圆砾地层深基坑坑角效应对邻近建筑物变形的影响*

2024-02-22魏建发田发派马少坤

城市轨道交通研究 2024年2期

魏建发周颖田发派马少坤,3,4 黄震

(1.中国中铁一局集团有限公司第三工程分公司,721003,宝鸡; 2.广西大学土木建筑工程学院,530004,南宁;3.广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室,530004,南宁; 4.广西防灾减灾与工程安全重点实验室,530004,南宁)

在基坑坑角效应影响下,坑角处的围护结构变形差异显著,建筑物沿基坑各方向会产生不同的沉降值,坑角效应对圆砾地层的影响尤为显著,极易造成建筑物破坏。因此,研究圆砾地层的坑角效应对邻近建筑物变形的影响具有一定的工程意义。

基坑坑角效应表现为:在邻近基坑坑角处,基坑的变形很小,但随着基坑距坑角距离的增大,基坑的变形逐渐增加。文献[1]研究了上软下硬地层中,基坑的空间效应。文献[2]结合18个砂卵石地层的地铁车站实测数据,获得了基坑的整体变形模式,并根据基坑长度定量划分坑角效应影响区域和平面应变区域。文献[3]的研究结果表明,邻近坑角附近的建筑物在沿基坑和垂直于基坑方向均会发生不均匀沉降,呈现出三维沉降形态。文献[4]结合现场实测数据,以建筑物沉降、倾斜、扭转和不均匀沉降作为建筑物变形评价指标,分析邻近坑角的建筑物变形评价指标在基坑开挖过程中的变化规律。文献[5]分析了距坑角、坑边不同距离处建筑物的墙体沉降、相对挠度和拉应变的变化情况。坑角效应对于建筑物的影响是有一定范围的,现有研究均未考虑在坑角效应影响范围内,建筑物的变形特征差异性。

圆砾地层的工程特性介于岩石与土之间,但针对圆砾地层的基坑坑角效应鲜有研究。基于此,本文以南宁轨道交通5号线广西大学站的车站深基坑为例,分析地下连续墙(以下简称“地连墙”)的实测数据,以获得圆砾地层坑角效应的影响范围。在此基础上,建立基坑三维有限元数值模型,分析在不同地连墙水平位移作用下,距坑角及坑边不同距离的建筑物变形特征。

1 工程案例分析

1.1 工程概况

南宁轨道交通5号线广西大学站为地下三层岛式车站,车站主体结构总长156 m,标准段宽为22.6 m,基坑深度为25.5～28.5 m。基坑周边建筑物密集,其中星光老年服务中心位于基坑南右侧坑角附近,为6层独立基础框架结构,建筑物尺寸为19.1 m(长)×16.4 m(宽)×18.0 m(高),层高3 m,距基坑约为13.5 m。

1.2 支护结构设计与监测

广西大学站车站基坑的支护结构采用厚为1 000 mm的地连墙加内支撑支护方式,地连墙深度为33.4 m。第1道混凝土支撑尺寸为800 mm×900 mm,第3道混凝土支撑尺寸为900 mm×1 000 mm,第2道和第4道为φ609 mm,壁厚为16 mm的钢支撑。4道支撑的中心标高分别为-1.50 m、-7.45 m、-15.35 m和-21.35 m。基坑支护结构剖面示意图如图1所示。基坑周边环境复杂,根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》,基坑及周边建筑物的监测点布置示意图如图2所示。

图1 基坑支护结构剖面示意图

注:D为地面沉降监测点;ZQT为地连墙水平位移监测点。

1.3 监测数据分析

以南边右侧和北边右侧基坑坑角为原点,距坑角不同距离的地连墙水平位移如图3所示。由于坑角效应的存在,距基坑坑角附近的地连墙水平位移均较小,地连墙最小水平位移值位于坑角测点ZQT2和ZQT26处,其最小值分别为3.29 mm和3.82 mm。随着地连墙距坑角距离的增大,地连墙水平位移逐渐增大,呈现出典型的内凸式变形模式,地连墙最大水平位移出现在基坑中部测点ZQT7和ZQT21处,地连墙最大水平位移值分别为18.44 mm和13.31 mm。相较于坑角附近,基坑中部的地连墙最大水平位移增量分别为82.2%和71.3%。当地连墙距坑角距离继续增大时,因受到左边坑角效应的约束,地连墙水平位移逐渐减小。

坑角效应影响范围示意图如图4所示,其中:α为图4所示截面的最大位移/基坑中所有截面位移中的最大值;β为地连墙与坑角距离/基坑深度。随着地连墙逐渐远离基坑坑角,α不断递增,基坑南侧与北侧曲线变化速率存在一定的差异性,但均在与坑角距离2.8H(H为基坑开挖深度)位置处出现转折点。之后地连墙最大水平位移逐渐递减。该基坑的坑角效应影响范围为2.8H,与文献[6]的研究结果,坑角效应的影响范围约为基坑开挖深度的3倍较为接近,说明该基坑圆砾地层具有显著的坑角效应,且坑角影响范围约为2.8H。

图4 坑角效应影响范围示意图

综上可知,由于坑角效应的存在,不同位置处的地连墙水平位移存在较大的差异,基坑南侧中部的地连墙最大水平位移比基坑坑角处的最大水平位移多82.2%。

2 数值模拟分析

2.1 土体本构模型

岩土工程中的土体受到扰动时,大部分区域的土体存在明显的小应变行为。基坑工程的应变量级为0.01%～1.00%,属于小应变范围。土体的HSS(小应变硬化本构)模型能较好地反映土体小应变的非线性、应力相关等特性,因此本文选取的本构模型为HSS模型。

土体力学参数如表1所示,其中:γ0.7为剪切模量衰减到初始剪切模量70%所对应的剪应变;E50为三轴固结排水剪切试验测定的割线模量;Eur为三轴固结排水剪切试验测定的加载卸载模量;Eoed为标准固结试验测定的参考应力下的切线模量。

表1 土体力学参数

2.2 数值模型

以南宁轨道交通5号线广西大学站深基坑工程为例,采用Plaxis软件建立三维有限元计算模型。为了提高计算效率,沿基坑长度方向中轴线取1/2对称部分进行有限元建模分析。基坑开挖对周边环境的影响范围为0～4H,考虑到边界效应的影响,有限元模型尺寸为264 m(长)×200 m(宽)×60 m(高)。混凝土内支撑采用梁单元进行模拟,钢支撑采用点对点锚杆单元模拟,地连墙采用板单元进行模拟,墙体与土之间的接触关系采用界面单元进行模拟。星光老年服务中心为独立基础框架结构,基础埋深为1.7 m,层高3.0 m,采用梁板单元结构进行模拟。三维数值模型进行底部约束固定,其他4个侧面设置法向约束条件,仅让模型发生竖向位移。三维有限元计算模型如图5所示。

图5 三维有限元计算模型

2.3 模拟方案

考虑到实际的坑角影响范围可能稍大于理论值,本文取圆砾地层基坑坑角效应的影响范围为3H,通过调节支撑刚度使在距坑角距离为3H处的地连墙最大水平位移分别达到15 mm(未预警)、30 mm(一级基坑预警值)、45 mm(二级基坑预警值),研究距坑角及坑边不同距离下的建筑物变形规律。具体模型参数设置为:建筑物距坑角距离L=0.25H,0.50H,1.00H,1.50H,2.00H,3.00H;建筑物距坑边距离D=0.25H,0.50H,0.75H,1.00H,1.50H,2.00H;距坑角3H处地连墙最大水平位移δhm=15 mm,30 mm,45 mm。通过设置模型参数,共建立有限元计算模型108个。

2.4 模型验证

选取测点ZQT5、ZQT3、ZQT21的地连墙水平位移实测值和模拟值进行对比,如图6所示。由于基坑顶部温度和施工荷载的影响,以及现场施工条件的复杂性,ZQT5、ZQT3、ZQT21处墙顶部的地连墙水平位移实测值和模拟值之间存在一定的差异。3个测点地连墙最大水平位移的模拟值和实测值分别为15.75 mm、8.99 mm、15.03 mm和16.12 mm、9.66 mm、13.31 mm,差异性不大,均为典型的内凸式变形模式。由此可知,所提模型的可靠性和准确性较高。

a) 测点ZQT5

3 建筑物变形分析

定义建筑物变形相关参数:AB和BC为建筑物纵墙、横墙所在位置,其不均匀沉降值为两墙体沉降最大值与最小值之间的差值;BJ为基坑开挖前建筑物所在的位置;FH和EG分别为基坑开挖后建筑物在x和y方向倾斜后的位置,两个方向上的倾斜率为二者水平位移的差值与其高度h的比值。建筑物变形示意图如图7所示。

图7 建筑物变形示意图

3.1 不均匀沉降值

不同δhm下,距坑角及坑边不同距离处的建筑物纵墙不均匀沉降值如图8所示。地连墙墙身水平位移虽不同,但距坑角及坑边不同距离下,建筑物的不均匀沉降变形规律基本一致。随着建筑物远离坑边、距坑角距离越近,建筑物的不均匀沉降值不断减小,呈现陡降式的抛物线模式。当D>1.50H时,距坑角为任意距离处的建筑物不均匀沉降值均较小。当L≥1.50H时,坑角效应影响对建筑物的约束作用逐渐减弱,纵墙不均匀沉降值相差较小。

a) δhm=15 mm

不同δhm下,距坑角及坑边不同距离处的建筑物横墙不均匀沉降值如图9所示。在不同δhm作用下,当L≥1.50H时,距坑边不同距离处的地连墙横墙差异沉降值变化不大。当L=1.00H时,随着建筑物与坑边距离的增大,地连墙横墙的不均匀沉降值逐渐增大。当D<0.50H时,地连墙横墙的不均匀沉降值逐渐减小。随着建筑物同坑角及坑边距离的变化,地连墙的不均匀沉降变化规律存在显著差异性,但当D>1.00H时,地连墙横墙的不均匀沉降值均较小。

a) δhm=15 mm

3.2 倾斜率

不同δhm下,距坑角及坑边不同距离处的建筑物在x方向上的倾斜率如图10所示。随着建筑物与坑角距离的增大,建筑物在x方向上的倾斜率不断减小。当L=0.25H和0.50H时,建筑物逐渐远离坑边,其倾斜率呈现陡降的变形趋势。当L>0.50H时,随着建筑物与坑边距离的增大,建筑物在x方向上的倾斜率呈现较为平缓的内凸式抛物线变形模式。建筑物倾斜率最大值在L=0.50H、D=0.25H位置处。进一步分析在不同地连墙水平位移下建筑物倾斜率的变形规律可以发现,随着地连墙水平位移的增加,建筑物在x方向的最大倾斜率位置未发生变化,仅在数值上发生改变。

a) δhm=15 mm

不同δhm下,距坑角及坑边不同距离处的建筑物在y方向上的倾斜率如图11所示。随着地连墙距坑角越近、距坑边越远,建筑物在y方向上的倾斜率不断减小,呈现陡峭下降的抛物线模式。在不同的δhm作用下,当建筑物在y方向上的倾斜率最大值分别为0.51×10-3、1.04×10-3、1.41×10-3时,随着δhm的增大,这三个倾斜率相对前一个倾斜率的相对增量分别为103.9%和35.6%。随着地连墙水平位移的增大,建筑物在y方向上的倾斜率变化较x方向更为敏感。