杨 骏,李夫杰,杨育僧

(1.长安大学 地球科学与资源学院,西安 710064;2.西安市地下铁道有限责任公司,西安 710000；3.中铁一局集团有限公司，西安 710054)

软土地区地铁车站深基坑施工坑外土体位移规律研究

杨 骏1,李夫杰2,杨育僧3

(1.长安大学 地球科学与资源学院,西安 710064;2.西安市地下铁道有限责任公司,西安 710000；3.中铁一局集团有限公司，西安 710054)

从土力学基本原理出发,结合岩土工程分析软件FLAC3D的三维有限差分法数值模拟分析结果及对现场施工大量监测数据和经验的总结,重点对上海和宁波两地软土地区地铁车站深基坑开挖时基坑内外土体及围护结构的位移和变形原理及规律进行分析,首次提出坑外土体位移临界面Sc、传导路径Lt及传导曲线斜率kt-curve的概念,并得出结论:坑外土体传导曲线的斜率越大,表现为地面最大沉降点的位置距离围护结构就越近,反之则越远;临界面Sc的位置随着开挖面的加深而逐步向下移动,它处于一个动态变化过程中。

软土;深基坑;围护结构;变形;传导曲线

随着我国城市化进程的加速发展,尤其是我国东部沿海软土地区城市地下空间的开发与利用成为了当前城市基本建设的热点和不可或缺的项目,在此建设过程中越来越多的深基坑工程出现在繁华的都市之中[1-2]。随着建设用地的日益紧张,越来越多的深基坑需要在城市建筑密集区内施工,而且大多邻近已有建筑物、地下市政管线设施、城市主要干道等[3]。同时,软土地区工程地质条件非常不利于深基坑施工,施工过程中围护结构及周围地层极易于变形和沉降,非常难于控制,给施工带来极大的困难和安全隐患。关于软土地区地铁深基坑施工所引起的坑外地层沉降前人已经做了大量的研究。刘建航等[1]在长期的科研与工程实践中,参照盾构法隧道地面沉降Peck 和Schmidt 公式,借鉴三角形沉降公式的思路提出了基坑地层损失法概念,并根据上海地区基坑工程实测资料分析,提出墙后地面沉降曲线可表示为

式中：x0为地表沉降影响范围；xm为坑外最大沉降点至基坑边沿距离。聂宗泉等[3]在已有研究成果和对大量实测资料分析处理的基础上,就柔性支护软土深基坑坑周地表位移场的大小及分布规律进行了进一步研究,根据上海地区深基坑施工实践,给出了软土深基坑柔性围护墙后偏态分布的地表竖向位移表达式:

式中:v为墙后任一点地表沉降量,mm;x为待求沉降点距坑边距离,m;h为基坑开挖深度;w,α,β为经验系数;SP为为沉降曲线包络面积,m·mm。后来刘晓丽等[5]经过大量研究又将坑外地表沉降曲线的正态分布模式和偏态分布模式表达式分别改进为:

式中:ymax为支护结构最大水平位移值;x0为地表沉降影响范围;x为以沉降最大值位置为原点的水平向坐标,h为基坑开挖深度,并得出将地表沉降曲线视为偏态分布模式的计算结果整体上更接近于工程实测地表沉降。但前人对软土地区深基坑开挖所引起坑外土体的位移研究只是考虑了竖直方向,也就是坑外地表的沉降,而且给出的计算也只考虑了开挖的影响,未考虑软土地区基坑施工的时空效应、降水、地层固结沉降、基坑周边的超载、内支撑预加应力、施工过程控制等重要因素的影响,也没有对坑外土体水平方向上的位移进行有效研究。所以笔者对软土地区深基坑开挖引起坑外土体的位移规律及原理进一步研究,对减少深基坑施工对周围已有建筑物与地下管线等设施产生的不利影响[6],提高深基坑施工的安全系数具有重要意义。

1 软土地区地铁车站深基坑开挖引起的位移规律

1.1 基坑开挖引起的变形及位移规律

中国软土地区地质特征以长三角一带最为典型。2009年丁勇春等[7]通过对上海某地铁车站的研究后,采用岩土工程分析软件FLAC3D,对软土地区基坑外地层位移矢量场及土体的竖向变形与侧向变形传递规律进行了三维数值模拟分析,结果如图 1所示。

图1 上海地区坑外地层变形、位移数值模拟图Fig.1 In the Shanghai area pit outside layer deformation and displacement numerical simulation diagram

为了便于研究和总结,笔者同时又采用岩土工程分析软件FLAC3D，以宁波地铁一号线某地铁车站为例进行了三维有限差分数值模拟分析。

1.1.1 三维计算模型的建立

基坑模型的构建与变形预测是基于FLAC3D的深基坑数值模拟方法实现,采用Hypermesh导入设计几何模型,并进行计算模型的网格划分,将实体单元、基坑支护结构等转化到FLAC3D中进行基坑施工过程模拟。三维整体计算模型包括基坑外土体、基坑支护结构、基坑内土体及基坑内加固体。

宁波地铁一号线某地铁车站基坑开挖(长×宽×深)尺寸分别约为180 m×20 m×16.5 m,考虑到基坑开挖对周围土体的扰动及参考实际施工时对周围的影响范围,计算三维模型尺寸取400 m×200 m×70 m。计算模型各侧边限制向基坑方向的水平位移,上边界定为自由边界,底部设定为全约束。计算模型中实体单元数为25.2万,单元节点数为3.8万,结构单元数为5.7万,网格点数为29.6万。计算结果如图2，3所示。

图2 计算模型网格整体模型图Fig.2 Mesh of the numerical model

图3 宁波地区坑外地层位移矢量图Fig.3 Ningbo area pit outside layer displacement vector diagram

1.1.2 两地之间的对比分析

通过对上海、宁波两地区地铁车站深基坑施工过程的FLAC3D 三维有限差分数值模拟分析结果的对比,可初步得出结论:宁波地区竖向最大变形点较上海地区位移量更大更靠近基坑;侧向最大变形点位移量变大且向下移动,如图4所示;坑外土体位移矢量场临界面Sc也相对侧向最大变形点向下移动,如图3所示。经分析,产生这种现象的主要原因是由不同软土地区地层物理参数如抗剪强度τf、内摩擦角φ、粘聚力c、泊松比μ的不同所致,但总体变形规律及特点两地类似。经对两地大量地勘资料的拟合平均,得出两地区主要地层物理力学性质参数平均值如表1所示。

表1 上海宁波两地软土地层物理力学性质平均参数表

图4 宁波上海两地坑外地层土体侧向位移拟合对比图Fig.4 Ningbo and Shanghai pit outside layer soil lateral displacement fitting contrast figure

1.2 对软土地区深基坑施工引起位移规律的总结

根据大量工程施工经验及对现场实测数据的分析,并结合FLAC3D 三维有限差分数值模拟计算结果得出:

1) 深基坑施工时,坑边土体的侧向变形与围护结构体变形相似,最大侧向变形点δh,max深度位于基坑开挖面附近;

2) 随着围护结构外侧土体至坑边距离的增大,坑外土体最大水平位移点δsh,max逐步向地表过渡;

3) 坑外浅层土体产生沉降,最大沉降点δv,max位于距围护结构一定距离处,一般距离为h/2～h/3,h为基坑开挖深度;

4) 基坑开挖时会产生一个临界面,如图2所示。临界面深度以上的土体总体趋向向斜下方(基坑侧)移动,而临界深度以下的土体总体趋向向斜上方(基坑侧)移动,从而引起坑外地表的沉降和临界深度以下土体的上浮隆起。

2 基坑开挖引起的位移原理解析

2.1 坑外土体发生位移的原因

在基坑开挖过程中,基坑内土体被卸载,改变了基坑内地层的原有地应力场,从而基坑内土体就会自然做出应力释放,发生应力重分配,即坑内一定深度土体的原有结构发生改变,形成新的地应力场,表现为坑内土体的回弹隆起。在土体隆起的同时,由于坑内地层结构趋于松散,强度降低,从而抵抗围护结构平衡外界主动水土压力的能力也随之降低。又因基坑开挖后,坑内土体标高降低,两侧必然产生因坑内外地层高差而形成的地层对维护结构的压力差,在此不平衡压力的作用下导致围护结构体产生纵向变形,坑外土体发生水平位移,如图5所示。

图5 基坑开挖后围护结构、坑外地表变形及坑内外水土压力分布特征曲线图Fig.5 Graph after the foundation pit excavation retaining structure、the pit surface deformation pit inside and outside water and soil pressure distribution characteristics

2.2 坑外土体的位移特点

由于围护结构发生了向坑内的侧向变形,而软土地区坑外土体又因抗剪强度低、承载力差、流变性强等自身物理特性,也必然会紧随围护结构的变形曲线发生位移,从而补充围护结构因变形而产生的物理空间,也就形成了FLAC3D三维数值模拟下产生的“坑边土体的侧向变形与围护结构墙体变形相似”的结果;另因土体本身存在一定的粘聚力和内摩擦角等自然物理属性,所以坑外地层的最大水平位移点δsh,max不可能沿着水平方向一直传递下去,而是在以重力为主导力的作用下,随着距坑边距离的增大,最大水平位移点δsh,max向地表逐渐过渡,如图1，3，6所示;又因基坑开挖后,坑外土体对围护结构产生的主动侧向水土压力随着深度逐渐变大,而坑内被动地层的抗压能力也从开挖面往下逐渐变大,且变化速率比坑外要快,如图5所示。这样,坑内外压力差最大值就发生在基坑开挖面附近。同时,由于开挖部分一般设置了内支撑(在软土地区通常第一道支撑采用混凝土支撑,且混凝土支撑强度高、压缩性小),所以维护结构体的变形产生了图5所描述的最大变形点δh,max发生在一定深度的凸鼓形曲线。这样就解释了图1，3的数值模拟结果:坑边土体的侧向变形与围护结构墙体变形相似,最大侧向变形点δh,max深度位于基坑最终开挖面附近。随着至坑边距离的增加,坑外土体最大水平位移点δsh,max的位置逐步向地表面过渡。

2.3 坑外土体产生沉降的原因

1) 内部因素。坑外地层的沉降是由两个主要内部因素导致:a.由于基坑开挖时围护结构渗漏水,使基坑外地层含水量大大减少,从而使减少含水量的地层结构发生变化。根据有效应力原理,此时有效应力增加,地应力场重新分配,地层开始产生固结或次固结作用,表现为地面下沉;b.由基坑外侧土体的水平或竖向位移,而产生地面下沉现象。

2) 外部因素。外部因素主要有施工动荷载和静荷载对坑外地层的挤压等。

2.4 对坑外土体的位移传导剖析

因基坑开挖到基底时坑外土体的最大水平位移位置发生在距地面以下一定深度范围,以相对位移概念来说,除最大位移地层外,其他地层都是相对静止的,而此时相对位移的地层为靠近基坑附近范围的土体,此范围的土体向基坑侧位移之后必须要有后续土体来补充,从而达到新的平衡。但是由水平方向的土体补充还是由垂直方向的土体来补充,三维数值模拟和实测结果证明这两者都是不客观的。而正确的结果是:因地层土体具有一定的自然属性和弹塑性变形特点,此时补充土体的主要传导路径Lt为斜向传递(既有水平方向的又有竖直方向的,即补充土体的位移矢量由水平和垂直两个分量组成)。他的传导曲线斜率kt-curve(本文以地表沉降最大点δv,max与围护结构水平位移最大点δh,max之间的连线斜率标定为传导曲线传导斜率)由地层土体的抗剪强度τf、内摩擦角φ、粘聚力c、泊松比μ等物理参数决定。如图6所示。

图6 FLAC3D对宁波地区的数值模拟结果与大量监测数值拟合坑外地层土体位移传导图Fig.6 FLAC3D to the numerical simulation results of Ningbo area and a large number of monitoring numerical fitting Pit field soil layers displacement conduction figure

对比上海和宁波地区的FLAC3D数值模拟分析结果及地层物理力学性质参数表明,土体的抗剪强度τf越小、内摩擦角φ越大、粘聚力c越小、泊松比μ越大,传导曲线的斜率kt-curve越大,表现为地面最大沉降点的位置距离围护结构就越近,反之则越远,如表2,图7所示。这样也就合理地解释了为什么前人在对坑外地面最大沉降点研究时得出了不同的结论。如Ou 等[8]根据工程实例的监测数据发现,基坑开挖时坑外地面最大沉降的位置距坑边的水平距离H2通常为基坑最终开挖深度H0的一半,即H2≈H0/2,该结论与 Nicholson[9]研究结果一致。而丁勇春[7]通过对上海某地铁车站的研究后发现,坑外地面最大沉降点位置位于距坑边 0.75H处(H为基坑开挖深度)。

表2 软土地层物理力学性质参数与传导曲线斜率kt-curve及地面最大沉降点与围护结构距离S之间的关系

图7 上海、宁波两地地铁深基坑施工坑外地面沉降拟合对比图Fig.7 Shanghai and Ningbo subway deep foundation pit outside land subsidence fitting contrast figure

2.5 坑外地层位移临界面上下土体的位移解析

从图1,2,3中都可看到一个明显的现象,在围护结构最大变形点深度附近有一个看不到且客观存在的临界面Sc(此临界面理论上因为地层土体的各向异性和不均一性或不规则性决定了此临界面不可能是一个平面,而是一个浮动不大的曲面)。在临界面以上土体斜向下(基坑侧)运动,而在此临界面以下的土体则斜向上(基坑侧)运动。临界面以上地层土体为什么斜向下位移的原因2.4节已经做了论述。至于临界面以下地层土体为什么会斜向上位移,解析如下:

在基坑开挖过程中,因基坑外一定深度以上地层会产生斜向下的位移,并伴有沉降现象发生。同时又因基坑内外地层产生高差,故导致基坑外侧一定范围内地层向基坑内侧发生水土流失。以上现象必然会造成上部一定深度的地层厚度、含水量同时降低,所以此范围内的地层总体质量也会随之降低。同时也必然会产生一个临界曲面Sc:在此曲面之下的地层,因上部土体的卸荷而发生应力场的改变。根据有效应力原理,此时临界面下部土体有效应力减小,土体发生膨胀,又因坑内外存在向内的侧向水土压力差,所以临界面下部土体总体发生斜向上(基坑侧)位移现象,直至达到新的地应力场平衡。

因基坑开挖是不断进行的,基坑的开挖面深度也会不断的间隔性加深,所以临界面的位置也会不断的变化,随着开挖面的加深而逐步向下移动,处于一个动态变化过程中。从另一个角度说,在基坑开挖过程中,临界面在不断的向下移动,而在临界面以下的地层处于斜向上位移过程中,当这部分土体处于临界面以上时,又会发生斜向下位移运动。所以,基坑开挖过程中,基坑外临界面以下一定深度范围的土体会产生先斜向上位移然后再斜向下位移的反复运动轨迹。

3 结论

对软土地区地铁车站深基坑施工引起的坑外土体位移已有很多,但是采用数值模拟方法加之理论分析的尚不多见,笔者在已有研究成果和对大量实测资料与施工经验的分析总结的基础上,采用岩土工程分析软件FLAC3D,对软土地区地铁车站深基坑施工进行了三维有限差分数值模拟并加以理论分析,提出坑外土体位移临界面Sc、传导路径Lt及传导曲线斜率kt-curve的概念,并得出结论:坑外土体传导曲线的斜率越大,表现为地面最大沉降点的位置距离围护结构就越近,反之则越远;临界面Sc的位置随着开挖面的加深而逐步向下移动,它处于一个动态变化过程中。

通过本文对软土地区地铁车站深基坑施工坑外土体位移规律的进一步研究,较以往单一的坑外土体竖直沉降规律研究具有一定的进步,并清晰地描述了坑外土体的运动规律,得出了具有实践指导意义的结论,对保护周围环境,提高深基坑施工的安全系数具有重要意义。

根据笔者目前研究结论,软土地区坑外任意点位移在整个位移过程中具有方向的不确定性,它的运行轨迹具有反复性、曲线性。其位移总的趋势是相似的,但过程受到很多外界因素的影响,如地层参数、围护结构设计、支撑力的施加、开挖进度及施工过程控制等,其轨迹复杂多变,本文还未能给出固定的计算表达式进行定量计算,有关这一问题还有待以后进一步研究。

[1] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2] Aoki A.Ground Displacement Caused by Excavation Works[M].Tokyo:Takennaka corporation,1993.

[3] 白廷辉.上海轨道交通深基坑工程新技术与实践[J].地下空间与工程学报,2005,1(4):555-557.

[4] 聂宗泉,张尚根,孟少平.软土深基坑开挖地表沉降评估方法研究[J].岩土工程学报,2008,30(8):1219.

[5] 刘小丽,周贺,张占民.软土深基坑开挖地表沉降估算方法的分析[J].岩土力学,2011,32(增刊):90-94.

[6] 吕少伟.上海地铁车站施工周围土体位移场预测及控制技术研究[D].上海:同济大学,2002.

[7] 丁勇春.软土地区深基坑施工引起的变形及控制研究[D].上海:上海交通大学,2009.

[8] Ou C Y,Hisieh P G,Chiou D C.Characteristics of ground surface settlement during excavation[J].Canadian Geotechnical Journal,1993,7(7):758-763.

[9] Nicholson D P.The design and performance of the retaining wall at Newton Station[C]∥Proceeding of Singapore Mass Rapid Transit Conference,Singapore,1987:147-152.

(编辑：贾丽红)

Research on the Soil Displacement outside the Construction Pit of Deep Foundation Pit in Subway Station in Soft Soil Area

YANG Jun1,LI Fujie2,YANG Yusen3

(1.TheSchoolofEarthandResources,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 2.Xi’anMetroCo.,Ltd,Xi’an710000，China；3.ChinaRailwayFirstGroupCo.,Ltd.，Xi’an710054,China)

This article embarks from the basic principle of soil mechanics,the geotechnical engineering analysis software FLAC3D three-dimensional finite difference method numerical simulation analysis of the results and the experience summary of the construction of a large number of monitoring data on the spot.With focus on Shanghai and Ningbo,the two soft soil areas,for the deep foundation pit excavation of metro station,the displacement and deformation of the soil inside and outside foundation pit and the retaining structure were analyzed.The concepts were proposed,including out-of-pit soil displacement critical plane Sc,conduction path Lt and couduction curve slope kt-curve.It were conclued that:a larger kt-curvefor out-of-pit soil leads to closer distance between the maximum ground settlement point position and retaining structure;the location of the critical plane Sc moves downward as the excavation face deepens gradually,showing a dynamic process.

the soft soil;deep foundation pit;retaining structure;deformation;conduction curve

1007-9432(2015)05-0542-06

2015-04-20

中国中铁科研项目：软土地区地铁深基坑变形控制研究(2013B-041)

杨骏(1978-)，女，江苏镇江人，博士生，讲师，主要研究方向：地质学与城市地下铁道施工，(E-mail) yangj@chd.edu.cn，(Tel)15339263720

TU470

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.012