主动土压力,内侧承受被动土压力,造成基坑内外侧向压力失衡,在开挖面以下的土体受被动土压力的影响向坑内产生水平位移,使基坑四周出现位移变形。在深基坑的开挖过程中,由于土体的流变性,基坑暴露在坑底一段时间以后,基坑也会产生位移,以至于引起基坑表面土体的竖向位移,所以基坑在开挖完以后,如果不能及时地进行基坑底部浇筑,那么土体的流动性也会增加基坑内的被动土压力,同样会使坑外的土体向坑内移动以及地表竖向位移加大。另外如果地下水或者雨水进入基坑内并且没有及时地排出,会降低土体强度,增加土体和周围地层的位移[5-6]。

基坑变形产生的危害较大,可以通过加固基坑内外的强度和刚度来进行位移控制。在基坑外采取加固措施往往花费较多的代价并且还要受到已有设施的影响,施工难度较大,所以一般情况不采用,而通过加强坑内土体的强度和刚度以达到控制基坑变形是目前最合适的方法[6],比如在基坑内加设钢支撑或者基坑打桩以及基坑坑壁四周打入锚杆并灌浆的方式进行基坑内土体加固,达到了安全施工的目的。

2 工程概况

本工程为某地32层的高层建筑物,基坑开挖深度为9.6m,宽度为22.5m。基坑附近无其他设施,并且不考虑地下水的影响。通过查阅相关地质资料可知,地下土层分布情况及各层土物理力学性质,如表2所示。第一层杂填土厚度为2.6m,第二层淤泥质土厚度为1.7m,第三层粉土厚度为5.3m。

表2 各土层主要物理力学性质参数

2.1 施工现场测点布置

为了监测基坑中土体的水平和竖向位移的变化情况,需要对现场的基坑布置监测点,同时布置监测点时,要考虑基坑周围的设施和结构。

(1)基坑周围水平位移及沉降观测

布置测点的目的是监测基坑土体顶部的水平位移及垂直位移变形情况。在基坑顶部边缘埋设观测点,约15～30m布设一个测点,编号为W1至W11[7]。

(2)基坑底部沉降位移观测

采用钻孔置入法将监测点设置在基坑的上部,本工程共设置8个监测点编号为D1至D8,监测点的位移超过一定幅度,那么基坑开挖将不安全[8]。

2.2 监测频率

监测时间从正式进场后开始至地下结构物达到设计标高且回填土完成时结束。观测周期、次数的确定根据不同基坑的土质特点和施工支护情况而定,原则上各项目在基坑开挖前应测量初始值且不少于3次[9];随后依据不同的施工阶段确定现场监测应间隔的时间。支护结构在开挖阶段的变形情况每天测量一次[10];压实或浇筑好底板后,每3天进行一次测试,并可逐步延长。预计基坑监测总次数约30次,监测工期预计约3～4个月[11]。

2.3 应急措施

在深基坑开挖的过程中,需要采取一些措施来保证基坑开挖的安全性,如在坡顶卸去一些荷载,以减少对基坑的扰动;也可以通过往裂缝处灌浆的方法来进行加固;同时坡脚反压土堆和砂包[9]以及修改支护方案等措施进行加固[12]。

3 建立MIDAS模拟模型

首先按照地质勘察资料将模型分为三层,第一层为杂填土,第二层为淤泥质土,第三层为粉土。在建立模型时,模型的长度和宽度为真实基坑的两到三倍以上,高度为真实基坑的三倍以上,故模型宽度为70m,长度取90m。基坑开挖位于整个模型的正中央,边界设定为自动设置,荷载只受重力影响,如图1所示。

图1 基坑开挖边界荷载示意图

由于本次研究是模拟整个开挖过程,所以需要定义施工阶段。第一阶段为“原场地”激活开挖“杂填土”“淤泥质土”“粉土”所有网格以及荷载和边界条件。第二到第四阶段依次钝化各层开挖的土体,最后完成整个分析过程[13]。

4 监测数据和模拟结果分析

整个通过MIDAS建立的模型在划分网格时,采用四面体划分,并且在相应位置设置约束。在整个模型中从基坑表面到坑底选取8个节点为研究对象,通过节点的位移变化来研究深基坑在开挖过程中土体的位移规律。第一阶段开挖到第三阶段深基坑开挖显示水平位移结果,如图2-图4所示。

图2 第一阶段基坑水平位移

图3 第二阶段基坑水平位移

图4 第三阶段基坑水平位移

4.1 深基坑开挖水平位移分析

(1)基坑第一阶段开挖的最大水平位移为6.4mm,实测值7.5mm。第二阶段的最大水平为11.40mm,实测值12.53mm。第三阶段的水平位移为14.70mm,实测值15.62mm。如图5所示。

图5 不同阶段开挖基坑最大位移

从数据上可以看出,随着基坑的开挖,基坑中最大位移出现在基坑侧壁位置,其中土体的水平最大位移随着开挖阶段在增大。这主要是由于土体不断开挖,造成土体侧向受力不平衡,土体通过移动来达到新的平衡。在施工过程中可以使用锚杆以增加基坑结构的安全性,为了增强效果可以选择杆件强度较大或者浇筑强度较高的混凝土等方式来进行加固。

(2)根据选取不同深度节点的位移情况,得出在深基坑开挖过程中,节点水平位移随基坑深度不断增加,并且增加的幅度也在加大,随后位移增加相对减少,位移最大值发生在基坑侧壁中下部,同时基坑监测实际值和模拟值变化趋势一致,如图6所示。另外,基坑中某一个确定节点位移也会随着开挖深度的增加而增大,如图7所示。

图6 不同深度基坑水平位移

图7 同一节点不同深度的水平位移

4.2 深基坑开挖竖直位移分析

在深基坑开挖过程中,基坑会出现不同程度的竖向位移。第一阶段最大竖向位移为58.15mm,实测值为60.12mm;第二阶段最大位移为101.77mm,实测值110.58mm;第三阶段最大位移为141.91mm,实测值为139.45mm,如图8所示。随着基坑被挖开,基坑内出现的竖向位移也越来越大,并且基坑中竖向位移的最大值在基坑底部。

图8 不同开挖阶段基坑竖向位移

在开挖过程中,基坑底部会有凸起现象。主要是基坑上面的土体被挖开以后造成的,上部卸去了荷载,引发底部基坑土体反弹,同时基坑周边的土体在自重作用下对土体进行挤压,从而在坑底产生隆起的现象。当基坑开挖较浅时,基坑隆起的最大位置在基坑底部,如图9和图10所示。

图9 第一阶段基坑竖向位移

图10 第二阶段基坑竖向位移

当基坑继续开挖,基坑隆起的最大位置逐渐由中间位置变为基坑坑底中央两边,最终变为中间小两边大的形状,如图11所示。在开挖的第一到第三阶段会在地表位置产生不同程度的竖向位移。离基坑较近的位置,地表产生的竖向位移较大;离基坑较远的位置,地表竖向位移很小。

图11 第三阶段基坑竖向位移

结语

(1)采用现场监测和数值模拟两种方式,得出的结论近乎一致,可以证明结论的准确性,同时也表明MIDAS模拟基坑开挖的可行性。

(2)在深基坑的开挖过程中,基坑中不同节点处,水平位移随着开挖深度的增大而不断增加,随后位移增加相对减少,位移最大值发生在基坑侧壁中下部;基坑中某个确定节点位移也会随着开挖深度的增加而增大。

(3)基坑中出现的竖向位移随着基坑开挖过程不断增大,并且基坑中竖向位移的最大值在基坑底部。当基坑继续开挖,基坑竖向位移的最大位置逐渐由中间位置变为基坑坑底中央两边,最终变为中间小两边大。另外,地表位置也会产生不同程度的竖向位移,离基坑较近的位置,地表产生的竖向位移较大;在基坑较远的位置,地表的竖向位移较小。

(4)研究过程中未考虑地下水以及基坑支护的影响,在后期的研究中,将会探讨这些影响因素。