黃河沖積互層深基坑圍護(hù)樁插入比優(yōu)化分析

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(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島　266590； 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南　250101)

1　研究背景

黃河“水少沙多、水沙異源”，歷史上多次改道留下了厚沖積土層，形成了大面積沖積平原。上游多為砂卵石層，中游多為砂粉質(zhì)土層，下游多為黏性土層，且多有夾層及互層，豎向異性。砂卵石層中含水量豐富，砂粉質(zhì)土有液化傾向，黏性土塑性較高。以濟(jì)南地區(qū)為例，該地區(qū)處于魯西南低丘平原、魯西北黃泛平原和魯中的山前沖積平原三者的過(guò)渡地帶上，地基土層屬第四系，土層重度隨深度增加，下部土層較密實(shí)，滲透系數(shù)較小，液性指數(shù)在0.2～0.8之間，處于硬塑或可塑狀態(tài)，土體壓縮模量隨深度增加變化較小。研究黃河厚沖積地層巖土體的物理力學(xué)特性，深入分析該地區(qū)深基坑變形特征，對(duì)設(shè)計(jì)施工及后續(xù)的維護(hù)等具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)踐意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)深基坑插入比及黃河厚沖積平原深基坑穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，Poh等[1]利用EXCAV有限元軟件研究了插入比對(duì)樁墻水平位移和樁彎矩的影響；高新南等[2]利用深基坑變形分析軟件研究了在滲流穩(wěn)定作用下圍護(hù)樁的變形規(guī)律，定量確定了蘇州地區(qū)深基坑圍護(hù)樁插入比取值；李淑等[3]、楊將等[4]對(duì)北京地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比進(jìn)行研究，得出深基坑地表沉降與插入比大小成反比，圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度應(yīng)控制在(1.2～1.4)h(h為基坑深度)之間；陳斌等[5]通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出圍護(hù)樁開(kāi)挖深度與圍護(hù)樁的剛度成反比，樁位變化曲線呈線性變化；武朝軍等[6]通過(guò)對(duì)比上海地區(qū)地層條件，得出蘇州地鐵車(chē)站在插入比為0.86下深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移約為0.16%H，墻后最大地表沉降值約為0.13%H；李四維等[7]利用數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出基坑樁體的嵌固深度在一定范圍內(nèi)每增加1 m，基坑變形比減小1倍；徐飛等[8]分析了黃河沖積平原地區(qū)超大型深基坑在特定插入比下結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。但在這些研究中，未對(duì)黃河厚沖積層地區(qū)深基坑插入比影響深入研究，土層質(zhì)量系數(shù)和土壓力折減系數(shù)的選取也沒(méi)有具體體現(xiàn)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D和理論分析細(xì)化插入比的取值范圍，以山東省文化藝術(shù)中心深基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，研究深基坑在開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)樁側(cè)向位移、沉降以及錨索軸力的變化特征，旨在優(yōu)化樁體的插入比，為該地區(qū)開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算與施工提供參考。

2　插入比分析與理論計(jì)算

樁體插入比λ是指基坑支護(hù)工程中，豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑底面以下長(zhǎng)度與基坑底面以上長(zhǎng)度之比,即

λ=(L-H)/H。

(1)

式中：L為豎向圍護(hù)樁的長(zhǎng)度；H為基坑底面以上樁體的長(zhǎng)度。

插入比過(guò)小時(shí)，對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性、基坑底抗隆起穩(wěn)定性影響較大，基坑變形過(guò)大導(dǎo)致失穩(wěn)，且影響跨度較大的基坑抗浮穩(wěn)定參數(shù)值，進(jìn)而產(chǎn)生滲流和底鼓等現(xiàn)象；插入比過(guò)大時(shí)，樁和基坑的穩(wěn)定性不會(huì)隨插入比的增大明顯變化，反而會(huì)增加工程造價(jià)，延長(zhǎng)施工工期。因此，基坑施工過(guò)程中，必須確定合適的插入比才能實(shí)現(xiàn)工程安全和經(jīng)濟(jì)的共贏。

2.1　土層質(zhì)量對(duì)插入比的影響

黃河厚沖積層地質(zhì)條件好，地層參數(shù)較高，為河流相多元沖積結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是微欠固結(jié)，成層性和孔隙承壓水，土體相對(duì)穩(wěn)定。考慮黏聚力和內(nèi)摩擦角均值下的土層質(zhì)量參數(shù)Φ為

(2)

其中：

(3)

(4)

圖1　土層質(zhì)量參數(shù)與插入比關(guān)系Fig.1　Relationship betweenquality index of soil layerand pile insertion ratio

將式(3)、式(4)代入式(2)得到土層質(zhì)量參數(shù)為

(5)

插入比λ與土層質(zhì)量參數(shù)Φ關(guān)系式為

λ=-0.012 7Φ+1.376。

(6)

將式(5)代入式(6)可得

(7)

分析發(fā)現(xiàn)：深基坑的土層質(zhì)量參數(shù)與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比存在某種特定聯(lián)系?，F(xiàn)調(diào)取34組無(wú)特殊條件的圍護(hù)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)和12組地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，探討支護(hù)結(jié)構(gòu)插入比與土層質(zhì)量參數(shù)之間的關(guān)系，如圖1所示。

由圖1可以看出，圍護(hù)樁的插入比與土層質(zhì)量參數(shù)成反比，且線性擬合系數(shù)R2=0.714，與式(6)所得結(jié)果一致，土層質(zhì)量越好，插入比越小，符合常理。針對(duì)黃河厚沖積層地區(qū)，深基坑插入比設(shè)計(jì)計(jì)算中要充分考慮土層質(zhì)量參數(shù)的影響，合理利用其對(duì)樁體的作用效果。

圖1中2條水平虛線分別表示插入比為0.4和0.6，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，超過(guò)85%位于這2條虛線之間，由此得出圍護(hù)排樁支護(hù)和地連墻支護(hù)的插入比取值區(qū)間大致在0.4～0.6之間。盲目增加樁體插入比，不僅增加工程造價(jià)，也使施工難度大大提高[9]，因此必須依托土層質(zhì)量的研究結(jié)果，提高樁體的利用率。針對(duì)濟(jì)南特殊地層條件下樁體插入比的最優(yōu)計(jì)算方案，以下作了詳細(xì)分析。

2.2　最優(yōu)插入比計(jì)算

圖2　基坑結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖Fig.2　Forces acting onfoundation pit structure

圍護(hù)樁的插入比是決定深基坑穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵參數(shù)。圍護(hù)樁合適的入土深度不僅關(guān)系到基坑的穩(wěn)定性，更是關(guān)乎結(jié)構(gòu)整體的可靠度?；咏Y(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，圖中:F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為基坑所受錨索、鋼支撐、混凝土支撐作用力;H為基坑深度;q為地面均布荷載;C點(diǎn)為基坑下部深入土體的圍護(hù)樁在受力作用下的反彎點(diǎn);RC為反彎點(diǎn)作用力;h5為反彎點(diǎn)深度;h6為反彎點(diǎn)距樁底深度。

2.2.1引入土壓力折減系數(shù)μ

入土深度的假定系數(shù)試算是處理技術(shù)問(wèn)題的一種方法，然而得到的結(jié)果仍然有一定程度的近似。本文作了直接簡(jiǎn)化，并嘗試提出計(jì)算方法。由于主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力不可能完全發(fā)揮，即發(fā)揮度不會(huì)永遠(yuǎn)等于100%，所以在圍護(hù)樁的計(jì)算時(shí)，土壓力需折減處理，假設(shè)土壓力折減系數(shù)為μ。根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]以及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[12]第2.2.6條附注“對(duì)抗傾覆和抗滑移有用的永久荷載，其土壓力的分項(xiàng)折減系數(shù)可取0.9”，結(jié)合研究的護(hù)坡樁所承受的永久荷載得到土壓力的荷載分項(xiàng)系數(shù)有2種情況：①主動(dòng)土壓力折減系數(shù)取1.2；②被動(dòng)土壓力折減系數(shù)取0.9。

2.2.2單支撐或單錨圍護(hù)樁入土深度計(jì)算

為了便于分析與計(jì)算作出如下假設(shè)：基坑土為砂礫，黏聚力C=0，各支撐處為鉸支連接。則朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)為

Ka=tan2(45°-φ/2)。

(8)

式中φ為填土的內(nèi)摩擦角(°)。

折減后的朗肯主動(dòng)土壓力系數(shù)為

(9)

朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)為

Kp=tan2(45°+φ/2)。

(10)

折減后的朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)為

(11)

此處引入相關(guān)系數(shù)η為

(12)

其中：

α=h1/H；β=q/(γH)；

λ=x/H；x=h5+h6。

式中：λ為圍護(hù)樁的插入比；h1為第1個(gè)支撐到樁頂?shù)木嚯x；γ為土的重度；x為圍護(hù)樁的入土深度；α，β為引入常數(shù)。

當(dāng)圍護(hù)樁橫撐設(shè)在樁頂(即h1=0)時(shí)，式(12)可簡(jiǎn)化為

(13)

同時(shí)結(jié)合黃河沖積平原地區(qū)深基坑插入比相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，得到插入比λ的參考取值，如表1所示。

表1　圍護(hù)樁插入比的參考取值Table 1　Reference values of insertion ratio ofsupporting pile

參考表1,對(duì)于濟(jì)南地區(qū)黃河厚沖積層地區(qū)單支撐或單錨支護(hù)基坑的插入比分析，可直接由地層參數(shù)和地表均布荷載確定插入比取值區(qū)間。

2.2.3應(yīng)用等值梁法計(jì)算圍護(hù)樁的入土深度

國(guó)內(nèi)學(xué)者陸培毅等[13]通過(guò)對(duì)被動(dòng)區(qū)土彈簧抗力引進(jìn)彈塑性假設(shè)，解決了利用彈性抗力法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度問(wèn)題，但其在計(jì)算過(guò)程中安全系數(shù)的確定還不夠完善，而且計(jì)算方法局限性比較大。為了更準(zhǔn)確地確定入土深度，在此引入等值梁法計(jì)算方法，將計(jì)算插入比與表1以及后續(xù)模擬結(jié)果對(duì)比，使結(jié)果最優(yōu)。

首先，應(yīng)用等值梁法計(jì)算插入比，圍護(hù)樁彎矩為0的點(diǎn)假設(shè)為鉸點(diǎn)支座，利用土壓力強(qiáng)度為0處(即點(diǎn)C)與彎矩為0處接近重合的原理，把該點(diǎn)視為理想鉸點(diǎn)，則點(diǎn)C距離基坑底的距離為

(14)

由式(14)可求出點(diǎn)C到基坑底的距離h5，可視樁(H+h5)段為一簡(jiǎn)支梁，如圖3所示。

圖3　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)化模型Fig.3　Simplified model of the structuralsimply-supported beam

圖3中點(diǎn)C的支座反力RC可認(rèn)為與CD段的土壓力等效，即可根據(jù)圖3的CD段求得RC為

(15)

由式(15)可以求出圍護(hù)樁h6，其計(jì)算式為

(16)

當(dāng)?shù)孛娴木己奢d為0或者很小可以忽略(即q=0)時(shí)，式(16)可簡(jiǎn)化為

(17)

聯(lián)立式(15)和式(17)可求出樁入土深度。

其次，利用等值梁法計(jì)算圍護(hù)樁的入土深度，支座反力RC和CD段樁前土壓力對(duì)圍護(hù)樁樁底D點(diǎn)力矩相等，當(dāng)q=0時(shí)，可得

(18)

圍護(hù)樁的入土深度為

(19)

2.2.4多支撐或多錨支護(hù)圍護(hù)樁入土深度計(jì)算

對(duì)于多支撐或多錨支護(hù)的圍護(hù)樁插入比的計(jì)算，當(dāng)樁前和樁后土壓力分布符合假設(shè)要求時(shí)也可采用等值梁法計(jì)算，按簡(jiǎn)化連續(xù)梁模型計(jì)算支座反力RC，進(jìn)而求得樁的插入比，此處對(duì)其不再贅述。

3　工程概況

山東省文化藝術(shù)中心工程地處黃河及小清河沖積形成的平原地帶，為典型的黃河厚沖積黏土地層。水文地質(zhì)單元位于西郊玉符河隱伏沖積扇前緣砂、礫石富水區(qū)，地下水類(lèi)型為第四系孔隙潛水地層，綜合滲透系數(shù)可取k=16.5 m/d，場(chǎng)地靜止水位埋深3.95～5.55 m，詳勘階段地下動(dòng)水位標(biāo)高15.47～19.20 m。鉆探揭示地層上部為黃河、小清河沖積成因的黏性土、粉土等，下部為山前沖洪積成因的黏性土、砂土、卵石土，局部含砂層?；又ёo(hù)土體各土層參數(shù)如表2所示。

表2　基坑支護(hù)土體各土層主要物理力學(xué)參數(shù)Table 2　Physical and mechanical parameters of each soil layer of the foundation pit

基坑開(kāi)挖按一個(gè)整體基坑考慮，基坑開(kāi)挖范圍271 m×192 m(長(zhǎng)×寬)，挖深H為18.7 m?？紤]基坑的穩(wěn)定性、安全性及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，基坑-7.2 m以上按1∶0.8放坡開(kāi)挖，并設(shè)置3道土釘，土釘長(zhǎng)度分別為9，6，6 m，土釘與水平面的夾角為5°，掛網(wǎng)噴混凝土；-7.2 m以下采用單排樁支護(hù)，圍護(hù)樁樁長(zhǎng)為22.3 m，直徑為0.8 m，樁間距為1.5 m，樁頂設(shè)置1 m×0.8 m(長(zhǎng)×寬)的壓頂冠梁以提高基坑整體穩(wěn)定性；樁身設(shè)置3條不同長(zhǎng)度錨索，從上往下長(zhǎng)度依次為25，28，25 m，錨索間距依次為4.0，4.0，3.5 m，錨索與水平面的夾角為15°，如圖4所示。

圖4　支護(hù)結(jié)構(gòu)和地層概況簡(jiǎn)圖Fig.4　Sketch of support structure and soil strata

圖5　三維計(jì)算模型示意圖Fig.5　Schematic diagramof the 3D model

4　數(shù)值模擬分析

4.1　計(jì)算模型

根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，基坑三維計(jì)算模型取實(shí)際基坑一半進(jìn)行模擬，如圖5所示。本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，地層物理力學(xué)參數(shù)參考地質(zhì)勘察資料提供的固結(jié)快剪試驗(yàn)指標(biāo)，將模型概化分成9層，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁堆載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以0.98的逼近率反演優(yōu)化地層參數(shù)。圍護(hù)樁樁體采用實(shí)體單元，土釘與錨索均采用Cable單元，根據(jù)其撓度和屈服強(qiáng)度選取參數(shù)。

4.2　數(shù)值模擬過(guò)程

(1)初始應(yīng)力場(chǎng)的確定。

(2)按照1∶0.8放坡開(kāi)挖并進(jìn)行土釘墻施工，開(kāi)挖到-7.2 m處。

(3)開(kāi)挖第1層土體，施工指定插入比下的圍護(hù)樁和壓頂冠梁，設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并施加第1道預(yù)應(yīng)力錨索(25 m)，開(kāi)挖至-11.2 m處。

(4)開(kāi)挖第2層土體，施加第2道預(yù)應(yīng)力錨索(28 m)，開(kāi)挖至-15.2 m處。

(5)開(kāi)挖第3層土體，并施加第3道預(yù)應(yīng)力錨索(25 m)，開(kāi)挖至-18.7 m處，即坑底。

(6)調(diào)取模擬數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析研究。

(7)變換插入比，重復(fù)步驟。

4.3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

由上文統(tǒng)計(jì)可知：根據(jù)土層質(zhì)量確定的黃河厚沖積層插入比范圍為0.4～0.6。為了更清晰地分析插入比變化對(duì)基坑內(nèi)力和整體變形規(guī)律，模擬時(shí)設(shè)定插入比范圍為0.3～0.8，步長(zhǎng)為0.1，在插入比0.4～0.7之間加密3次，具體計(jì)算方案如表3所示。

表3　模擬方案Table 3　Simulation schemes

4.3.1插入比對(duì)穩(wěn)定性參數(shù)影響

以水平位移為標(biāo)準(zhǔn)判定圍護(hù)樁的穩(wěn)定狀態(tài)。圖6(a)所示為數(shù)值計(jì)算過(guò)程中圍護(hù)樁最大側(cè)向位移隨插入比的變化趨勢(shì)，顯然增加插入比可以有效地減小樁體的側(cè)向位移。計(jì)算結(jié)果顯示：當(dāng)插入比<0.4時(shí)，樁體最大側(cè)向位移受插入比影響明顯；當(dāng)插入比為[0.3, 0.4)時(shí)，樁體最大側(cè)向位移減小幅度為6 mm；當(dāng)插入比為[0.4,0.55)時(shí)，側(cè)向位移降幅為2.4 mm；而當(dāng)插入比增加到0.6時(shí)，繼續(xù)增大插入比幾乎對(duì)樁體最大側(cè)向位移無(wú)影響，說(shuō)明此時(shí)已滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，繼續(xù)增加插入比(0.6～0.8)，最大側(cè)向位移的減小幅度僅為0.7 mm，對(duì)控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形效果并不明顯，反而會(huì)增加工程造價(jià)和施工難度。以上研究結(jié)果與高夕良[14]、王國(guó)富等[15]通過(guò)理論計(jì)算的方法得到的規(guī)律相似。支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移并不隨插入比的增大而無(wú)限制地減小，當(dāng)插入比達(dá)到一定值時(shí)，企圖通過(guò)增加插入比減小側(cè)向位移是不可取的。

基坑穩(wěn)定性的另一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)為地表沉降，樁前土體的開(kāi)挖導(dǎo)致基坑應(yīng)力重新分布產(chǎn)生新的平衡，放大效果即為樁體的變形導(dǎo)致的地面沉陷。圖6(b)所示為基坑地表最大沉降量隨插入比的變化規(guī)律。當(dāng)插入比為[0.3,0.4)時(shí)，降幅為6 mm，而當(dāng)插入比為[0.4,0.55)時(shí)，降幅僅為2.1 mm。此后，沉降變化趨勢(shì)并不明顯，地表沉降隨插入比的變化規(guī)律同側(cè)向位移隨插入比的變化規(guī)律相同。

圖6　插入比與樁體最大側(cè)向位移量和地表最大沉降量之間的關(guān)系Fig.6　Variation of maximum lateral displacement andmaximum subsidence of ground surface againstinsertion ratio of pile

由圖6也可得出，當(dāng)插入比<0.4時(shí)，基坑變形較大，這是因?yàn)椋孩偃胪辽疃刃?dǎo)致反彎點(diǎn)距離基坑底過(guò)小；②基坑-7.4～-12.9 m深度范圍內(nèi)土層為中砂和粉質(zhì)黏土，而中砂和粉質(zhì)黏土呈軟塑-流塑狀態(tài)，流塑性增大就會(huì)導(dǎo)致側(cè)壓系數(shù)增加，繼而導(dǎo)致側(cè)壓力增大。工程實(shí)例中基坑實(shí)際插入比為0.58，樁端持力層為第⑥層黏土，土層塑性指數(shù)Ip1>17，上部粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)100.55后優(yōu)化效果不明顯。因?yàn)橛?jì)算模型中未考慮水位及滲流對(duì)基坑變形的影響，所以導(dǎo)致圖6中模擬計(jì)算結(jié)果高出預(yù)估值。

4.3.2模擬變形云圖對(duì)比

通過(guò)對(duì)9種不同方案的數(shù)值模擬計(jì)算，選取最有代表性的方案1、方案2、方案5、方案6進(jìn)行展示(各方案插入比分別為0.30，0.40，0.55，0.60)，如圖7所示。各方案下變形最大處均發(fā)生在基坑頂部，隨后沿應(yīng)力弧由上及下擴(kuò)散，變形逐漸減小。圖7(a)云圖中變形最大，最大值達(dá)20.3 mm；其次為圖7(b)，最大值達(dá)15.3 mm；圖7(c)中變形最大值為10.2 mm;圖7(d)中變形最大值為0.1 mm,與圖7(c)很接近。由此可見(jiàn)當(dāng)插入比為在0.40和0.55時(shí)基坑抗傾覆穩(wěn)定性與抗底鼓穩(wěn)定性已基本達(dá)到要求?；谝陨?種方案差異可知：①方案1中圍護(hù)樁入土深度太小，違背了基坑可靠度準(zhǔn)則；②則與其樁端持力層性質(zhì)有關(guān)，方案1樁端位于中密(稍濕)的中砂層，方案2樁端位于粉質(zhì)黏土層，方案5中土層為硬塑狀態(tài)的黏土，土層重度、密實(shí)度與深度存在正比關(guān)系，與理論計(jì)算結(jié)果吻合。

圖7　4種插入比模擬變形云圖對(duì)比Fig.7　Contours of simulated displacement in thefoundation pit with four insertion ratios

4.3.32種方案與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比插入比分別為0.55和0.40下的數(shù)值模擬方案與理論計(jì)算方案，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，如圖8所示。由圖中數(shù)據(jù)對(duì)比可知：計(jì)算方案(插入比為0.40)下累計(jì)沉降位移最大值為7.8 mm，相對(duì)實(shí)測(cè)增大了11.4%；模擬方案(插入比為0.55)最大累計(jì)位移7.5 mm，相對(duì)實(shí)測(cè)增大了7.1%。2種優(yōu)化方案與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(插入比為0.58)下地表沉降累計(jì)位移相差不大，而2種方案的插入比卻優(yōu)化了將近一半，故由此得出實(shí)際方案中樁體插入比設(shè)計(jì)不合理，原因可能是設(shè)計(jì)中未考慮地層條件(土層質(zhì)量)對(duì)樁底的作用效果。

圖8　2種方案與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降累計(jì)位移對(duì)比Fig.8　Comparison between cumulative displacements intwo schemes and measured data

5　插入比實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

以上對(duì)插入比優(yōu)化進(jìn)行了理論計(jì)算和數(shù)值模擬，但所得結(jié)果還需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)比分析。以山東省文化中心深基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，該深基坑圍護(hù)樁插入比為0.61，現(xiàn)調(diào)取該深基坑樁體水平位移、豎向位移、錨索軸力隨時(shí)間增長(zhǎng)的累計(jì)變化值作為參考。

5.1　樁體水平位移

5.1.1樁頂水平位移

基坑支護(hù)樁頂?shù)墓诹荷喜荚O(shè)測(cè)點(diǎn)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出各圍護(hù)樁樁體的水平位移隨開(kāi)挖進(jìn)度(時(shí)間)的變化趨勢(shì)，如圖9所示。

圖9　圍護(hù)樁樁頂水平位移Fig.9　Horizontal displacement at the top of supporting pile

如圖9所示，10#樁樁頂水平位移出現(xiàn)負(fù)值，即樁頂向基坑外部移動(dòng)，是由于該樁體位于基坑的陽(yáng)角處，但位移較小，僅為2.5 mm(約0.013%H)。其他測(cè)點(diǎn)處水平位移最大值為8.1 mm(約0.04%H)，未超過(guò)樁頂水平位移報(bào)警值(0.1%H)，且距報(bào)警值相差較大。

5.1.2深層水平位移

由于10#和11#樁未安裝測(cè)斜管，因此,只調(diào)取1#,2#,3#樁測(cè)斜數(shù)據(jù)分析。由圖10測(cè)斜數(shù)據(jù)可知，1#樁深層水平位移最大值為10.7 mm；2#樁深層水平位移最大值為14.2 mm；3#樁深層水平位移最大值為16.6 mm；最大深層水平位移范圍在(0.06%～0.09%)H范圍內(nèi)，均未超過(guò)深層水平位移報(bào)警值50 mm(0.27%H)，且最大位移數(shù)值距報(bào)警值尚有33.4 mm，約0.18%H。

圖10　圍護(hù)樁深層水平位移Fig.10　Deep horizontal displacement of supporting pile

圖10中顯示圍護(hù)樁的最大位移值出現(xiàn)在支護(hù)樁的第3道錨索附近，距離坑底8 m左右。且各支護(hù)樁的位移形狀基本相同，出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象。樁底部的位移很小，未出現(xiàn)“踢腳”現(xiàn)象，在澆筑底板期間上半部分土體未發(fā)生明顯的蠕變，反而出現(xiàn)了回移現(xiàn)象?；右验_(kāi)挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高，土體荷載充分釋放，基坑下半部分土體產(chǎn)生了蠕變變形[16]。

5.2　樁頂豎向位移

圖11所示，1#樁的豎向變形較大，豎向位移最大值為8.9 mm(約0.05%H)，未超過(guò)樁頂最大豎向位移報(bào)警值0.08%H，最大豎向位移距報(bào)警值約為0.03%H。

圖11　樁頂豎向位移Fig．11　Verticaldisplacementatthetopofsupportingpile

6　結(jié)　論

(1)考慮土壓力折減系數(shù)，基于黃河厚沖積平原深基坑插入比統(tǒng)計(jì)分析，得到了不同地面均布荷載所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)插入比參考取值。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，當(dāng)插入比<0.4時(shí)，基坑變形較大，繼續(xù)增大插入比，可顯著提高基坑穩(wěn)定性；當(dāng)插入比>0.55時(shí)，繼續(xù)增加插入比對(duì)減小基坑變形作用并不明顯，造價(jià)卻大大提高。因此，根據(jù)本文的研究結(jié)果綜合判斷插入比的合理設(shè)計(jì)值為0.55。

(3)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得：插入比在0.58時(shí)，圍護(hù)樁側(cè)向位移、沉降的變化幅度不大，距離報(bào)警值有一定的安全儲(chǔ)備，此時(shí)樁端持力層為第⑥層黏土，上層為粉質(zhì)黏土，兩者均屬“黏性土”，工程力學(xué)特征相近，因此理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果符合工程規(guī)律和實(shí)踐要求，可以實(shí)現(xiàn)支護(hù)優(yōu)化。

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