深基坑單排樁加內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元分析

王 松,張陽陽

(淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,安徽 淮南 232038)

基坑工程的穩(wěn)定性主要由土體穩(wěn)定性、土體強(qiáng)度及土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系決定。這些年來隨著城市地下工程及高大建筑的發(fā)展,深基坑工程項目越來越多,而城市周圍環(huán)境復(fù)雜且用地緊張,這些因素都加大了深基坑開挖和支護(hù)的難度。雖然目前我國深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型較多,如錨樁支護(hù)、排樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)等,但由于施工土體性質(zhì)、周圍環(huán)境及施工荷載等原因,造成基坑土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力過大,從而破壞了基坑的穩(wěn)定性。為此,國內(nèi)外做過很多相關(guān)內(nèi)容的研究,如:孫超[1]對深基坑排樁支護(hù)、土釘墻支護(hù)和新型地下連續(xù)墻等多種支護(hù)形式進(jìn)行了總結(jié)。郭永成等[2]在軟土地基中,針對不同基坑支護(hù)形式的支護(hù)效果進(jìn)行了研究,得出多種組合支護(hù)形式對深基坑軟土地基有良好的支護(hù)效果。徐凌[3]利用FLAC-3D軟件對不同深基坑工程進(jìn)行模擬分析,研究不同基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形,得出排樁加內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式支護(hù)效果更好。Leiyu Zhang[4]分析了軟土基坑開挖時,基坑中的土體變形及土體的力學(xué)特征。在整個研究過程中運(yùn)用數(shù)值模擬、有限元分析計算等方法,得出的結(jié)論能夠真實反映基坑開挖后土體的力學(xué)特征。Han L[5]對排樁支護(hù)的深基坑工程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,從而得出支護(hù)樁體的位移變化,進(jìn)而研究樁頂和樁身的變形規(guī)律。Phillip S.K[6]對深基坑中的排樁支護(hù)進(jìn)行了研究,分析了排樁樁身的受力特征和位移,得出了排樁數(shù)越多,樁身變形控制越好的結(jié)論。Ilyas.T[7]研究了深基坑排樁在受到外部荷載時的變形和受力特點,得出排樁的變形可以通過增加排樁的數(shù)量得以控制。目前在國內(nèi)外關(guān)于基坑支護(hù)的理論研究有很多,但有些研究理論很難做到精準(zhǔn)控制基坑變形或者基坑支護(hù)相關(guān)研究理論的安全系數(shù)過高,造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。單排樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式可以優(yōu)化基坑支護(hù)形式,同時研究方法采用Midas模擬軟件進(jìn)行模擬,通過參數(shù)設(shè)置可以做到精準(zhǔn)控制,為基坑支護(hù)工程提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本項目基坑寬度為32.6m,開挖深度為8.2m,基坑放坡深度為1m,以1:1進(jìn)行放坡同時采用C20噴射混凝土進(jìn)行護(hù)坡,基坑其余深度為垂直開挖,四周做了混凝土強(qiáng)度為C30的地下連續(xù)墻。在基坑1m和4m深處設(shè)置了截面尺寸為1000mm×700mm的鋼筋混凝土冠粱和腰梁,同時配有截面尺寸600mm×600mm的混凝土內(nèi)支撐,混凝土強(qiáng)度為C30,樁體采用直徑為500mm,強(qiáng)度為C35的混凝土樁體,并在樁體下部設(shè)置了高度2m,強(qiáng)度為C40的樁基礎(chǔ),深基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 深基坑排樁加內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)

通過地質(zhì)勘查得出整個深基坑土層從上往下分別為雜填土、淤泥質(zhì)土、粘土、粉砂夾粉土、粉細(xì)砂,各土層及不同強(qiáng)度混凝土物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 各土層主要的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2 不同強(qiáng)度混凝土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2 現(xiàn)場監(jiān)測

深基坑開挖時,支護(hù)結(jié)構(gòu)受到土體壓力及周圍動荷載的影響,基坑會出現(xiàn)比較明顯的變形,甚至是基坑失穩(wěn),因此深基坑開挖要做好基坑監(jiān)測工作。

2.1 基坑沉降監(jiān)測

基坑沉降監(jiān)測時在基坑周圍埋設(shè)三個以上的基點,方便相互校核檢驗,并且能夠形成較為穩(wěn)固的基準(zhǔn)網(wǎng)[8]。監(jiān)測開始時,可對設(shè)置的基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行定期監(jiān)測以此來判定各個基準(zhǔn)點是否正常,如果異?？梢詫?shù)據(jù)異常的基準(zhǔn)點進(jìn)行修正。在測量監(jiān)測點的高程時,一般通過閉合的水準(zhǔn)測量從而引測到各個監(jiān)測點上,得到監(jiān)測點的高程,將不同時間段測量的高程與原始高程相減,其絕對值就是基坑土體在不同時間段的沉降值。在基坑開挖前布設(shè)的監(jiān)測點首次測量得到原始高程,隨后監(jiān)測頻率為一天一次。如果監(jiān)測點的沉降數(shù)據(jù)不符合規(guī)范,可適當(dāng)增加監(jiān)測次數(shù)。當(dāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工完成時,可以停止監(jiān)測[9]。

2.2基坑水平位移監(jiān)測

基坑水平位移采用軸線投影進(jìn)行測量,在基坑兩端各取兩點作為基準(zhǔn)點,兩點則連成一條基準(zhǔn)線。將全站儀加設(shè)在一點,定向于另一點,觀測時讀取監(jiān)測點到基準(zhǔn)線的準(zhǔn)直距離,然后將不同時間段的測量值與原始值進(jìn)行相減,取絕對值則得到監(jiān)測點的水平位移[10]。

2.3基坑支護(hù)位移監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場基坑的實際情況,對于基坑中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、排樁及內(nèi)支撐采用極坐標(biāo)法進(jìn)行測定[11]。在基坑中部、端部及陰陽角的位置布設(shè)監(jiān)測點,同時在基坑項目的影響范圍之外,視野開闊的地方選取基準(zhǔn)點。通過基準(zhǔn)點,進(jìn)行基坑支護(hù)位移監(jiān)測。在實際的基坑測量工作中,為保證測量結(jié)果的正確性,要求監(jiān)測點坐標(biāo)誤差小于1mm,累計報警值不得超過40mm,基坑結(jié)構(gòu)位移速率不得超過3mm/d,監(jiān)測頻率為1天監(jiān)測1次,初始監(jiān)測為2次[12]。

2.4 基坑樁體的應(yīng)力監(jiān)測

樁體內(nèi)的應(yīng)力選用應(yīng)力計進(jìn)行測量,根據(jù)設(shè)計要求每根樁體內(nèi)外兩側(cè)個各埋設(shè)應(yīng)力計,同時在支護(hù)樁體縱筋施工過程中安置傳感器,兩者同步進(jìn)行[13]。等樁體達(dá)到一定強(qiáng)度后,應(yīng)力計進(jìn)行歸零設(shè)置,隨后每隔2天測量1次。在基坑開挖過程中,如果出現(xiàn)支護(hù)樁體受力變化過快或者出現(xiàn)異常,則需要增加監(jiān)測頻率。當(dāng)基監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,可減少監(jiān)測頻率,當(dāng)主體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工完成時,基坑樁體的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)束[14]。

3 Midas模擬深基坑單排樁加內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖

本次深基坑開挖模擬采用三維模擬,相比于二維模擬,三維模擬不再只以點、線單元構(gòu)成的模型,分析地更加直觀和準(zhǔn)確。另外,在深基坑開挖1m范圍內(nèi),通過軟件設(shè)置了1:1的坡度,同時采用C20噴射混凝土進(jìn)行護(hù)坡,這樣計算的數(shù)據(jù)結(jié)果更加真實可靠。按照地質(zhì)資料整個基坑分為5層,從上到下分別為1.5m雜填土、1.8m淤泥質(zhì)土、2.4m粘土、0.6m粉砂夾粉土、1.9m粉細(xì)砂。深基坑中的支護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁、腰梁、內(nèi)支撐、樁體、樁基礎(chǔ)等參數(shù)依據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置,模型的邊界約束自動設(shè)置,土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的重力根據(jù)材料容重乘以重力加速度得出。根據(jù)深基坑開挖影響范圍,整體模型的寬度和長度為深基坑的兩到三倍,模型的深度為深基坑的三倍以上。整體模型劃分網(wǎng)格統(tǒng)一采用混合網(wǎng)格,如圖2所示?；旌暇W(wǎng)格可以提高計算網(wǎng)格的質(zhì)量并降低求解區(qū)域網(wǎng)格的離散難度,能夠很好地離散復(fù)雜的計算域,提高計算的精確度[15]。

圖2 深基坑排樁加內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

由于深基坑開挖是一個動態(tài)過程,所以需要定義施工階段組。第一階段為“初始階段”,激活各開挖土層、重力及邊界約束[16]。第二階段“開挖-1”,激活第一道內(nèi)支撐、冠梁、立柱、圍護(hù)樁及噴射混凝土護(hù)坡面,鈍化雜填土層;第三階段“開挖-2”鈍化淤泥質(zhì)土,第四階段“開挖-3”激活第二道內(nèi)支撐和腰梁,鈍化粘土;第五階段“開挖-4”鈍化粉砂夾粉土;第六階段“開挖-5”鈍化粉細(xì)砂,各施工階段設(shè)置完成后,運(yùn)算分析。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑表面沉降

深基坑在開挖過程中,不可避免會對周圍土體產(chǎn)生擾動,從而基坑會產(chǎn)生不同程度的沉降。根據(jù)基坑現(xiàn)場監(jiān)測和Midas軟件模擬可得數(shù)據(jù)圖3和圖4,圖3表明隨著深基坑開挖,基坑周圍同一節(jié)點的沉降也在增加,基坑地表沉降最大值出現(xiàn)在“開挖-5”,計算模型圖如圖5所示。由于模擬時,未考慮地下水以及基坑周圍荷載的影響,造成測量值和模擬值存在差異,但變化趨勢一致?；娱_挖完成后,基坑周邊不同節(jié)點的沉降值如圖4所示,離地下連續(xù)墻較近的節(jié)點,沉降值較小,隨著距離的增加,沉降值先增大并達(dá)到最大值,隨后離基坑周邊越遠(yuǎn)的節(jié)點沉降值越小,直至沉降不明顯。

圖3 基坑地表沉降值

圖4 距坑壁不同距離地表沉降

圖5 地表沉降最大值開挖-5模型圖

4.2 基坑坑底沉降

深基坑在開挖的過程中,由于坑底土上部土體不斷減少,導(dǎo)致坑底土上部荷載降低,坑底土向上回彈;同時由于基坑變形,圍護(hù)墻體向坑內(nèi)側(cè)移動,擠壓基坑內(nèi)土體向中間移動,導(dǎo)致坑底土向上隆起;隨著基坑的開挖,坑底土最大隆起高度不斷增加,并且基坑中心處的隆起最大且坑底土最大隆起高度在“開挖-2”階段,位于基坑中心處,如圖6所示,圖6為將模型其他部位隱藏,只顯示坑底土變形的模型圖。通過模擬計算和現(xiàn)場基坑監(jiān)測得到“開挖-1”階段至“開挖-5”階段坑底土最大隆高度,如圖7所示。圖7表明坑底土隆起的高度隨著離基坑中心的距離越遠(yuǎn),呈非線性降低。隨著時間流逝,基坑中心的隆起將慢慢降低,整個基坑坑底變成中間低兩邊高的形狀。

圖6 坑底土最大隆起模型圖

圖7 離基坑中心不同距離隆起高度

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

深基坑在開挖過程中由于土體向內(nèi)擠壓,造成圍護(hù)墻體產(chǎn)生水平位移,位移結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)測量點監(jiān)測和Midas數(shù)據(jù)模擬得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移情況如圖9所示,圖9表明深基坑開挖過程中,圍護(hù)墻體水平位移不斷增加并且基坑開挖深度較小時,圍護(hù)墻體水平位移不大。隨著深度的增加,圍護(hù)墻體水平位移先逐漸增大,然后減小,圍護(hù)墻體水平位移最大值在深基坑深度2/3處。這主要由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)有兩道鋼梁,鋼梁約束了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移,致使圍護(hù)墻體的最大位移向下移動。從圖9中可以看出圍護(hù)墻體水平位移的測量值和模擬值變化趨勢基本保持一致,表明Midas能真實模擬基坑開挖過程中圍護(hù)墻體位移變化。

圖8 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖9 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

4.4 支護(hù)樁體彎矩

深基坑支護(hù)樁體主要作用是抵抗由于土體滑動產(chǎn)生的側(cè)壓力,由于混凝土抗壓能力強(qiáng),而抗彎能力比較弱,因此文本研究了支護(hù)樁體的抗彎性能。深基坑在開挖過程中支護(hù)樁體的彎矩圖如圖10所示,從彎矩圖中可以看出由于第一道和第二道支撐的約束作用,所以在該位置彎矩產(chǎn)生了突變。隨著基坑的開挖,支護(hù)樁體彎矩的最大值在不斷下移,彎矩的最大值為132.8kN·m,符合規(guī)范要求。

圖10 基坑支護(hù)樁體彎矩

5 結(jié)論

本文運(yùn)用了Midas軟件模擬了單排樁加內(nèi)支撐深基坑的開挖過程,得到以下結(jié)論:

(1)隨著深基坑開挖,基坑周圍同一節(jié)點的沉降不斷增加,并且基坑地表沉降的最大值隨著施工階段的進(jìn)行也在不斷增加;基坑開挖完成后,離地下連續(xù)墻較近的節(jié)點,沉降值較小,隨著距離的增加,沉降值先增大并達(dá)到最大值,隨后離基坑周邊越遠(yuǎn)的節(jié)點沉降值越小,直至沉降不明顯。

(2)隨著基坑的開挖,坑底土最大隆起不斷增加,當(dāng)基坑開挖完后,基坑中心處的坑底土隆起達(dá)到最大值;坑底土隆起的高度隨著離基坑中心的距離越遠(yuǎn),呈非線性降低,當(dāng)基坑開挖完成后,基坑中心的隆起將慢慢降低,整個基坑坑底變成中間低兩邊高的形狀。

(3)深基坑開挖過程中,圍護(hù)墻體水平位移不斷增加并且開挖深度較小時,圍護(hù)墻體水平位移不大。隨著深度的增加,圍護(hù)墻體水平位移先逐漸增大,然后減小,圍護(hù)墻體水平位移最大值在深基坑深度2/3處。

(4)基坑支護(hù)樁體彎矩在第一道和第二道支撐產(chǎn)生了突變;隨著基坑的開挖,支護(hù)樁體彎矩的最大值也在不斷下移。