天津軟土地區(qū)深基坑多級支護結(jié)構(gòu)變形的參數(shù)分析

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(1.天津大學 土木工程系，天津　300072；2.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津　300072)

0　引言

隨著我國城市化進程的加快，城市人口日益增加，可利用的土地資源隨之減少，因此地下空間開發(fā)的力度逐漸增大，許多深大基坑也隨之產(chǎn)生。在軟土地區(qū)，基坑工程的周邊場地條件復雜，土質(zhì)條件差，基坑支護結(jié)構(gòu)型式的合理選用以及基坑施工過程對于基坑工程的變形控制十分重要[1-3]。目前深基坑工程的支護體系主要采用的是地下連續(xù)墻結(jié)合水平支撐的形式，這些臨時支護結(jié)構(gòu)存在著造價高，施工周期長，不可循環(huán)利用等問題。因此發(fā)展更加經(jīng)濟且環(huán)保的無支撐支護技術(shù)具有十分重要的意義。

目前在軟土地區(qū)的基坑工程中，無支撐多級支護技術(shù)已得到運用，如：上海虹橋綜合交通樞紐基坑工程[4]和天津中鐵房地產(chǎn)金鐘河大街項目基坑[5]等。近年來，已有一些學者對多級支護結(jié)構(gòu)展開了研究。鄭剛等[6]對無支撐多級支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與破壞機理分析進行了研究，發(fā)現(xiàn)無支撐多級支護體系在方案合理的情況下，次級支護結(jié)構(gòu)可以有效抑制主要支護結(jié)構(gòu)被動區(qū)塑性剪切帶的開展，各級支護結(jié)構(gòu)協(xié)同工作能力良好，整體穩(wěn)定性強，失穩(wěn)破壞后最終形成一個經(jīng)過主要支護結(jié)構(gòu)下部的圓弧形滑動面，破壞模式類似于重力式懸臂厚擋墻。任望東等[5]對深基坑多級支護破壞模式及主要幾何參數(shù)的影響進行了數(shù)值計算分析。鄭剛等[7]對大面積基坑多級支護結(jié)構(gòu)進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)當兩級支護之間寬度較小時，多級支護的工作機制和破壞機制近似于異形重力式擋土墻，可產(chǎn)生整體式破壞；而隨著多級支護之間的寬度增大，土體的破壞面可進入多級支護的圍護樁之間的土體，并使多級支護樁的破壞產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的影響，產(chǎn)生關(guān)聯(lián)式破壞；當多級支護的寬度足夠大時，多級支護可產(chǎn)生分離式破壞。上述研究均是針對多級支護的穩(wěn)定性問題，而對于多級支護的變形特征研究較少。

另一方面，文獻[7]總結(jié)了多級支護的不同形式及使用范圍，提出了傾斜樁在多級支護中應(yīng)用的可能。在傾斜樁的研究方面，鄭剛等[8-9]對傾斜單排樁和前排樁傾斜的雙排樁在水平荷載作用下的性狀進行了研究。

為了研究多級支護幾何參數(shù)對其變形的影響，本文運用大型通用有限差分軟件FLAC3D對天津某基坑工程采用的無支撐多級支護結(jié)構(gòu)進行了計算分析，將數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比驗證。在此基礎(chǔ)上采用簡化的數(shù)值模型對第二級支護結(jié)構(gòu)長度、兩級支護間距離、兩級開挖深度比以及第一、二級支護結(jié)構(gòu)的傾角等幾何參數(shù)進行了計算分析。計算結(jié)果表明，多級支護幾何參數(shù)對變形的影響并不獨立。實際工程中，應(yīng)根據(jù)場地條件，變形控制及造價的要求綜合考慮多級支護參數(shù)的選擇。

1　工程概況及數(shù)值模擬模型

1.1　工程概況

本工程位于河北區(qū)獅子林大街與海河東路交口處，擬建工程包括14棟多層及高層住宅樓及多棟公用配套建筑，整體1層地下室，局部2層地下室?；拥目傞_挖面積為50 600 m2，1層地下室處的基坑開挖深度為7.0 m左右，2層地下室處的基坑開挖深度在8.8～10.3 m之間，其中局部電梯坑處的開挖深度達到12.3 m，基坑開挖面近似為五邊形，且基坑四周均有建筑物和道路，基坑平面示意圖見圖1。

由于基坑面積較大，采用常規(guī)排樁+水平支撐形式時，水平支撐造價高工期長，因此為了不設(shè)置水平支撐，采用了雙排樁結(jié)合單排樁的多級支護形式，如圖1、圖2所示。第一級支護結(jié)構(gòu)為前后排樁長均為26.4 m的雙排灌注樁，前排樁采用Φ1 000@1 400灌注樁而后排樁采用Φ900@1 400灌注樁，雙排樁排距為3.6 m，帽梁厚度為0.9 m，且在前后排樁之間有長度為24.2 m的Φ850@900的三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕。第二級支護結(jié)構(gòu)為Φ800@1 000的單排灌注樁，樁長為13.4 m，帽梁厚度0.6 m。兩級支護間距離在3.8～9.0 m之間。兩級支護樁及帽梁均采用C30混凝土。

圖2　無支撐多級支護結(jié)構(gòu)(單位：m)

1.2　數(shù)值模型

圖3　計算剖面(單位：m)

本文采用有限差分軟件FLAC3D對該基坑的多級支護結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析，考慮到基坑面積大，計算剖面的長度較大，符合平面應(yīng)變特征，因此采用二維平面應(yīng)變模型進行分析。根據(jù)資料可知，為了消除邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，基坑外側(cè)的寬度宜控制在開挖深度的3～5倍以上[10]；取模型的總尺寸為150 m×50 m，基坑外側(cè)寬度為70 m。第一級開挖深度為5.3 m, 第二級開挖深度為5.0 m；雙排樁(第一級支護結(jié)構(gòu))前后排長度均為27.3 m，單排樁(第二級支護結(jié)構(gòu))長度為14 m，兩級支護間距離取8 m。根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，取模型地下水位位于地面以下1 m。模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束水平和豎向位移。計算剖面如圖3所示。

土體本構(gòu)模型采用CYsoil模型。CYsoil本構(gòu)模型是建立在莫爾庫侖模型之上的雙屈服模型，考慮了在(p,q)平面內(nèi)的橢圓形帽蓋屈服面。橢圓軸的比率α取決于K0的值。該模型可以考慮帽蓋硬化、摩擦硬化及壓縮/膨脹硬化準則。該模型中的指數(shù)m取0.9，泊松比μ為0.2，校準系數(shù)β取2.36，失效比Rf取0.9[11]。各土層的計算參數(shù)見表1?；与p排樁的前后排樁及單排樁分別根據(jù)抗彎剛度等效原則等效為擋土墻。采用襯砌結(jié)構(gòu)單元(liner)進行模擬，第一級支護結(jié)構(gòu)等效厚度取1.0 m，第二級支護結(jié)構(gòu)等效厚度取0.9 m，重度為24 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2。雙排樁前后排樁的連梁采用梁單元(beam)模擬，支護結(jié)構(gòu)與土體之間為摩擦接觸，界面摩擦角和黏聚力的值取相鄰土體參數(shù)的0.7倍[12-13]。

表1　土體CYsoil模型參數(shù)

數(shù)值模擬全過程分為5步：第1步建立土體單元，進行地應(yīng)力平衡；第2步建立支護結(jié)構(gòu)單元，并將初始位移清零(不考慮圍護結(jié)構(gòu)施工影響)；第3步將水位降至地表以下12.3 m處；第4步進行第一級開挖至地表以下5.3 m；第5步進行第二級開挖至地表以下10.3 m[14]。

1.3　計算與實測數(shù)據(jù)對比

圖4　實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

為了監(jiān)測基坑開挖過程中多級支護的變形情況，在基坑西側(cè)采用多級支護的位置布置了兩根測斜管，監(jiān)測基坑開挖過程中作為第一級支護的雙排樁前排樁的水平位移。基坑的樁身水平位移監(jiān)測點9和測點10位于基坑西側(cè)(位置見圖1)。

數(shù)值計算得到的水平位移與實測結(jié)果的對比如圖4所示。數(shù)值模擬中的第一級樁身的最大位移值為4.32 cm，工程實測的測點9的最大水平位移為3.59 cm，測點10的最大水平位移為3.82 cm，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果接近。與一般懸臂支護不同，實測及計算的位移曲線均出現(xiàn)了樁身下部向坑內(nèi)彎曲而上部向坑外彎曲的特征。這主要是由于樁頂?shù)墓诹簩渡砩喜康淖冃纹鸬搅思s束作用。數(shù)值計算與實測結(jié)果的對比表明了數(shù)值模型的可靠性，CYsoil本構(gòu)模型很好地反映了基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的變形特征。

2　無支撐多級支護結(jié)構(gòu)變形參數(shù)分析

圖5　簡化計算模型(單位：m)

2.1　簡化數(shù)值模型

為了進一步研究多級支護幾何參數(shù)對變形的影響，建立簡化的數(shù)值模型進行分析計算。如圖5所示，簡化模型第一、二級支護結(jié)構(gòu)均為地下連續(xù)墻。計算模型整體尺寸取100 m×50 m，基坑外側(cè)寬度取40 m，總開挖深度8 m，不考慮超載和放坡的影響。模型的兩個側(cè)邊約束水平位移、底部約束水平和豎向位移。

由于鄭剛[8-9]等的試驗及數(shù)值分析指出，相對于豎直圍護樁，具有一定傾斜角的圍護樁可產(chǎn)生更小的水平位移和更小的內(nèi)力，因此相同條件下具有一定優(yōu)勢，所以本文在第一級、第二級支護樁也考慮了樁傾斜的情形。

為了消除實際中土層性質(zhì)差異的影響，簡化模型采用單一土層進行分析。本次計算選取了表1中天津地區(qū)典型的粉質(zhì)黏土(土層4)進行計算。模型中的地連墻采用厚度為1 m的liner單元模擬，其重度為24 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2。

2.2　參數(shù)分析

因為坑內(nèi)支護結(jié)構(gòu)的變形受多種因素綜合影響且一般工程中主要關(guān)心基坑最外圍支護結(jié)構(gòu)的變形，所以本文只研究基坑的兩級開挖深度比H1/H2，第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2，兩級支護間距離B。θ1為第一級支護樁傾角，θ2為第二級支護樁傾角。上述幾何參數(shù)分析的具體取值范圍見表2。

表2　幾何參數(shù)取值范圍

2.2.1兩級支護間距離B

對第一級支護結(jié)構(gòu)長度L1取20 m，第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2取12 m，不同開挖深度比H1/H2時，兩級支護間距離B對第一級支護結(jié)構(gòu)水平位移最大值影響如圖6?？梢钥吹?，當B/H小于2.0時，水平位移隨著B的增加急劇下降，對于B/H小于1.0時，位移減小幅度則更大；而B/H大于2.0時，水平位移減小的幅度較小，逐漸趨于平緩，并趨近于與第一級開挖深度相等的懸臂開挖所產(chǎn)生的最大水平位移。以圖6(c)為例，當B/H由0.25增加到1.0時，第一級支護結(jié)構(gòu)水平位移減小約112%，B/H由1.0增加到2.0時，則減小約24%，而B/H由2.0增加到5.0時，則僅減小了13%。對于L2不同的情況，B的影響一致。

由以上分析可知，對于天津軟土地區(qū)的無支撐多級支護結(jié)構(gòu)，兩級支護間距離B對支護結(jié)構(gòu)的變形影響顯著。當兩級支護間距離B小于1倍開挖深度時，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移較大，最大位移隨著B的增加而迅速減??；當B大于2倍開挖深度時，繼續(xù)增大B，不能明顯減小第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移；當B介于1倍和2倍開挖深度之間，增大B可有效地減小第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移。

圖6　兩級支護間距離B與第一級支護最大水平位移關(guān)系

2.2.2開挖深度比H1/H2

圖7　開挖深度比H1/H2與第一級支護最大水平位移關(guān)系

圖7所示為第一級支護結(jié)構(gòu)長度L1為20 m，第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2為12 m時，開挖深度比H1/H2與第一級支護結(jié)構(gòu)最大水平位移的關(guān)系(θ1=0,θ2=0)。圖中顯示了兩級支護間距離B不同時，H1/H2的影響情況。作為對比，計算了僅存在第一級支護的情況下分別開挖2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的最大水平位移情況(圖中曲線‘懸臂開挖’)。

從圖7可以看到，對于B/H非常小(B/H=0.25)的情況，H1/H2為5/3時第一級支護水平位移取得最小值。當B/H處于0.5～1.0之間時，H1/H2取4/4時第一級支護水平位移最小。而當B/H大于2.0，則第一級開挖深度越小，水平位移值越小。出現(xiàn)上述情況的原因是：由于第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2固定為12 m，則意味著第二級開挖深度越大，第二級支護結(jié)構(gòu)的插入比越小，則第二級支護的水平位移越大，而第一級支護的水平位移受到第二級支護的影響。另一方面，第一級開挖深度越大，第一級支護水平位移越大。這是一對矛盾的因素，多級支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化即在于選擇適當?shù)拈_挖深度比，使得第一級支護的水平位移受到第二級開挖影響較小，又要避免第一級開挖造成的第一級支護位移不會太大。

當B/H為0.25時，兩級支護結(jié)構(gòu)間距很小，第二級開挖的影響很大，是主要矛盾，因此出現(xiàn)第一級支護水平位移隨開挖深度比增加而減小的情況。而對H1/H2為6/2時的位移增大，則是第一級開挖成為主要矛盾導致的。

當B/H取0.5～1.0之間時，兩級基坑的開挖有著較強的相互影響，無論哪一級支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大位移都會影響另一級支護結(jié)構(gòu)，而由于兩級支護結(jié)構(gòu)的剛度是相同的，因此兩級基坑開挖深度接近時，各自位移大小也比較一致，此時可以取得較小的位移。

當B/H大于2.0時，兩級基坑開挖的相互影響較弱，B/H越大則越接近只有第一級支護結(jié)構(gòu)的懸臂開挖的情況。因此，此時第一級開挖深度是主要矛盾，第一級開挖深度越小，位移越小。

從上述分析中可以看到，開挖深度比H1/H2對變形的影響與兩級支護間距離B有關(guān)。在兩級支護結(jié)構(gòu)剛度接近的情況下，如果B很小時(小于0.5倍開挖深度)，開挖深度比越大，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移越??；如果B大小適中(0.5～2.0倍開挖深度)，兩級開挖深度越接近，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移越??；如果B較大(2.0倍開挖深度以上)，開挖深度比越大，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移越大。

但是，對于減小第一級開挖深度的方法，實際是以增加第二級支護結(jié)構(gòu)的變形(尤其是對B較大的情況)為代價的。因此，更合理的開挖深度分配應(yīng)該是根據(jù)兩級支護結(jié)構(gòu)的剛度及嵌固深度不同，使剛度較大或嵌入深度較大的一級支護結(jié)構(gòu)支擋較大的開挖深度。對于剛度接近或嵌固效果相當?shù)那闆r，則適宜選擇均勻分配開挖深度。

圖8　第二級支護長度L2與第一級支護最大水平位移關(guān)系

2.2.3第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2

當?shù)谝患壷ёo結(jié)構(gòu)長度L1為20 m開挖深度比H1/H2為4/4時，不同的兩級支護間距離B情況下第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2對第一級支護最大水平位移的影響如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)只有當B很小時，L2才對位移有較大影響。這主要還是因為B值較大時，第二級支護變形對第一級支護影響減小。當B值大于1.0倍開挖深度時，L2變化的影響就幾乎可以忽略了。又由圖8可知，在B很小(B/H=0.25)的情況下，L2的增加最多使位移減小了28%，并且L2的增加只是在一定范圍內(nèi)影響較大，當?shù)谝缓偷诙壷ёo結(jié)構(gòu)底部等深度時，繼續(xù)增加L2對水平位移的影響就很小了。

因此，當兩級支護間距離B較大時，增加第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2，對于控制第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移的影響不大；只有在兩級支護間距離B很小的情況下，且在一定范圍內(nèi)增加第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2，才可比較有效地控制第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移。

2.2.4第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2

為了研究第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2對第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移的影響，設(shè)兩級支護間距離B為4 m，開挖深度比H1/H2取4/4，第一級支護支護結(jié)構(gòu)長度L1為20 m，第一級支護結(jié)構(gòu)傾角θ1為0°時，第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2為12 m，第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2分別取0°、5°、10°、15°和20°時，得到第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2與第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移的關(guān)系曲線，如圖9所示。

由圖9可知，當?shù)诙壷ёo結(jié)構(gòu)傾θ2從0°增大到20°時，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大位移減小了25.44%，且二者幾乎呈線性相關(guān)。由此可知，增大第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2，可有效地控制第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移。

2.2.5第一級支護結(jié)構(gòu)傾角θ1

保持兩級支護間距離B為4 m，開挖深度比H1/H2為4/4，第一級支護結(jié)構(gòu)長度L1取20 m，第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2為20°，第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2為12 m，第一級支護結(jié)構(gòu)傾角θ1分別取0°、5°、10°、15°和20°時，得到第一級支護結(jié)構(gòu)傾角θ1與第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖9　第二級支護傾角θ2與第一級支護的最大水平位移關(guān)系

圖10　第一級支護傾角θ1與第一級支護最大水平位移的關(guān)系

由圖10可以看出，當?shù)谝患壷ёo結(jié)構(gòu)傾角θ1從0°增大到20°時，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移值減小了39.97%。由此可知，增大第一級支護結(jié)構(gòu)傾角θ1，對于減小第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移值的作用明顯。

3　結(jié)論與建議

采用數(shù)值方法對天津軟土地區(qū)的大面積深基坑無支撐兩級支護結(jié)構(gòu)的變形特性進行分析，得到以下結(jié)論：

(1)兩級支護間距離B是影響支護結(jié)構(gòu)變形的主要因素，當兩級支護間距離B小于1倍開挖深度時，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移隨著B的增大而迅速減?。划攦杉壷ёo間距離B介于1倍和2倍開挖深度時，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移會隨著B的增大而減小，但減小的幅度較?。划攦杉壷ёo間距離B大于2倍開挖深度時，繼續(xù)增大B，不能有效地減小第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移。

(2)開挖深度比H1/H2對支護結(jié)構(gòu)變形的影響，受兩級支護間距離B影響。在B很小的情況下，在一定范圍內(nèi)增大開挖深度比H1/H2，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移減小，但當H1/H2過大時，位移將會增大；如果B大小適中(0.5～2.0倍開挖深度)，兩級開挖深度越接近，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移越??；如果B較大(2.0倍開挖深度以上)，開挖深度比越大，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移越大。

(3)第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2對支護結(jié)構(gòu)變形的影響不大，且與兩級支護間距離B有關(guān)。當兩級支護間距離B較大時，增加第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2對減小第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移的作用不大；只有在兩級支護間距離B很小的情況下，且在一定范圍內(nèi)增加第二級支護結(jié)構(gòu)長度L2，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移會隨著L2的增大而減小。

(4)支護結(jié)構(gòu)的傾角對支護結(jié)構(gòu)變形影響很大。在支護結(jié)構(gòu)傾角不大于20°的情況下，增大第一級支護結(jié)構(gòu)傾角θ1和第二級支護結(jié)構(gòu)傾角θ2，第一級支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移值將減小，且二者幾乎呈線性關(guān)系。

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