基坑延深開(kāi)挖復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模擬

陳亞軍，郭力群，徐芳超

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門361021）

地下室加層導(dǎo)致了原基坑的設(shè)計(jì)深度加深.在原基坑工程已經(jīng)開(kāi)挖成型或原支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成的情況下，延伸開(kāi)挖，必然導(dǎo)致原支護(hù)結(jié)構(gòu)不能滿足要求.這就面臨兩種選擇：一是舍棄已存在的支護(hù)結(jié)構(gòu)，重新設(shè)計(jì)，這樣會(huì)造成很大的浪費(fèi)；二是考慮在原有支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加固支護(hù)，充分利用原有支護(hù)結(jié)構(gòu)并發(fā)揮其作用，則可以節(jié)省基坑工程的投資［1-2］.關(guān)于既有支護(hù)結(jié)構(gòu)保持不變的情況，延深開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的作用機(jī)理和計(jì)算方法的研究較少，理論滯后于實(shí)踐.陳磊等［3］對(duì)某基坑，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)原基坑體系進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)后，制訂了新基坑支護(hù)方案.林華國(guó)［4］利用爛尾坑原有的支護(hù)體系，采用排樁式連續(xù)墻加預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)，局部放坡，對(duì)原爛尾坑進(jìn)行加固.蔡海波等［5］以某特殊基坑工程為背景，采用FLAC3D有限元差分軟件，對(duì)基坑現(xiàn)有支護(hù)方案條件下進(jìn)行延伸開(kāi)挖.本文采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)某既有土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑的延伸開(kāi)挖加固工程進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)基坑二次開(kāi)挖加固方案的可靠性和合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其中存在的薄弱點(diǎn).

1 基坑工程概況

福建省晉江市某基坑，建筑占地面積約為4 363m2，安全等級(jí)為一級(jí).原支護(hù)結(jié)構(gòu)是按一層地下室進(jìn)行設(shè)計(jì)的，深度4.5m左右，采用土釘墻、自然放坡支護(hù)體系，設(shè)置4排土釘，土釘傾角為15°，長(zhǎng)度為6m，基坑已開(kāi)挖至-4.5m深處，并閑置約3a時(shí)間，支護(hù)體及周圍環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài).圖1為原基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.因建設(shè)要求將一層地下室改為兩層，基坑開(kāi)挖深度達(dá)8.24～11.45m，需要在原有基坑基礎(chǔ)上進(jìn)行2次超深開(kāi)挖.

2 加固方案分析及選型

圖1 原基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Supporting structure of original foundation pit

2.1 基坑加固重點(diǎn)

1）原基坑開(kāi)挖放置時(shí)間約3a，已超出了臨時(shí)性工程的設(shè)計(jì)使用年限［6］，須對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià).

2）在原工程基礎(chǔ)上進(jìn)行加深開(kāi)挖深度將近7m左右，是原開(kāi)挖深度的兩倍以上.原有支護(hù)結(jié)構(gòu)顯然無(wú)法滿足承載力和變形要求，因此，必須采取措施在原支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固，而選擇合適的加固方式滿足工程要求則是支護(hù)結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的重點(diǎn).

3）基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)巖土層力學(xué)性質(zhì)一般，軟弱土層較厚，故加固后的支護(hù)結(jié)構(gòu)需具備較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性.加固支護(hù)剖面示意圖，如圖2所示.

2.2 支護(hù)加固設(shè)計(jì)方案

基坑一次支護(hù)的存在使坡頂沒(méi)有更大的放坡空間，而內(nèi)支撐支護(hù)體系整體剛度較大，能更好地控制土體的水平變形，最大限度地減少對(duì)周邊建筑物和地下管線的影響.因此，考慮采用鋼筋混凝土對(duì)撐支護(hù)方案［7］.

基坑支護(hù)加固設(shè)計(jì)方案采用人工挖孔樁加鋼筋混凝土內(nèi)支撐，自然放坡聯(lián)合支護(hù)體系.支護(hù)樁樁徑Φ＝1 000mm，樁中心距s＝1 800mm，沿基坑四周布置；支護(hù)樁頂設(shè)置1 000mm×800mm的鋼筋混凝土冠梁；內(nèi)支撐梁截面尺寸為800mm×800mm.

圖2 加固支護(hù)剖面示意圖Fig.2 Cross section of strengthened supporting structure

3 整體支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模擬分析

3.1 加固支護(hù)結(jié)構(gòu)體數(shù)值分析模型選擇

采用Plaxi 2D有限元軟件對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模擬，選取最不利的剖面進(jìn)行有限元模擬分析.模型采用平面應(yīng)變模型，采取15節(jié)點(diǎn)的三角形單元模擬土體，通過(guò)自帶程序進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分.土的本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb模型，擋土墻和土釘面層利用板單元模擬；擋土墻兩側(cè)與土的相互作用可以用接觸面單元模擬；鋼筋混凝土內(nèi)支撐可以看作彈性桿件，選用錨釘桿單元進(jìn)行模擬；土釘利用土工格柵進(jìn)行模擬.

3.2 模型參數(shù)

表1 土層參數(shù)Tab.1 Parameters of soils

3.3 邊界條件

圖3 基坑有限元模型Fig.3 FEM model of foundation pit

1）位移邊界條件：左、右邊界的水平位移為零，下邊界任意方向變形為零.2）應(yīng)力邊界條件：地面超載作用在基坑2m以外，作用長(zhǎng)度為10m，取超載設(shè)計(jì)值為20kPa.3）水頭邊界條件：左側(cè)隔水層保持在地表以下1.0m不變，右側(cè)土層的水頭隨著降水和開(kāi)挖的進(jìn)行，保持在開(kāi)挖面下1.0m 左右［9］.

3.4 基坑開(kāi)挖過(guò)程的模擬

基坑最終的力學(xué)效應(yīng)應(yīng)是前幾次開(kāi)挖力學(xué)效應(yīng)的總和，但并不是單純的代數(shù)和，對(duì)最后一個(gè)狀態(tài)與逐步開(kāi)挖不斷疊加各步開(kāi)挖的成果進(jìn)行分析，得到的結(jié)果是完全不同的［10］.因此，計(jì)算分析時(shí)應(yīng)采取分步施工過(guò)程.分步加載及施工流程如下：土體開(kāi)挖；打入土釘；掛鋼筋網(wǎng)；噴射砼面層；人工挖孔樁施工（位移歸零）；內(nèi)支撐施工；開(kāi)挖至墊層底設(shè)計(jì)標(biāo)高.

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

基坑開(kāi)挖至墊層底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)的工況，如圖4～7所示.通過(guò)Plaxis 2D軟件模擬，最大水平位移為44.12mm，最大豎向位移為38.23mm；圍護(hù)樁最大水平位移為44.13mm，最大豎向位移為32.36 mm.通過(guò)程序提供的有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算，當(dāng)開(kāi)挖至墊層底部時(shí)，安全系數(shù)為1.25.

圖4 基坑水平位移變形Fig.4 Horizontal displacement of foundation pit

圖5 基坑豎向位移變形Fig.5 Vertical displacement of foundation pit

圖6 土釘面層剪力圖Fig.6 Shear force of soil nailing surface

圖7 基坑塑性點(diǎn)圖Fig.7 Plastic point of foundation pit

由圖4可知：開(kāi)挖完成后，水平方向的最大位移發(fā)生在基坑底部.

由圖5可知：豎直方向包括沉降和隆起，基坑外地表沉降主要出現(xiàn)0～10m范圍內(nèi)，最大的沉降量為34.95mm；基坑底部隆起主要發(fā)生在靠近基坑壁0～10m范圍內(nèi)，最大隆起量為29.45mm；基坑最大水平位移發(fā)生在基坑底部.變形實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算分析結(jié)果相近，因此，應(yīng)用Plaxis 2D分析的結(jié)構(gòu)是比較準(zhǔn)確可靠的.

由圖6可知：土釘面層底處剪力值達(dá)到最大.

由圖7可知：開(kāi)挖到工況8的時(shí)候，開(kāi)始出現(xiàn)塑性點(diǎn)；開(kāi)挖到工況9的時(shí)候，塑性點(diǎn)不斷增多；坑內(nèi)圍護(hù)樁處存在塑性點(diǎn).這說(shuō)明基坑底部是薄弱點(diǎn)，宜通過(guò)延伸樁長(zhǎng)或坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土加固來(lái)更好地控制基坑的位移.因此，在土釘墻后與圍護(hù)樁樁頂處的土體隨著基坑的開(kāi)挖，變形逐漸增大，并不斷達(dá)到屈服點(diǎn).分析其原因，主要有以下2點(diǎn).

1）原基坑采用的支護(hù)形式采用的是土釘墻支護(hù)，其控制變形能力較差.

2）新舊支護(hù)結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有存在有效的連接加固措施，新舊支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化大，使得連接處存在較大應(yīng)力，剛度相對(duì)較弱的土釘墻產(chǎn)生相對(duì)較大的變形.

4 結(jié)論

1）在原有基坑支護(hù)上進(jìn)行加深開(kāi)挖，使得原有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生變化，這已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際要求，需要對(duì)原基坑支護(hù)方案采取加固措施，并新增支護(hù)結(jié)構(gòu)以滿足加深后基坑穩(wěn)定和變形要求.

2）對(duì)于二次超深開(kāi)挖，在舊支護(hù)結(jié)構(gòu)與新支護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在協(xié)同工作的問(wèn)題，選擇合適的分析方法對(duì)支護(hù)加固設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵.一般設(shè)計(jì)軟件僅能計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的受力和變形，未能反映延深結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài).

3）利用Plaxis 2D進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，可發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，并為基坑的位移控制提供參考.因此，應(yīng)用Plaxis 2D有限元軟件能夠較準(zhǔn)確、可靠地模擬基坑二次加深開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

［1］ 吳銘炳，林穎孜，戴一鳴，等.軟土地基地下室加層的基坑支護(hù)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（S1）：210-214.

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［4］ 林華國(guó).某爛尾基坑設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐［J］.山西建筑，2012，38（16）：67-69.

［5］ 蔡海波，吳順川，周瑜，等.既有基坑延伸開(kāi)挖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與支護(hù)方案確定［J］.巖土力學(xué)，2011，32（11）：3302-3312.

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