復(fù)合支護(hù)下深基坑的變形破壞和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力演化過程分析

黃志全等

摘要：以某深基坑工程為研究對象，利用巖土數(shù)值分析FLAC 3D軟件，建立三維數(shù)值分析模型，模擬開挖和支護(hù)實(shí)際工況，分析了雙排微型樁復(fù)合土釘支護(hù)下基坑開挖過程中的變形破壞和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力演化特征。結(jié)果表明：坑壁水平位移總體上呈現(xiàn)基坑頂部小、基坑中下部大的形式，位移等值線呈鼓肚狀；基坑基底隆起量較大，隨著距基坑壁距離的減小而減??；基坑邊坡豎向沉降較小，最大沉降量出現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)之后；土釘軸力分布呈中間大、兩端小的形式，離基坑底部越近，土釘?shù)淖畲筝S力點(diǎn)越靠近基坑開挖面，且隨著開挖深度增加，土釘軸力初始增長迅速而后發(fā)展較為緩慢；前排微型樁彎矩大于后排，微型樁最大彎矩隨著開挖深度的增加不斷增大且不斷下移，開挖完成后彎矩最大值位于基坑底部以下2 m深度處；基坑開挖及支護(hù)過程中監(jiān)測點(diǎn)的位移時(shí)程曲線和塑性區(qū)分布區(qū)域說明基坑整體穩(wěn)定性較好，但在坡頂后緣出現(xiàn)拉張塑性區(qū)，基坑壁淺表層和基坑底角部位出現(xiàn)剪切破壞區(qū)，在施工中應(yīng)對其采取針對性措施進(jìn)行保護(hù)；該研究成果對深基坑開挖過程中動態(tài)演化過程認(rèn)識和變形破壞防治具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：復(fù)合支護(hù)；深基坑；變形破壞特征；支護(hù)結(jié)構(gòu)；塑性區(qū)；三維數(shù)值分析

中圖分類號：TU473文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

目前的城市建設(shè)中，深基坑工程已經(jīng)非常普遍，往往都具有開挖深度大、規(guī)模大及環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，出現(xiàn)了各種形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)[1-10]。復(fù)合土釘支護(hù)是將土釘與預(yù)應(yīng)力錨索、深層攪拌樁或微型鋼管樁等結(jié)合起來形成的一種新型支護(hù)技術(shù)，一些學(xué)者對其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[11]～[13]對深基坑土釘和預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合支護(hù)方式進(jìn)行了研究；孫劍平等[14]對預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻的變形規(guī)律進(jìn)行了實(shí)測分析；袁守文等[15]研究了預(yù)應(yīng)力錨索微型樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用；李彥初等[16]對鋼管樁、土釘、預(yù)應(yīng)力錨索3種支護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)合支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬；宋廣等[17]對單純土釘支護(hù)和微型樁復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行了對比分析?；訉?shí)際施工過程中，側(cè)土壓力和支撐力不斷變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體相互作用，周邊土體位移和作用在樁體上的力也在不斷演化，這是一個(gè)復(fù)雜的具有時(shí)間空間效應(yīng)的過程。

本文以某深基坑工程為研究對象，利用巖土數(shù)值分析FLAC 3D軟件，建立三維數(shù)值分析模型，模擬開挖和支護(hù)實(shí)際工況，分析雙排微型樁復(fù)合土釘支護(hù)下基坑開挖過程中的變形破壞和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力演化特征，研究成果將對深基坑開挖過程中動態(tài)演化過程認(rèn)識和變形破壞防治具有一定參考意義。

1基坑地質(zhì)條件及支護(hù)方案

1.1工程地質(zhì)條件

某深基坑所在場地最大勘察深度65 m，揭露的地層除上部為雜填土、素填土外以第四系沖洪積地層為主。根據(jù)巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，該基坑勘察深度內(nèi)各個(gè)土層編號及分述如下：①雜填土，雜色，主要由建筑垃圾組成，層厚1.3～3.4 m；②粉土夾粉砂，黃褐色—褐黃色，中密—密實(shí)，土質(zhì)均勻，層厚0.9～4.7 m；③粉土，③-1粉質(zhì)粘土，暗黃—灰褐色，局部夾粉土薄層，層厚2.0～5.6 m，③-2粉土，灰褐色，中密—密實(shí)，土質(zhì)較均勻，揭露厚度為0.50～3.10 m；④粉土夾粉砂，褐黃—黃褐色，中密—密實(shí)，層厚1.6～4.8 m；⑤粉土，褐黃色，稍濕—濕，密實(shí)，土質(zhì)不均，層厚3.8～6.2 m；⑥粉砂，褐黃—黃褐色，一般可塑狀態(tài)，土質(zhì)不均，層厚0.9～4.1 m。

1.2基坑支護(hù)方案

基坑開挖深度為10 m，受場地條件限制，基坑坑壁垂直開挖，采用雙排微型樁復(fù)合土釘墻支護(hù)，坑壁噴射混凝土面層，基坑邊坡支護(hù)剖面見圖1，其中，D為樁徑，L為樁長，微型樁樁頂標(biāo)高為自然地面，雙排設(shè)置，樁長15.0 m，樁徑100 mm，橫向間距0.5 m，縱向間距0.5 m。微型樁孔徑120 mm，橫向間距0.5 m，排間距0.5 m，長度15 m，內(nèi)置40 mm壁厚不小于2.5 mm的鋼管，填充粒徑5～10 mm碎石，灌注體積比1∶0.5的純水泥漿，微型樁之間以及前排與后排之間無連接；土釘縱橫間距1.0 m，傾角10°，主筋采用22鋼筋，長度9～12 m，洛陽鏟或小型機(jī)械成孔，孔徑100 mm，注漿壓力0.2～0.4 MPa，注漿材料為體積比1∶0.5的純水泥漿，無預(yù)應(yīng)力；面層噴射混凝土厚度80 mm，混凝土強(qiáng)度等級C20，施工過程中水泥、水、砂、碎石的質(zhì)量比為1∶0.5∶2∶2，鋪設(shè)6@250×250鋼筋網(wǎng)，加強(qiáng)筋采用10@1 000菱形布置，交叉點(diǎn)與土釘端頭彎折后焊接牢固。

2.1計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型總寬度（x方向）為35 m，基坑部分寬度為10 m，垂直剖面方向（y方向）為10 m，深度（z方向）為25 m，計(jì)算模型如圖2所示，共劃分71 400個(gè)單元、77 532個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型側(cè)邊界施加法向位移約束，底部邊界施加位移全約束。在模擬計(jì)算中，土體采用三維實(shí)體單元，土釘采用Cable單元，微型樁采用Pile單元，混凝土面層采用Shell單元[18]，具體加固方案模擬如圖3所示。

.2參數(shù)選取

基坑支護(hù)模擬分析所需的主要參數(shù)有土層物理力學(xué)參數(shù)、土釘計(jì)算參數(shù)、微型樁計(jì)算參數(shù)以及混凝土面層參數(shù)，總的參數(shù)選取見表1，2，不同土層參數(shù)根據(jù)其厚度范圍進(jìn)行賦值。

2.3計(jì)算過程

3.1不平衡力監(jiān)測曲線

圖4為基坑開挖過程中系統(tǒng)的不平衡力監(jiān)測曲線。由圖4可知，從自然狀態(tài)開始第1步開挖到開挖完成的過程中，每次開挖時(shí)系統(tǒng)的不平衡力都有一個(gè)突然增大的趨勢，然后就要經(jīng)歷一個(gè)由大到小逐步調(diào)整的過程，直至達(dá)到平衡，這也是基坑由每步開挖產(chǎn)生變形到逐步穩(wěn)定的過程。根據(jù)系統(tǒng)的不平衡力監(jiān)測曲線是否收斂來判別基坑邊坡的穩(wěn)定性可知，該基坑在開挖支護(hù)過程中整體穩(wěn)定性較好。

3.2基坑變形破壞演化過程

3.2.1水平位移

圖5為基坑開挖完成后的水平位移云圖，負(fù)值表示位移方向朝向基坑內(nèi)側(cè)，正值表示朝向基坑外側(cè)。從圖5可以看出，坑壁水平位移總體上呈現(xiàn)基坑頂部小、基坑中下部大的形式，并且在基坑深度約7 m處水平位移達(dá)到最大值，為3.54 cm，占基坑最大開挖深度的0.354%，小于0.4%，滿足要求，同時(shí)也說明復(fù)合支護(hù)下基坑的最大水平位移并不是發(fā)生在坡頂。在同一高度處，隨著離基坑壁距離的增加，水平位移逐漸減小，位移等值線呈鼓肚狀?；酌嬉韵碌膲w由于受到墻前被動土壓力的作用水平位移較小。