厚沖積黏性土層基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究*

高 鑫 王文娟 李清菲 王渭明

(1. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道設(shè)計(jì)分公司， 300308, 天津;2. 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 266590, 青島//第一作者,工程師)

目前，國內(nèi)諸多學(xué)者已對(duì)深基坑工程在施工過程中的變形特征和力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[1-3]通過深入剖析不同基坑事故，對(duì)現(xiàn)有深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的不足進(jìn)行了論述；文獻(xiàn)[5-7]總結(jié)了不同工程案例所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值模擬對(duì)不同工況下由深基坑開挖引起的土體和結(jié)構(gòu)的變形特征和力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，合理預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了有利指導(dǎo)。文獻(xiàn)[8-9]基于深基坑開挖引起的施工變形，研究了建筑物力學(xué)特性的變化特征，并提出了相關(guān)建筑物基礎(chǔ)托換和加固理論，有效避免了深基坑開挖對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響；文獻(xiàn)[10-11]進(jìn)行了深基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)管理體系，對(duì)施工過程中的變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)和變形控制，并結(jié)合相關(guān)工程進(jìn)行了探討和應(yīng)用。

本文以濟(jì)南市某大型深基坑工程為背景，分析了厚沖積地層大型深基坑建設(shè)過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和變形特性，對(duì)比分析了數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，揭示了地表沉降、圍護(hù)樁變形以及錨索軸力變化規(guī)律。其結(jié)論可為今后同類工程的設(shè)計(jì)、施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程概況

濟(jì)南市某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，基坑上部采用1∶3放坡開挖，邊坡采用3道土釘墻支護(hù)(重要等級(jí)為一級(jí))；基坑下部采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，其中樁結(jié)構(gòu)采用長23 m，φ800 mm@3 m的鉆孔灌注樁，在標(biāo)高為-7.5 m樁頂處設(shè)置800 mm×1 000 mm的冠梁，下部基坑分別在-12.0 m、-16.0 m處設(shè)置2[28a型槽鋼做腰梁；3道錨索均采用4根7φ15.24 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，自上而下分別設(shè)置在冠梁和兩道腰梁上，其長度分別為25 m、30 m和25 m，其中錨固段長度分別為16 m、21 m和20 m，自由段長度分別為9 m、7 m和5 m，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值依次為150 kN、200 kN和180 kN，灌漿采用C20水泥砂漿；墊板采用20 mm×240 mm×240 mm的鋼板，鎖具采用M15-9圓塔形多孔翻錨及配套夾片；采用后張法施工。

相關(guān)文獻(xiàn)資料規(guī)定：地表控制沉降要求為30 mm以內(nèi)；最大樁身水平位移傾斜度為3‰；錨索最大可損失軸力應(yīng)能確保錨索設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值控制在設(shè)計(jì)水平以上。

2 多支撐支護(hù)樁力學(xué)行為分析

根據(jù)相關(guān)力學(xué)知識(shí)，通過理正深基坑軟件將錨索支撐簡化為內(nèi)支撐力，即將圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用由地彈簧來代替，其中坑底以上為受壓地彈簧，坑底以下為受拉、受壓地彈簧。簡化計(jì)算模型及其受力特征如圖2所示。

計(jì)算中，采取等彎矩、等反力原則對(duì)深基坑支撐進(jìn)行布置。在3道錨索支撐作用下，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為特征與地表沉降曲線如圖3～4所示。

a) 圍護(hù)樁簡化模型b) 圍護(hù)樁計(jì)算模型

注：σ1為圍護(hù)樁樁頂所受主動(dòng)土壓力，σ2為圍護(hù)樁樁底所受主動(dòng)土壓力，σp為圍護(hù)樁樁底所受被動(dòng)土壓力，Ra為基坑3道錨索錨固力水平分力，h為基坑深度，ho為圍護(hù)樁插入深度，γ為首層土的重度，Ka為地層的主動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp為地層的被動(dòng)土壓力系數(shù)，H為基坑周邊超載折算土柱厚度，地彈簧參數(shù)則根據(jù)地勘參數(shù)計(jì)算系數(shù)取值，A、B、D分別為圍護(hù)樁樁頂、樁底及基坑底部位置

圖2 深基坑樁錨支護(hù)體系力學(xué)計(jì)算模型

a) 水平位移

b) 彎矩c) 剪力

圖3 圍護(hù)樁力學(xué)行為特征圖

圖4 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)地表沉降曲線

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型建立

采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。該數(shù)值模擬中，圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型。根據(jù)基坑開挖影響范圍，選取計(jì)算模型尺寸為100.0 m(長)×50.0 m(寬)×79.5 m(高)(見圖5)。模型中，左右邊界距基坑外側(cè)大于3H(H為開挖深度)，下邊界距坑底距離大于3H。采用位移邊界條件，上邊界為自由約束，下邊界為豎向約束，四周為水平約束?；炷羾妼硬捎胹hell結(jié)構(gòu)單元，樁體采用pile結(jié)構(gòu)單元，錨索和土釘支護(hù)采用cable結(jié)構(gòu)單元。荷載主要包括水土壓力、地面超載(取20 kN)。材料參數(shù)取值如表1～2所示。

圖5 三維計(jì)算模型

材料彈性模量/MPa截面積/mm2預(yù)應(yīng)力初值/kN錨索12.0×105516150錨索22.0×105516200錨索32.0×105516180

表2 模型材料力學(xué)參數(shù)表

3.2 基坑施工模擬順序

根據(jù)基坑原設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)模擬步驟如下：

第一步：定義材料參數(shù)，待自重應(yīng)力平衡后，對(duì)豎向位移和水平位移、豎向和水平向移動(dòng)速度、初始狀態(tài)塑性區(qū)進(jìn)行清零。

第二步：首先進(jìn)行放坡開挖模擬，并施作3道土釘墻支護(hù)，長度分別為6.0 m、9.0 m、6.0 m；然后對(duì)坡面進(jìn)行混凝土噴層施工。

第三步：在設(shè)計(jì)指定位置進(jìn)行鉆孔灌注樁及冠梁結(jié)構(gòu)的施工，并在冠梁位置處打設(shè)第一道錨索。錨索長25.0 m，其錨固段長16.0 m，自由段長9.0 m。

第四步：對(duì)直墻段進(jìn)行第一步開挖；依照設(shè)計(jì)指定要求，繼續(xù)開挖基坑至-12.0 m，并及時(shí)施作環(huán)向腰梁和第二道錨索，第二道錨索長30.0 m，其錨固段長21.0 m，自由段長9.0 m。

第五步：對(duì)直墻段進(jìn)行第二步開挖；依照設(shè)計(jì)指定要求，繼續(xù)開挖基坑至-16.0 m，并及時(shí)施作環(huán)向腰梁和第三道錨索。第三道錨索長25.0 m，其錨固段長20.0 m，自由段長5.0 m。

第六步：對(duì)直墻段進(jìn)行第三步開挖，依照設(shè)計(jì)要求，繼續(xù)開挖基坑至-19.5 m，并進(jìn)行坑底相關(guān)施工作業(yè)。

將上述基坑施工步驟概括為：

(1) 第一階段：放坡開挖并進(jìn)行土釘墻支護(hù)，對(duì)鉆孔灌注樁、冠梁以及第一道錨索進(jìn)行施工；

(2) 第二階段：開挖基坑至-12.0 m(樁錨第一層開挖)，及時(shí)進(jìn)行第二道錨索施工；

(3) 第三階段：開挖基坑至-16.0 m，并及時(shí)施作第三道錨索；

(4) 第四階段：繼續(xù)開挖基坑至-19.5 m，并進(jìn)行基坑封底工作。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 地表沉降特性分析

由樁錨支護(hù)體系深基坑開挖引起的地表沉降如圖6所示，由圖6可知：

(1) 地表沉降大致符合拋物線趨勢(shì)，最大沉降并未處于基坑邊緣，而是距離基坑邊緣3.0m處范圍。

(2) 不同開挖階段，地表沉降量不斷增加，由7.60 mm逐步增加至12.65 mm、27.25 mm、35.20 mm，最大沉降量位置差異性不明顯。

(3) 不同開挖階段對(duì)地表沉降貢獻(xiàn)率不同，第一階段至第四階段由土體卸載引起的最大豎向變形貢獻(xiàn)率分別為21.59%、14.34%、41.47%和22.58%。第三階段開挖對(duì)豎向變形貢獻(xiàn)率最大，該階段施工易導(dǎo)致工程災(zāi)害的發(fā)生。因此在該階段施工時(shí)，應(yīng)對(duì)其變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，增加支護(hù)剛度和支護(hù)密度，當(dāng)變形突變時(shí)，應(yīng)立刻停止施工，確保施工安全。

圖6 樁錨支護(hù)體系深基坑開挖地表沉降圖

為清晰掌握基坑開挖過程中豎向變形特征變化規(guī)律，將開挖過程中不同施工階段的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并匯總于表3中。

表3 基坑開挖不同階段對(duì)地表沉降的貢獻(xiàn)率

3.3.2 圍護(hù)樁變形特征分析

基坑開挖過程中圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)水平變形如圖7所示，由圖7可知：

(1) 樁基水平變形大致呈懸臂式加拋物線式組合形態(tài)；樁基整體向坑內(nèi)突起，累計(jì)水平位移最大值發(fā)生在第二道至第三道錨索安裝位置。

(2) 不同基坑開挖階段，圍護(hù)樁水平變形趨勢(shì)以及最大水平變形位置差異性明顯，這是由于不同開挖階段，土體卸載作用模式不同，以及開挖對(duì)圍護(hù)樁變形特征影響也不盡相同造成的。

(3) 不同開挖階段，圍護(hù)樁最大水平變形量由2.46 mm逐步增至12.45 mm、26.36 mm和36.58 mm；相應(yīng)位置的絕對(duì)坐標(biāo)也由-7.50 m逐步向下移動(dòng)至-10.00 m、-15.0 m和-15.5 m。

(4) 不同開挖階段，土體卸載對(duì)圍護(hù)樁變形貢獻(xiàn)率不同，第一至第四階段對(duì)圍護(hù)樁水平變形貢獻(xiàn)率分別為6.72%、27.31%、38.03%和27.94%；在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)對(duì)第三階段施工過程中圍護(hù)樁變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以期準(zhǔn)確掌握圍護(hù)樁變形特征。

圖7 樁基水平位移變化規(guī)律

將基坑不同開挖階段引起的樁基水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并匯總于表4中。

表4 樁基水平位移變化規(guī)律

3.3.3 錨索軸力測(cè)試

為掌握巖土體蠕變變形對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的貢獻(xiàn)率，本文制定了錨索軸力監(jiān)測(cè)專項(xiàng)方案，對(duì)張拉后試驗(yàn)錨索的錨固力進(jìn)行了為期60 d的測(cè)試，以期準(zhǔn)確掌握3道錨索預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律，如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)典的廣義Kelvin(開爾文)蠕變計(jì)算模型可較好地反映錨索預(yù)應(yīng)力損失的變化趨勢(shì)；依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合理論分析可知，當(dāng)3道錨索的超張拉率分別為33%、30%和31%時(shí)，錨索長期預(yù)應(yīng)力可維持在設(shè)計(jì)值150 kN、200 kN和180kN，監(jiān)測(cè)方案保證了錨固效果的安全可靠；當(dāng)錨索張拉60 d后，錨固力基本保持在設(shè)計(jì)值附近不變，因?yàn)榈屠瓚?yīng)力作用下，蠕變變形在第20天時(shí)已完成80%，在歷時(shí)60 d時(shí)，蠕變變形已基本完成，后期引起的蠕變損失可忽略不計(jì)。

圖8 錨索預(yù)應(yīng)力損失特征

由Origin擬合結(jié)果可知，3道錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律均可由式(1)表示，將擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總于表5中。

y=y0+ae-x/b

(1)

式中：

y—— 錨索預(yù)應(yīng)力；

y0、a、b—— 與錨索回彈模量、黏性模數(shù)以及初始張拉應(yīng)力相關(guān)的參數(shù)；

x—— 時(shí)間。

表5 錨索預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)擬合參數(shù)匯總表

4 結(jié) 語

以濟(jì)南市某大型深基坑工程為案例，對(duì)其采用的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的圍護(hù)樁、錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了靜力分析，結(jié)論如下：

(1) 由理正深基坑軟件計(jì)算得到圍護(hù)樁水平位移、彎矩和剪力最大值分別為-42.44 mm、999.37 kN·m和508.56 kN，3道錨索軸力最大值分別為125.3 kN、185.3 kN和155.3 kN。

(2) 由FLAC3D軟件模擬求得基坑地表沉降、圍護(hù)樁水平位移和錨索軸力分別為35.4 mm、37.6 mm、148 kN(202 kN、186 kN)；地表最大沉降發(fā)生在距基坑邊緣7 m位置，最小錨索軸力發(fā)生在距圍護(hù)樁頂10 m位置，兩者均出現(xiàn)在錨索張拉鎖定20 d后。

(3) 對(duì)比FLAC3D數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可知：數(shù)值模擬可正確描述支護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)，亦可大致描述結(jié)構(gòu)真實(shí)受力情況，其最大誤差可控制在20%以內(nèi)。經(jīng)分析，該誤差主要是由于數(shù)值模型不能準(zhǔn)確地反映場(chǎng)地歷史活動(dòng)、建設(shè)過程中環(huán)境變化(降雨、坑邊超載及堆載等)以及施工誤差等因素造成的。因此在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)基坑變形的監(jiān)控量測(cè)，并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，確保建設(shè)期間基坑的穩(wěn)定性。