深基坑围护结构水平位移变形分析

引言

地铁建设必然涉及超深基坑的开挖，超深基坑开挖带来的变形问题一直是研究的热点与难点，这与其中很多复杂的不确定因素有关，如土层的不规律分布，土体结构的复杂性，地下水的渗流作用，土体与支护结构的共同作用等。基坑变形带来的最直接表现就是周围土体的不均匀沉降、围护结构的变形，进而导致周围建筑物的沉降与倾斜以及路面开裂。围护结构与基坑变形有着直接关系，因此加强对基坑围护结构变形的观测与研究有重要意义。
虽然南京已经初步有地铁超深基坑开挖经验，但南京地区地质复杂，每个区域都有不同的地层构造。本文以南京地铁3号线常府街站为工程依托，结合有限元分析软件，对南京地铁常府街站基坑围护结构的水平位移变形情况进行分析，得出不同围护结构厚度对基坑围护结构水平位移变形的影响。由于实际监测数据具有较大的离散型，故在此采用数理统计的方法对现场监测资料进行整理和归纳，并将模拟结果与现场资料结果相比较，得出该车站基坑围护结构的水平位移变形规律，为以后该地区超深基坑的设计与支护及施工提供借鉴。
1工程概况
常府街站位于常府街与太平南路路口南侧，车站沿太平南路设置，为地下2层岛式车站，半盖挖顺作法施工。车站全长199.8m，标准段基坑开挖深度约17.28m，宽约20m，支护结构采用800mm厚地下连续墙+6道支撑，其中第1道为900mm×1000mm的混凝土支撑，其余5道为Φ609mm，厚度t=19mm的钢支撑。
常府街站深基坑的土层分布主要由填土(填杂土，素填土)，粉质黏土，淤泥质泥炭，砂土以及强、中等风化岩构成，其中土层的厚度分别为10，9，8，9，10m深。
2地下连续墙水平位移数据统计分析与数值模拟
常府街站基坑围护结构采用0.8m×40m地下连续墙，插入比约为0.8，地下连续墙下端嵌入岩层(中等风化岩)4m。
对于墙趾进入硬土或风化岩层的围护结构，围护结构底部基本没有位移，而对于墙趾位于软土中的围护结构，当插入深度较小时，墙趾出现较大变形，呈现出“踢脚”形态。根据工程经验和模型验证，随着深层土体的不断开挖，墙体最大水平变形也随之下移，最大水平位移总是出现在开挖断面附近，整体变形呈现“大肚形”。WooandMoh对台北地区27个基坑的统计发现，墙体最大水平位移都出现在开挖面下一点的位置，李琳和徐中华的统计结果也表明一般基坑的最大变形位置都位于开挖面附近。
本文取3个基坑墙体深层水平位移监测点ZQT20，ZQT22，ZQT23进行资料统计分析，墙体深层水平位移监测点在基坑的位置分布如图1所示。


2.1同一测点不同开挖阶段的变形情况
对于单支撑或多支撑的基坑围护结构，在进行支撑施作(或未达到设计强度)前的挖土时，围护结构的变形与自立式围护结构变形类似，可将管底作为基准点。但当顶层支撑施作后，情况就发生了变化，此时管顶的变形受到了限制，而原先作为基准点的管底则随开挖深度的加大逐渐发生变形，因而应该将基准点转至管顶，由上而下累计某深度的变形值，直至开挖结束。
ZQT20测点有效测斜深度为25.5m，由于基坑支护结构是多支撑结构且第1道支撑为混凝土支撑，刚度较大所以顶部变形为0，绘制ZQT20测点随基坑开挖深度变化曲线如图2所示。


由图2可以看出，在基坑开挖到底时，最大变形位置出现在坑底(17.28m处)附近，约19m处，在开挖深度的1.1倍处，从开挖伊始位置到开挖断面变形不断增大，从开挖断面往下，墙体变形开始不断往回收缩。阶段4是刚开挖到设计标高的测斜曲线，阶段5是10d之后的测试值，阶段5与阶段4相比，最大变形位置基本没有改变，但是随着坑外土体对墙体的持续作用，最大值略有增加。Ou研究台北软土深基坑工程实例，发现具有高稳定性系数的围护结构最大侧向变形为(0.2%～0.5%)H。ZQT20测点最大水平位移为102.32mm，深度为25.5m处变形为76.41mm，最大侧向变形约为0.59%H，略大于Ou统计的台北的0.5%H，这可能是南京与台北地质不同造成的。
2.2同一开挖深度下不同测点的变形情况
墙体测斜点ZQT22，ZQT23有效测斜深度分别为23.0，24.5m，测得ZQT20，ZQT22，ZQT23在开挖即将完成时的变形曲线如图3所示。


根据图1中3个测点所处的基坑位置，结合图3可以发现，同一开挖深度变形大小:ZQT20＞ZQT23＞ZQT22，即靠近基坑边中间位置的测点，其在同等深度下的变形要大于靠近端头位置的测点。
2.3地下连续墙水平位移的数值模拟
由于现场试验验证基坑围护结构变形困难较大，代价较高，故一般采用数值计算方法进行模拟分析。Lambe指出工程经验和数值计算是理解深基坑行为的两个最有效方法，Long提出利用当地几个可靠工程的监测数据可以分析总结围护结构与周边土体的变形规律，王建华等采用不同土体本构模型分别模拟基坑开挖过程，发现HS模型能够较好地反映深基坑的变形特性。
1)拟合墙体测点ZQT20变形情况
用PLAXIS根据地质勘探的土层数据，将薄层土层或参数相近的土层进行合并以简化土层分布，土层分布以及土体参数如表1所示，设置模拟类型为平面应变，根据平面应变的假设，ZQT20测点所在位置较符合，故本次模拟结果用来拟合ZQT20测斜曲线。本次模拟，土体采用HS本构模型，地下连续墙采用弹性模型。由于接触面的强度参数一般要低于与其相连的土体强度参数，该软件考虑用一个折减系数Rinter来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和黏聚力之间的关系，各土层的接触面参数Rinter亦在表1中给出。


建立有限元模型如图4所示，开挖完成后土体位移云图如图5所示。




现把ZQT20实测值与模拟值相对比，如图6所示，发现拟合值能很好地反映出实际值的变化，采用HS模型模拟的最大值与实测值最大值几乎处在同一深度，且模拟值要略小于实测值，可能与该地区土质偏软有关。模拟值在墙脚处出现“踢脚”现象，墙脚向基坑内移动约6.82mm，在墙顶处向基坑外移动了约－5.28mm。



根据图6的模拟曲线和实测曲线的对比，可以认为该软件能够较好地模拟常府街基坑地下连续墙的变形情况。
2)改变围护结构厚度对地下连续墙变形的影响
基坑的开挖深度、地下连续墙的等效厚度d、插入比、地下连续墙所处的土层条件都会影响地下连续墙的变形，基坑开挖越深，变形越大;地下连续墙等效厚度d，根据上海地铁车站或宽20m左右的条形深基坑工程经验，围护墙厚度一般采用0.05H(H为开挖深度)，插入深度一般采用0.6～0.8H。常府街基坑地下连续墙厚度约为0.046H，相对于工程经验所给的0.05H偏小，但其插入深度达到1.2H且嵌入了岩层，保持其他条件不变，改变地下连续墙厚度分别为0.023H(0.4m)，0.029H(0.5m)，0.037H(0.64m)，0.058H(1m)，0.069H(1.2m)，0.081H(1.4m)时对应的地下连续墙变形曲线如图7所示，显著曲线如图8所示。




由图7可以看出，不同的围护厚度对最大变形有着显著的影响，以墙体侧向变形为y轴，地下连续墙深度为x轴，整个曲线走势类似正态分布的概率密度函数f(x)，对称轴约为u=aH，其中a为开挖深度修正系数，根据不同工程地质取0.8～1.2倍的开挖深度H，常府街站的a=1.1。增加围护结构的厚度对最大变形位置没有影响，最大变形位置几乎处于同一深度，也几乎收缩在同一位置，但随着厚度增加，最大变形一直以不同的程度在减小。
由图8可知，整条曲线分布大致可以用双曲线y=k/x来拟合，0.6～1.2m之间k=xy约为79.1，也就是说，在该区域或者与该区域土层等条件相同或相近的区域，在已知地下连续墙设计厚度的前提下，对围护结构的最大侧移值可以初步预估。围护结构厚度在0.4～1.2m，随着地下连续墙厚度的增加，对墙体最大变形的抑制作用非常显著。常府街站设计厚度为0.8m，按照上海工程经验应该是0.864m(0.05H，H=17.28m)厚，根据监测结果来看，变形较设计预估值也偏大。从1.2m以后，再增加等量的厚度，抑制效果较前段曲线已不显著，也就是说在实际工程中的“性价比”降低了，除非是在对基坑变形有严格要求的区域，否则增加地下连续墙厚度意义已经不大，如再要进一步降低变形，最好从其他方面考虑。
3结语
1)本文根据常府街部分测点监测数据，验证了围护结构最大侧移值出现在开挖断面附近，ZQT20测点最大水平位移最大侧向变形约为0.59%H，略大于Ou统计的台北的0.5%H。并发现对于地铁这样的狭长型基坑，靠近基坑长边中央的测点在同一深度下侧向变形要大于靠近短边的测点变形。
2)根据实际地质勘测数据，用有限元软件PLAXIS2D拟合了ZQT20测点的变形情况，拟合结果良好。
3)在结论2的基础上，改变围护结构的有效厚度，来模拟观察围护结构的最大侧移变化曲线，并发现在不同的厚度下，曲线呈现类似正态分布密度函数曲线，其对称轴约为u=aH，常府街站的最大侧移位置在19m处，即a=1.1。
4)不同厚度对围护结构最大侧移影响的显著曲线可以大致可以用双曲线y=k/x来拟合，常府街地区围护结构厚度在0.6～1.2m时，k=xy约为79.1，根据此结果可以结合设计围护结构厚度值，预估最大侧向变形，以做好防范措施。