深基坑中新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維空間有限元分析

仇建春+房彬+曹睿哲+周明明+田始光

摘要：將兩種或兩種以上的支護(hù)結(jié)構(gòu)組合成復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于復(fù)雜軟土地基深基坑工程已受到許多研究與設(shè)計人員的關(guān)注，以確保工程的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)性。針對目前關(guān)于將地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁及高壓旋噴樁聯(lián)合成新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究較少，本文以某軟土深基坑工程為例，設(shè)計采用了該新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，基于三維彈塑性有限單元法對深基坑工程的分層土體開挖與降水展開數(shù)值模擬，通過分析該新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能及深基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，驗證設(shè)計方案的有效性，為該類型的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程中的應(yīng)用和推廣提供有益幫助。

關(guān)鍵詞：復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)；鉆孔灌注樁；地下連續(xù)墻；高壓旋噴樁；有限單元法；位移

中圖分類號：TU432文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

16721683（2017）06015708

Abstract：The composite supporting structure which consists of two or more kinds of supporting structures has received much attention from researchers and designers，and has been applied in complex softsoil deep excavation engineering to ensure the safety，economy，and stability of the engineeringConsidering there are few studies on the newtype doublerow composite supporting structure which consists of diaphragm wall，bored pile，and high pressure jet grouting pile，we took one soft foundation pit engineering as a case study，and designed the newtype doublerow composite supporting structureUsing the threedimensional elastoplastic finite element method，we conducted numerical simulation of the stratified excavation and precipitation of the engineeringThrough the analysis of the structural performance of the newtype doublerow composite supporting structure and the influence of excavation on the surrounding environment，we verified the validity of the designThis research can provide help to the application and popularization of the newtype composite supporting structure in deep excavation engineering

Key words：composite supporting structure；bored pile；diaphragm wall；high pressure jet grouting pile；finite element method；displacement

隨著沿海城市經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，高層建筑、地鐵、隧道、水利工程等迅速發(fā)展，其中，軟土深基坑開挖與支護(hù)工程受到廣泛的關(guān)注和研究[13]。由于強(qiáng)度低、含水量大、壓塑性和流變特性顯著的特點，軟土深基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計不當(dāng)將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大、周圍地表或建筑物變形過大等情形，影響著基坑工程乃至周圍環(huán)境的安全與穩(wěn)定性，甚至造成人民生命和財產(chǎn)的損失。常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)包括地下連續(xù)墻、灌注樁、鋼板樁、土釘墻、錨桿或噴錨等，考慮到軟土深基坑工程的特點，單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式可能無法滿足實際工程的需要，將兩種或兩種以上支護(hù)結(jié)構(gòu)組合成最佳的復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系已逐漸受到研究和設(shè)計人員的廣泛關(guān)注，以達(dá)到軟土深基坑工程安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)合理的目的[48]。截至目前，關(guān)于地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁加高壓攪拌樁的聯(lián)合雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程中應(yīng)用研究較少，設(shè)計研究認(rèn)為該種復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅具有不需內(nèi)支撐、節(jié)省地下空間資源和縮短施工周期的作用，還兼具止水和圍護(hù)的雙重功效。某河道地處軟土地區(qū)，工程地質(zhì)與環(huán)境復(fù)雜，且地下水位較高，現(xiàn)擬建一座大型景觀水閘，面臨著深基坑降水與開挖工程問題，基坑最大開挖深度達(dá)到136 m，且深基坑工程附近存在多幢高層建筑。由于基坑開挖平面尺寸較大，且開挖完后進(jìn)行閘室段施工，內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式不適合該深基坑工程。綜合工程現(xiàn)狀，且地下水位較高，研究人員在基坑南側(cè)（該側(cè)有多幢建筑高樓）設(shè)計采用該種新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，在滿足基坑工程安全與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，希望通過該種新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以豐富工程經(jīng)驗并進(jìn)行推廣。工程施工開挖前，需研究并探討支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理性，本文基于三維彈塑性有限單元法[911]，通過模擬工程中的分層開挖與降水[12]，研究分析該新型復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能及深基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，以此對設(shè)計方案的有效性作先期檢驗與校正。第15卷 總第93期·南水北調(diào)與水利科技·2017年12月

仇建春等·深基坑中新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維空間有限元分析

1數(shù)值模型

11工程概況endprint

某地準(zhǔn)備修建一座景觀閘，該地為軟土地區(qū)，修[HJ]建前閘室段面臨深基坑開挖問題，基坑開挖平面尺寸為350 m×600 m，其中橫河向長度為600 m，順河向長度為350 m。由于工程采用底軸下臥式閘門，閘室段分低側(cè)與高側(cè)兩段，兩段順河向長度均為175 m。閘室段低側(cè)基坑底高程為-06 m，閘室段高側(cè)基坑底高程為15 m，由于基坑頂側(cè)土體高程為130 m，故最大開挖深度達(dá)136m。整個水閘工程中基坑開挖段設(shè)計長度較大，包括閘室段、上游連接段及下游連接段，其中閘室段先開挖后即進(jìn)行閘室的相關(guān)施工，為此本文分析閘室段基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能及周邊環(huán)境的影響，圖1給出了基坑開挖線圖。該基坑工程地下水位較高，水位達(dá)90 m，考慮基坑開挖深度較大，且基坑南側(cè)有多幢高層建筑，分別為2層、6層、7層、11層高樓。為保證深基坑工程及周圍環(huán)境的安全與穩(wěn)定性，基坑南側(cè)設(shè)計采用了聯(lián)合地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁及高壓旋噴樁的新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，圖2和圖3分別為該復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖及縱向剖面圖。閘室段近基坑側(cè)第一排支護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁與高壓旋噴樁的組合結(jié)構(gòu)，該段高程70 m至90 m澆筑成整體式冒梁結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)該部位的整體性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。高壓旋噴樁打入到基坑底部以下3～4 m深度至高程-45 m，與鉆孔灌注樁結(jié)合可發(fā)揮鉆孔灌注樁的擋土功能及高壓旋噴樁的止水功效，有效地節(jié)省了材料與工程費用。在此基礎(chǔ)上，通過隔墻將第一排支護(hù)結(jié)構(gòu)與第二排地下連續(xù)墻連接，整個雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部的土體形成半重力式結(jié)構(gòu)，加上地下連續(xù)墻的較好的防滲效果及高壓旋噴樁的止水功能，該新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)可以依靠自身承受基坑施工過程坑內(nèi)外的水土壓力，且具有整體剛度大、抗?jié)B性能好、有效降低基坑變形的特點?；颖眰?cè)設(shè)計采用錨拉地下連續(xù)墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)，本文僅對新型雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)作研究，故不作介紹。

12模型簡介

為驗證設(shè)計方案的有效性及合理性，考慮到三維彈塑性有限單元法可模擬復(fù)雜軟土地基下深基坑工程的施工過程，本文首先基于大型有限元建模軟件Hypermesh軟件建立該深基坑工程模型，然后采用大型商業(yè)有限元軟件ABAQUS展開數(shù)值模擬分析。研究發(fā)現(xiàn)軟土深基坑中坑外土體沉降最大影響范圍達(dá)4倍基坑開挖深度，由于基坑開挖最大深度達(dá)136 m，且基坑南側(cè)有多幢建筑高樓，為此，自支護(hù)結(jié)構(gòu)向南側(cè)延伸830 m，向東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)、下側(cè)延伸550 m，模型尺寸為300 m×210 m×78 m，基坑數(shù)值模擬的網(wǎng)格圖見圖4，圖中可見深基坑位置及南側(cè)多幢建筑高樓。由于鉆孔灌注樁為圓形且直徑為1 m，為簡化模擬，按照剛度等效的原則將鉆孔灌注樁模擬為邊長為0876 m的正方形鉆孔灌注樁，圖5為該工程采用的新型復(fù)合雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬圖。整個基坑工程數(shù)值模型，由227 767個單元組成，其中土體、地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁及高層建筑均用三維八節(jié)點單元C3D8模擬，模型四周施加水平約束，底邊界施加固定約束[1315]。

13本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)

對于土體的模擬，本文采用理想彈塑性MohrCoulomb本構(gòu)模型，對于各土層的彈性模量，表1列出了《巖土工程手冊》中的彈性模量與壓縮模量經(jīng)驗關(guān)系表，以此為參考，基于各土層的壓縮系數(shù)，確定各層土的彈性模量與壓縮模量的比例關(guān)系，則各層土的勘測參數(shù)和物理力學(xué)參數(shù)見表2。地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、高層建筑的剛度較土體剛度大多個數(shù)量級，本文采用線彈性模型展開模擬。地下連續(xù)墻及鉆孔灌注樁的強(qiáng)度等級為C30，考慮到剛施工不久，為安全考慮其影響，其彈性模量乘折減系數(shù)08，取為24 GPa，泊松比為02。多幢建筑高樓按照實體材料進(jìn)行模擬，按混凝土強(qiáng)度等級C25考慮，彈性模量取為28 GPa，泊松比為02，高樓的載荷大小按照設(shè)計方考慮，取每層樓20 kmm2大小考慮。高壓旋噴樁不僅發(fā)揮著止水的功效，且對土體具有加固作用，而設(shè)計及施工中高壓旋噴樁[1617]的抗壓強(qiáng)度Fcu=3 MPa，則對應(yīng)加固土體部位的彈性模量取Fref=126Fcu=378 MPa，泊松比取為02。

此外，鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、建筑高樓與土體在材料屬性上有較大的差異，隨著基坑開挖與降水的進(jìn)行，墻土間可能會發(fā)生相對較小的移動，有必要考慮兩者間的接觸問題并展開模擬[1820]。ABAQUS軟件中有面面接觸模型模擬墻土間的接觸特性，包括兩個主要特性，即接觸面間的法向特性與接觸面間的切向特性。本文采用理想硬接觸算法模擬墻土間的法向接觸，不允許墻土間發(fā)生穿透位移。

墻土接觸面間切向摩擦采用理想彈塑性庫倫摩擦模型模擬，在墻土接觸面產(chǎn)生相對滑動前，接觸面上的總剪切應(yīng)力

τd=[KF（]τ21+τ22[KF）]（2）

式中：τd為總剪切應(yīng)力；τ1及τ2分別為接觸面上兩個相互垂直方向上的剪切應(yīng)力。

而接觸面間的滑動摩阻力τh與法向接觸應(yīng)力p成正比：

τh=μp（3）

式中：μ為墻土接觸面間的摩擦系數(shù)。

當(dāng)接觸面上的總剪切應(yīng)力超過滑動摩阻力時，墻土間即會產(chǎn)生相對滑動。對于滑動摩阻力與接觸面間相對位移的關(guān)系，本文采用罰函數(shù)法實現(xiàn)接觸面間的切向接觸，該算法允許墻土接觸面間出現(xiàn)較小的相對滑動。

對于墻土接觸面間的摩擦系數(shù)及允許相對滑動，參考地質(zhì)資料及國家建筑樁基技術(shù)規(guī)范取值，見表3。而墻土接觸面間的相對滑動較模型的單元尺寸小許多，對計算結(jié)果影響較小，本文允許相對滑動取為10 mm。

14模擬方案

為確?；庸こ痰陌踩?，需研究該深基坑工程在不同開挖深度下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、墻后地表沉降及高樓沉降等，以與實際施工過程中進(jìn)行比較分析并反饋設(shè)計與施工人員。對于基坑工程中地下水位，由于地下連續(xù)墻及高壓旋噴樁的防滲性能，加上實測監(jiān)控墻后地下水位并可及時采取措施，墻后地下水位保持90 m。每次開挖前，對坑內(nèi)進(jìn)行降水處理，為保證順利開挖，水深降至對應(yīng)開挖步以下05 m?？紤]到基坑最大開挖深度達(dá)到136 m，且河道型基坑呈凹形，綜合設(shè)計與施工要求，對該深基坑分四次開挖，各層土體開挖厚分別為45 m、30 m、30 m、31 m，對應(yīng)開挖土層底高程分別為85 m、55 m、25 m、-06 m。endprint

支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力采用目前常用的水土分算方法[12]，該方法中作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向壓力由土體的有效應(yīng)力及孔隙水壓力組成，地下水位以下的土體取浮容重，地下水位以上的土體采用飽和容重，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水壓力通過直接施加三角形分布荷載模擬。

2計算結(jié)果

21支護(hù)結(jié)構(gòu)位移分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移是評判其力學(xué)性能的重要指標(biāo)，由于開挖卸荷的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生向基坑方向的水平向位移，且隨著基坑開挖深度的增大而逐漸增大，圖6為基坑開挖至底部時支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向位移。由于該雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間特性及在深基坑中的位置，可看到第一排灌注樁的最大水平向位移位于基坑中部位置，達(dá)448 mm，第二排地下連續(xù)墻的水平向位移最大達(dá)449 mm。隨著距主基坑段的距離加大，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向位移逐漸減小。由于隔墻的連接作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)隔墻兩端（高程90 m）的灌注樁及地下連續(xù)墻的水平向位移相差較小。

由于基坑開挖過程中未設(shè)置內(nèi)支撐體系，依靠結(jié)構(gòu)自身抵擋坑內(nèi)外水土壓力，因此該復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向位移類似于懸臂梁變形，最大水平向位移位于支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部。圖7及圖8分別為第一排灌注樁斷面A及第二排地下連續(xù)墻斷面B的在不同開挖深度下的水平向位移，由圖可見縱墻變形整體傾斜趨勢，且水平向位移隨基坑開挖深度增大而增大，最大水平向位移均位于墻頂位置，斷面A與B的水平向位移最大值分別為448 mm和449 mm。在縱向方向上，地下連續(xù)墻水平向位移隨著高程的降低而逐漸減小，由于隔墻增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)上部的剛度，支護(hù)結(jié)構(gòu)上部位置水平向位移減小的趨勢較小，而下部位置水平向位移減小的趨勢較大。

對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎直向位移，由于開挖卸荷的影響，基坑會發(fā)生回彈現(xiàn)象，地下連續(xù)墻也將發(fā)生豎直向的位移，其中斷面A與斷面B的豎直向位移最大，圖9為所示斷面在不同開挖深度下的豎直向位移。開挖深度在105 m前，由于基坑回彈兩斷面的豎直向位移逐漸增大，開挖最后一層土體時，由于其水平向位移增大及支護(hù)結(jié)構(gòu)整體向基坑傾斜的作用，斷面A 的豎直向位移有一定的減小，而結(jié)構(gòu)的整體變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致斷面B的豎直向位移繼續(xù)增大，最大豎直向位移達(dá)134 mm。

參照《GB 504972009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合該深基坑工程，該支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大允許水平向位移及最大允許豎直向位移分別為40～50 mm、25～30 mm，因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

22墻后地表沉降分析

基坑開挖卸荷不僅導(dǎo)致雙排復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)水平向位移，還將引起坑內(nèi)土體回彈隆起的現(xiàn)象，在支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及土體回彈隆起的共同作用下，墻后土體也將發(fā)生變形，其中墻后土體沉降是評價基坑開挖對周圍環(huán)境影響的重要指標(biāo)。研究認(rèn)為[21]，墻后地表沉降分為三角型和凹槽型兩種形態(tài)。后續(xù)開挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)下部水平向位移增大較快時，墻后地表往往表現(xiàn)為凹槽型沉降，而前期開挖產(chǎn)生的水平向位移較大而后期產(chǎn)生的水平向位移較小時，墻后地表發(fā)生三角型沉降。為此，本文取圖6所示的墻后地表3個斷面作分析，圖10至圖12分別為墻后地表3個斷面在不同開挖層次下的沉降曲線，三個斷面墻后地表沉降均呈凹槽型。由圖可見，地表沉降隨著開挖深度的增大而逐漸增大，當(dāng)基坑開挖至底部時，沉降達(dá)到最大，三個斷面的沉降最大分別為-203 mm、-177 mm、-170 mm，其中墻后地表11斷面沉降最大，且最大沉降位于墻后127 m，證明了附近高樓荷載對加大地表沉降存在著影響。參照《GB 504972009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，墻后地表沉降允許值為25～30 mm，因此墻后地表沉降在安全范圍內(nèi)。

23高樓位移分析

墻后地表的水平向位移及沉降將進(jìn)一步帶來附近高樓產(chǎn)生位移，過大的高樓位移將對附近居民的生命財產(chǎn)安全造成危害性的影響，因此對高樓位移展開數(shù)值模擬對確保及驗證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全有著重要的意義。考慮到離主基坑最近為11層高樓，且該建筑高樓最高，勢必位移最大，也最具危險性，因此對其展開位移分析極具代表性。如圖6所示，取11層高樓4個角點，表4、表5列出11層高樓角點J1至J4在不同開挖深度下的橫河向位移及豎直向位移，可看出11層高樓4角點隨著基坑開挖深度的增大而逐漸增大，其中角點J1的橫河向位移最大達(dá)到2053 mm，沉降最大達(dá)到1600 mm。參照《GB 50497-2009 建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，墻后地表沉降允許值為10～60 mm，且最大不均勻沉降允許傾斜為02%，由于J1與J2的距離為156 m，且兩位置處沉降分別為160 mm、103 mm，則其傾斜度為1497 mm156 m=0096%，因此在安全允許范圍內(nèi)。endprint