深基坑雙排樁數(shù)值模擬研究與實測分析

鄧學(xué)錚， 周　毅

(成都興蜀勘察基礎(chǔ)工程公司，四川成都 610000)

近幾年來，我國社會發(fā)展加快，城市的樓層越來越高，許多地區(qū)為了減小土地使用率、更大程度地減少環(huán)境破壞，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[1]，在我國土地可利用率逐漸減小的條件下，由二維發(fā)展到三維成了許多城市建筑的發(fā)展趨勢，帶動著建筑業(yè)向高層次、大深度的方向發(fā)展，因此，城市的深基坑工程逐漸增多。

深基坑開挖對周圍環(huán)境的影響隨著開挖深度的增加愈來愈嚴(yán)重，而且場地條件的限制也使很大部分的基坑的施工不能采用放坡開挖，因為深基坑工程的施工場地大多位于市中心；另外，由于許多交通要道往往存在于深基坑工程附近，所以如果現(xiàn)場出現(xiàn)了安全事故，將會帶來很嚴(yán)重的后果[2]。所以應(yīng)特別注意基坑工程的支護設(shè)計，避免支護結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)造成基坑側(cè)壁變形失穩(wěn)。

目前，我國在基坑工程的支護設(shè)計方面已經(jīng)取得了很大成就。其中雙排樁發(fā)展迅速，我國開始于20世紀(jì)90年代中期，作為一種空間門式結(jié)構(gòu)體系的超靜定結(jié)構(gòu)，其具有適應(yīng)多變的復(fù)雜的外荷載能力，側(cè)向剛度有長足的提高，可以使基坑側(cè)向與深度變形得到有效控制。2006年，王旭[3]應(yīng)用ANSYS軟件對雙排樁的受力情況進行了二維模擬分析。2008年聶慶科[4]等，結(jié)合現(xiàn)場施工的實測數(shù)據(jù)，分析基坑開挖過程中的空間效應(yīng)，結(jié)合工程背景，對雙排樁的樁頂變形、樁身彎矩、樁身深層位移以及土壓力變化情況進行了數(shù)值模擬研究。伴隨著科技的發(fā)展，理論與實踐的結(jié)合緊密，研究方法水平的逐步提高，研究方法由原始的極限平衡法到彈性地基梁法[5]，再到現(xiàn)今的有限元分析的數(shù)值模擬方法，近十幾年得到了高速的發(fā)展，充分表明雙排樁支護形式在現(xiàn)今實際工程中具有很明顯的實用性。

本文以成都城市音樂廳深基坑支護項目工程實際背景為依托，運用FLAC3D結(jié)合實際工程進行相應(yīng)的數(shù)值模擬，根據(jù)具體工程施工工序進行對應(yīng)的模擬計算，并結(jié)合實測分析研究了雙排樁—錨索復(fù)合支護結(jié)構(gòu)體系在成都地區(qū)應(yīng)用的受力機理、變形特征，影響因素。研究雙排樁-錨索復(fù)合支護結(jié)構(gòu)體系在成都地區(qū)基坑支護中的實際工程價值。

1　工程概況

擬建場地位于成都市武侯區(qū)一環(huán)路南一段和民主路交匯處，場地南側(cè)為一環(huán)路南一段，交通便利，區(qū)域優(yōu)勢明顯。

1.1　工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，場地上覆第四系人工填土(Q4ml)，其下由第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)成因的粉質(zhì)黏土、中砂及卵石組成，下伏白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖(K2g)，場地地貌單元屬岷江水系Ⅰ級階地。工程地質(zhì)條件如表1所示。

表1　現(xiàn)場土層物理性質(zhì)及厚度

1.2　水文地質(zhì)條件

該工程經(jīng)勘探得知上部分由上層滯水、孔隙水以及基巖裂隙水三種構(gòu)成。位于強風(fēng)化基巖內(nèi)的裂隙水涌水較小，基巖的滲透性能較差，屬于透水性能較弱的巖層，對基坑的設(shè)計以及施工整體上沒有影響，可能會在施工灌注樁期間造成影響。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)報告及相關(guān)資料，依據(jù)工程經(jīng)驗及類似工程的降水設(shè)計，采用降水井在基坑整個施工期間降水，在工程期間可以假定基坑不受地下水位變化的影響。

1.3　監(jiān)測點布置

為了能夠準(zhǔn)確有效地采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，取基坑周圍2倍的基坑開挖深度的范圍對本基坑進行相應(yīng)的監(jiān)測。本工程監(jiān)控量測平面圖如圖1。

圖1　監(jiān)控測量平面布置

1.4支護方案

本文以雙排樁為具體分析對象，這部分用的是雙排樁+錨索的復(fù)合支護形式。樁長為26.4 m，嵌固深度5.6 m，錨索和樁之間的距均為2.5 m，樁徑1.0 m，上下共四道錨索，采用C30商品混凝土，冠梁尺寸為1.0 m×0.6 m。本段的支護方案剖面如圖2所示。

圖2　雙排樁結(jié)構(gòu)

2　監(jiān)測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測工作從2016年10月28號至2017年3月10號。歷時120 d左右。

2.1　現(xiàn)場監(jiān)測

本文主要以雙排樁為主要研究對象，據(jù)此本文主要分析：樁頂位移、錨索軸力和樁體位移?，F(xiàn)場監(jiān)測點布置圖如圖3、圖4。

圖3　樁頂位移監(jiān)測點

圖4　測斜監(jiān)測

2.2　樁頂水平位移

在雙排樁邊選取7個監(jiān)測點S2～S8(圖1)為主要研究對象，圖5為選取雙排樁在基坑開挖過程中樁頂水平位移的變化情況。規(guī)定：這里正數(shù)說明往基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生位移，負數(shù)說明向基坑外側(cè)發(fā)生位移。

圖5　基坑樁頂水平位移-時間變化曲線

如圖5可知：測點S2、S3、S7、S8由于位于基坑的邊緣，受兩側(cè)支護結(jié)構(gòu)的限制作用，樁頂位移相對較小；測點S4、S5、S6的位移在基坑開挖的初期迅速增長，伴隨后期錨索的施工，后期位移變化趨于一定的穩(wěn)定。從圖5看出，樁頂水平位移測量均小于25 mm，未達到預(yù)警值，說明整個施工過程中，基坑的支護結(jié)構(gòu)是安全的。

2.3　圍護樁樁身變形

采用滑動測斜儀來監(jiān)測樁體的水平位移，現(xiàn)場量測時每隔0.5 m測量一次，針對各節(jié)點，前、后排樁的樁體水平位移曲線如下所示，這里正數(shù)說明往基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生偏移，負數(shù)說明向基坑外側(cè)發(fā)生偏移(圖6、圖7)。

(a)前排樁位移　　　 (b)后排樁位移圖6　樁體水平位移

圖7　基底時前、后排樁的水平位移對比

分析圖6、圖7可以得出：隨著基坑開挖深度的進行，樁體位移逐漸變大，開挖初期位移增速相對較緩，后期隨著開挖深度的增加，位移增長速率增大，挖至基底時前排樁在-14.0 m處發(fā)生最大位移17.37 mm,后排樁在-12.0 m位置處發(fā)生最大位移14.50 mm,后排樁位移變形量相對前排樁較小，可以看出在排樁支護體系中前排樁發(fā)揮主要作用。前后排樁身變形大致保持一致，說明前后排樁在冠梁以及錨索的共同作用下發(fā)揮了很好的整體作用。

2.4　錨索軸力

分析圖8可得，錨索在布設(shè)不久軸力出現(xiàn)明顯的減小，損失量達8 %左右。初期錨索材料預(yù)應(yīng)力的損失可能由于錨索錨固段接觸不完全，腰梁段張拉角度不到位引起。在錨索應(yīng)力損失一段時間后，錨索軸力逐漸變大，是由于基坑深度的加大導(dǎo)致樁體變形增加。錨索軸力在第三道和第四道錨索處軸力達到最大，基坑偏移相對較大。后期隨著錨索與雙排樁支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，錨索軸力趨于穩(wěn)定并在一定范圍內(nèi)波動。

圖8　錨索軸力隨時間變化

3　數(shù)值模擬分析

3.1　音樂廳基坑開挖FLAC3D模型建立

基坑工程的豎向影響的范圍大致為坑寬度的3到4倍，橫向影響范圍大致為坑寬的2到3倍[6]，本次基坑模型的大小為：440.0 m×263.0 m×62.0 m(圖9)。整個基坑支護體系結(jié)構(gòu)單元如圖10所示。依據(jù)現(xiàn)場的具體狀況對該模型設(shè)置邊界條件，模型上下邊界就x方向設(shè)置水平約束，模型底部設(shè)置豎向約束，基坑頂部不設(shè)置約束條件，假定為自由邊界條件[7]。充分考慮影響范圍的模型共計42 770個單元，47 740個網(wǎng)格點。

圖9　模型幾何單元網(wǎng)格

圖10　模型支護結(jié)構(gòu)單元體系

3.2　模擬工況開挖

隨基坑開挖深度的增加模型的Y方向整體位移云圖如圖11～圖15。

圖11　節(jié)點一y方向位移云圖

圖12　節(jié)點二y方向位移云圖

圖13　節(jié)點三y方向位移云圖

圖14　節(jié)點四y方向位移云圖

圖15　節(jié)點五y方向位移云圖

從圖11～圖15可以看出，隨著基坑開挖的進行，基坑兩側(cè)土體向基坑開挖側(cè)偏移，隨開挖深度的增大，偏移量隨之增大。基坑中部附近位移最大，往兩側(cè)逐漸減小，基坑邊角處相鄰支護結(jié)構(gòu)在一定程度上限制了基坑土體的整體位移?，F(xiàn)場資料表明，在開挖過程中雙排樁側(cè)樁頂水平位移在該中部最大。對比分析計算結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合，證明本次模擬效果較好，精度達到要求。由上分析得出在以后基坑設(shè)計時，針對樁體位于基坑位置的不同，在基坑中部可以適當(dāng)增加樁徑，樁體的剛度以及嵌入深度，在基坑兩側(cè)邊角處可以適當(dāng)減小樁徑、樁體剛度以及嵌入深度，達到經(jīng)濟最優(yōu)。

3.3　支護結(jié)構(gòu)的水平位移

支護樁水平位移隨深度變化曲線模擬結(jié)果如圖16和17所示。

(a) 前排樁水平位移 　(b)后排樁水平位移圖16　樁體水平位移

圖17　基底時前、后排樁的水平位移對比

(1)基坑在每個節(jié)點，前后排樁樁頂水平位移的變化基本保持一致，隨深度的增大變化值隨之增大。說明排樁在一定程度上構(gòu)成一個整體，連接前后排樁的連梁發(fā)揮了重要的作用。

(2)對比不同節(jié)點的深度水平偏移值得出：隨著節(jié)點的依次完成，前排樁身的偏移最大處隨基坑深度增加緩慢向下移動，待施工至基坑底部時最大位移約發(fā)生在開挖-14.0 m處；這種情況的發(fā)生由于作用在樁體上的冠梁、錨索、腰梁以及樁身嵌固泥巖的共同作用，這很好的限制了基坑樁身的變形。

(3)后排樁身位移變形最大處位于樁體中部附近，樁身位移相對前排樁稍小，說明在排樁支護體系中前排樁發(fā)揮主要作用。

(4)后排樁變化速率小于前排樁，表明前排樁在支護期間比后排樁會更早發(fā)揮支護作用。

(5)挖至坑底時，嵌固在泥巖內(nèi)前后排樁的底部都發(fā)生了一定程度的偏移，整體變化量較小，這說明前后排樁在基坑支護時設(shè)計合理，并沒有由于深度的緣由導(dǎo)致基坑底部產(chǎn)生大變形甚至失衡。

通過圖18可以得到，前排樁身的最大偏移位置位于樁身裸露深度的2/3處，變形值分別為15.68 mm、17.37 mm，樁身裸露部分相對嵌固部分整體變形較大。后排樁身的最大位移大致位于樁身中部位置，變形值分別為12.62 mm、14.27 mm，樁身變形呈現(xiàn)出裸露部分相對較大，嵌固部分相對較小，表明基底的泥巖很好的限制了樁底的變形。前后排樁在施工期間變形趨勢大體保持一致，說明前后排樁在整個基坑施工過程中，發(fā)揮了很好的協(xié)同作用。前排樁變形相對后排樁變形較大，說明前排樁相對于后排樁在整個基坑支護結(jié)構(gòu)中更大程度的分擔(dān)了基坑的變形，后排樁發(fā)揮了很好的限制協(xié)調(diào)作用。

圖18　樁身位移對比

3.4　樁頂位移

從上圖19可以得出：整體而言，樁位移隨開挖深度變大而逐漸增大；開挖初期整體位移變化速率較大，但整體仍在控制范圍內(nèi)，隨著開挖的進行，位移增速減緩；后期趨于穩(wěn)定，最大達14.12 mm。對比現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果，數(shù)值模擬與現(xiàn)場結(jié)果在趨勢曲線基本保持大致相同，但在實際工程中受天氣及施工各節(jié)點的調(diào)整，使得實測結(jié)果與模擬結(jié)果出現(xiàn)不同，整體模擬值小于實測值。但整體趨勢大致相同，證明該基坑開挖期間參數(shù)、結(jié)構(gòu)、計算方法選取是合理的，數(shù)值模擬在一定程度上體現(xiàn)了支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

圖19　樁頂水平位移變化曲線

3.5　錨索軸力

從圖20可看出隨著基坑深度的增加土體的移動導(dǎo)致錨索軸力增大，錨索軸力都會伴隨著后序錨索的布設(shè)出現(xiàn)輕微下降，這是因為后序錨索與前面錨索共同承擔(dān)了一部分土體壓力，最終趨于穩(wěn)定。模擬錨索軸力值結(jié)果略小于現(xiàn)場量測結(jié)果，整體變化趨勢一致，說明數(shù)值模擬對基坑工程具有一定的指導(dǎo)意義。

圖20　預(yù)應(yīng)力錨索軸力變化曲線

4　結(jié)論與建議

本文結(jié)合成都城市音樂廳深基坑支護項目，通過應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對基坑開挖和支護過程進行分析，探討了基坑位移、樁頂位移及樁身深度水平位移隨基坑開挖的變形情況，主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1)基坑樁頂位移在基坑開挖伊始變形量相對較大，隨著深度的增加，錨索與腰梁的布設(shè)，變形速率減緩。伴隨基坑深度的加深，樁頂位移逐漸加大，伴隨著后期錨索的施工，出現(xiàn)輕微的波動，至開挖至基坑底部時位移趨于穩(wěn)定。

(2)支護結(jié)構(gòu)的水平位移整體隨著深度增加而增大，在開挖至設(shè)計深度時前后排樁位移均達到最大值，前排樁位移最大分別為15.68 mm、17.37 mm，經(jīng)對比分析的：前排樁的發(fā)生偏移的最大部位位于開挖深度約為-13.5 m左右處，后排樁的樁體位移最大值12.62 mm、14.27 mm，出現(xiàn)在樁頂位置下-13.0 m左右處。在開挖初期，樁頂由于冠梁限制，初期位移量變化較小，隨著開挖深度的增大，位移變化量逐漸增大。主要是因為隨著分層開挖深度增大，擋土結(jié)構(gòu)承受的土荷載增值不斷擴大。在開挖到基底時前后排樁整體位移對比分析看出，前后排樁的變形趨勢大致保持一致，聯(lián)系前后排樁的連梁發(fā)揮了顯著的變形協(xié)調(diào)作用。前后排樁的轉(zhuǎn)身偏移量差值在-14.0 m左右處達到最大。

(3)深基坑開挖三維數(shù)值模擬計算結(jié)果與工程實際測量數(shù)據(jù)差異在允許范圍內(nèi)。利用三維數(shù)值模擬計算對深基坑開挖進行預(yù)測計算是可行的，可靠性較高。在深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可適當(dāng)參考數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計，取得更高經(jīng)濟效益。

(4)成都城市音樂廳深基坑工程采用該支護方案取得了不錯的效果，說明了該方案具有可行性、安全性、經(jīng)濟合理的特點，為以后類似的工程提供了一定的參考。