鄰近水平推力斜拱樁基對深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形影響研究

繆昊，劉成禹，2

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.福州大學(xué) 地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，城市中出現(xiàn)了越來越多深基坑工程，這樣容易造成深基坑與城市中其他建(構(gòu))筑物樁基礎(chǔ)同時施工的現(xiàn)象。在深基坑開挖過程中，不僅要有效控制基坑開挖引起的周圍地層移動以保護周圍建(構(gòu))筑樁基，而且要保證基坑鄰近建(構(gòu))筑物樁基施工不能影響基坑自身的安全與穩(wěn)定[1-2]。

鄰近建(構(gòu))筑物樁基在施工過程中不僅要承受上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向荷載，同時可能要承受較大的水平荷載，例如機場航站樓斜拱樁基就要承受上部斜拱產(chǎn)生的巨大水平推力。斜拱樁基產(chǎn)生較大的水平推力會使上層土體產(chǎn)生橫向運動，使土體產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力場[3-5]。因此當深基坑施工時，如果附近存在機場航站樓斜拱樁基同時施工，斜拱樁基產(chǎn)生的大水平推力會對深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生一定的影響。

目前，國內(nèi)外對于基坑開挖與鄰近樁基施工的相互影響問題的研究主要集中在基坑開挖對鄰近樁基的影響，如Polous等[6-7]運用有限元和邊界元耦合方法研究不同支護形式基坑開挖引起的土體側(cè)向移動對鄰近樁基的影響。Finno等[8]采用數(shù)值分析和監(jiān)測資料相結(jié)合的方法研究基坑開挖對鄰近群樁基礎(chǔ)的影響。Leung等[9]和Ong等[10]利用離心模型試驗分別研究了不同土層中懸臂支護基坑開挖對鄰近群樁的影響。鄭剛等[11]用數(shù)值計算并結(jié)合現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法分析了不同影響因素下基坑開挖對樁基的影響。周勇[12]采用PLAXIS-3D有限元軟件分析了明挖地鐵車站深基坑對鄰近建筑物樁基變形和軸力的影響。黃茂松[13]和張愛軍[14]采用兩階段分析法分析基坑開挖對鄰近樁基的影響。魏麗敏等[15]采用現(xiàn)場原型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了基坑深度、寬度和間距對鄰近橋梁樁基變形與內(nèi)力的影響。也有學(xué)者研究鄰近樁基對基坑開挖的影響，如楊敏等[16]運用三維彈塑性有限元法研究了鄰近樁基對無支撐基坑開挖所引起的變形場的影響，但是并未研究由于樁基施工產(chǎn)生的較大的水平推力對深基坑開挖的影響。

從已有的研究成果看，對深基坑開挖與鄰近建筑物樁基的研究主要集中在基坑開挖對鄰近建筑物樁基的影響，很少涉及到深大基坑附近存在斜拱樁基產(chǎn)生較大的水平推力對深基坑開挖的影響。因此，有必要研究鄰近斜拱樁基施工產(chǎn)生的水平推力對深基坑開挖的影響。

本文以成綿樂客運專線雙流機場站基坑工程開挖過程中，鄰近機場在建的T2航站樓斜拱樁基施工產(chǎn)生指向基坑的巨大水平推力為工程背景，采用MIDAS/GTS巖土有限元軟件分析鄰近大水平推力斜拱樁基加載對寬大深基坑圍護樁變形的影響，重點分析了基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距和斜拱加載時基坑開挖深度對基坑圍護樁樁身變形的影響規(guī)律。

1 工程概況

雙流機場車站為某城際客運專線中間站，車站總長943 m，有效站臺長450 m，標準段寬55.2 m，有效站臺中心里程處基坑深20.2 m。有效站臺與T2航站樓斜拱樁基承臺邊緣凈距為15 m左右。雙流機場站與T2航站樓平面位置如圖1所示。

圖1雙流機場站與T2航站樓平面位置示意圖

雙流國際機場新建T2航站樓由16個跨度120 m的鋼結(jié)構(gòu)斜拱組成。斜拱基礎(chǔ)承臺的尺寸為20 m×20 m×3.5 m，承臺下設(shè)15根直徑2 m、長8 m的人工挖孔樁，承臺承受斜拱結(jié)構(gòu)傳來的荷載標準值為：水平推力12 160 kN(指向基坑)，豎向力11 200 kN，彎矩23 980 kN·m。航站樓所對應(yīng)基坑部分的圍護樁采用C40鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為1.5 m，間距為1.8 m，樁長為25 m?；硬捎盟牡纼?nèi)支撐，第一和第二道內(nèi)支撐為C40鋼筋混凝土支撐，截面尺寸b×h=0.8 m×1.0 m，縱向間距為9 m；第三和第四道內(nèi)支撐采用直徑為609 mm的鋼管支撐，縱向間距為3 m?；訖M向設(shè)置4排格構(gòu)柱。斜拱樁基與基坑剖面如圖2所示。

2 數(shù)值模型

采用MIDAS/GTS巖土有限元軟件進行基坑巖土體與斜拱樁基數(shù)值模型的建立?？紤]到基坑長度較大，為了兼顧計算效率，在長度方向上考慮為平面應(yīng)變問題，由于斜拱承臺中心正對的圍護結(jié)構(gòu)受斜拱加載的影響最大，故模型在長度方向上取中間承臺群樁基礎(chǔ)范圍內(nèi)的基坑長作為模型長度，約32 m；基坑開挖的影響范圍大致為基坑開挖深度的2～3倍[17]，故在基坑寬度方向取200 m；在模型深度方向上，深度取2倍圍護樁樁長，即為50 m。三維模型具體如圖3所示。

圖2斜拱樁基與基坑剖面圖(單位：mm)

圖3基坑與斜拱樁基平面應(yīng)變?nèi)S模型

模型采用的邊界條件為：豎向邊界施加水平方向的約束，以此約束水平向位移，模型底部邊界施加三個方向的位移約束，模型上表面邊界不施加約束。由于基坑開挖前已把基坑的地下水位降低至開挖面下一定的深度，故模型不考慮地下水滲流的影響，按總應(yīng)力法進行分析。

模型巖土體采用實體單元，采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)本工程勘察報告提供的參數(shù)選取，如表1所示。

基坑圍護結(jié)構(gòu)采用的是鉆孔灌注樁，由于本工程中圍護樁間距較小，則考慮土拱效應(yīng)，可將非連續(xù)的鉆孔灌注樁根據(jù)抗彎剛度原則等效為連續(xù)性的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻采用板單元模擬；支撐、立柱采用梁單元，斜拱樁基采用樁單元；圍護樁、內(nèi)支撐、立柱和斜拱樁基采用線彈性本構(gòu)模型。基坑開挖的主要工況如表2所示。

表1 巖土材料參數(shù)表

表2 基坑主要工況

3 斜拱樁基對深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形影響的因素分析

為了得出不同因素下鄰近水平推力斜拱樁基對深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，先計算基坑單獨施工條件下基坑圍護樁的水平位移，再計算深基坑在其他因素下斜拱樁基對深基坑圍護樁產(chǎn)生的最大水平位移。圖4和圖5分別是基坑單獨施工條件下基坑土體塑性應(yīng)變云圖和圍護樁樁身的最大水平位移分布圖。

圖4 基坑單獨施工土體塑性應(yīng)變云圖

圖5基坑單獨施工圍護樁樁身最大水平位移分布圖

3.1 基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距L的影響

基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距不同時，斜拱樁基產(chǎn)生的水平推力對深基坑的影響是不同的。分析邊緣凈距L對鄰近深基坑圍護樁的影響時，斜拱樁基先于深基坑施工，即基坑開挖前斜拱已經(jīng)對承臺施加荷載。邊緣凈距L分別取為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m。圖6和圖7分別為不同邊緣凈距下圍護樁樁身最大水平位移分布圖和圍護樁最大水平位移變化曲線圖。

圖6 不同邊緣凈距下圍護樁樁身最大水平位移分布圖

圖7不同邊緣凈距下圍護樁最大水平位移變化曲線

由圖6和圖7可知，隨著基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距L逐漸增大，圍護樁的水平位移逐漸減小且趨于穩(wěn)定，當邊緣凈距L從25 m變化到30 m時，圍護樁水平位移基本不發(fā)生變化，最大水平位移變化只有0.15 mm。因此，當邊緣凈距L達到25 m(此時L/H=1.25，H為基坑開挖深度)時，大水平推力斜拱樁基對基坑圍護樁的變形影響比較小，即邊緣凈距超過一倍基坑開挖深度時，水平推力斜拱樁基對深基坑圍護樁的變形影響較小。

從圖6中提取不同邊緣凈距下圍護樁水平位移最大值所在的深度。圖8是不同邊緣凈距下圍護樁水平位移最大值深度圖，從中可以看出隨著基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距L的增加，圍護樁水平位移最大值所在的深度hL逐漸增大；當邊緣凈距L達到25 m時，圍護樁水平位移最大值的深度hL基本保持不變，大致為基坑開挖面以下16.5 m左右，此時hL/H=0.825。對圖8的數(shù)據(jù)進行曲線擬合發(fā)現(xiàn)，圍護樁水平位移最大值深度hL與邊緣凈距L之間的關(guān)系式如(1)所示：

hL=6.25634e-0.10993L-16.67062

(1)

式中：hL為不同邊緣凈距下圍護樁水平位移最大值的深度，m；L為基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距，m。

圖8不同邊緣凈距下圍護樁水平位移最大值深度圖

為研究不同邊緣凈距下，斜拱樁基產(chǎn)生的水平推力對基坑圍護樁變形的影響規(guī)律，本文把圖6中邊緣凈距為5 m、10 m、15 m、20 m和25 m時，圍護樁樁身不同深度處的水平位移減去對應(yīng)深度處基坑單獨開挖最終產(chǎn)生的圍護樁樁身水平位移，得到圍護樁樁身不同深度處的水平位移增量，并對該水平位移增量進行歸一化，即把不同深度處的圍護樁樁身水平位移增量除以相對應(yīng)深度處基坑單獨開挖最終產(chǎn)生的圍護樁樁身的水平位移，歸一化后的數(shù)值稱為圍護樁水平位移影響值。圖9是不同邊緣凈距下斜拱樁基加載引起的圍護樁水平位移影響值，從中可以看出隨著基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距L的增加，斜拱樁基產(chǎn)生的水平推力對基坑圍護樁水平位移的影響深度逐漸減小，當邊緣凈距L從5 m變化到20 m時，圍護樁水平位移影響較大的深度分別為10 m、5 m、2.5 m和1 m，當邊緣凈距L為25 m時，影響深度基本為0。因此，隨著邊緣凈距L逐漸增大，斜拱樁基對圍護樁變形的影響深度逐漸變淺，影響較大的范圍基本都是在圍護樁中上部。

圖9不同邊緣凈距下圍護樁水平位移影響值

圖10是基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距從5 m變化到20 m時，水平推力斜拱樁基對基坑圍護樁水平位移影響深度圖，對圖10的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合曲線滿足式(2)的線性關(guān)系：

hΔ=0.59L-12

(2)

式中：hΔ為圍護樁水平位移影響深度，m；L為基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距，m。

圖10不同邊緣凈距下圍護樁水平位移影響深度圖

3.2 斜拱加載時基坑開挖深度Z的影響

由于有效站臺中心里程處的基坑位于正在修建的T2航站樓正對面，基坑開挖時斜拱樁基有的已經(jīng)施工完成，有的還未施工，因此有必要研究斜拱不同加載時機對基坑開挖的影響。根據(jù)現(xiàn)場基坑施工的主要工況，取斜拱加載時基坑開挖深度Z分別為0 m(即基坑未開挖)、7 m、11.5 m、16 m和20.2 m，分析斜拱樁基在基坑不同開挖深度加載時對基坑圍護樁的影響。圖11和圖12分別為基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距為5 m時，不同開挖深度Z加載圍護樁樁身最大水平位移分布圖和圍護樁最大水平位變化移曲線圖。

圖11不同開挖深度加載圍護樁樁身最大水平位移分布圖(L=5 m)

由圖11和圖12可以發(fā)現(xiàn)，不同開挖深度加載對圍護樁的水平位移影響較大。隨著基坑開挖深度增大而進行加載，圍護樁最大位移逐漸減小，且加載時的開挖深度越大，圍護樁最大水平位移減小量越大，基坑未開挖之前進行加載圍護樁產(chǎn)生的水平位移最大。因此，在實際工程中，基坑應(yīng)盡早施工并開挖至坑底，減少斜拱樁基施工產(chǎn)生的大水平推力對深基坑圍護樁變形的影響。

圖12不同開挖深度加載圍護樁最大水平位移變化曲線(L=5 m)

將圖11中斜拱在基坑不同開挖深度加載圍護樁樁身不同深度處的水平位移減去對應(yīng)深度處基坑單獨開挖最終產(chǎn)生的圍護樁樁身水平位移，得到不同開挖深度斜拱加載引起的圍護樁樁身水平位移增量。圖13是基坑開挖至不同深度斜拱加載引起的圍護樁樁身水平位移增量分布圖。

圖13不同開挖深度加載引起的圍護樁樁身水平位移增量分布圖(L=5 m)

從圖13可以看出，由斜拱加載引起的圍護樁樁身水平位移增量隨斜拱加載時基坑開挖深度Z的增大而減小。斜拱加載引起的圍護樁樁身水平位移增量最大值出現(xiàn)部位隨斜拱加載時基坑開挖深度的增大逐漸下移，最大值出現(xiàn)部位集中在圍護樁中上部，所以當基坑開挖較淺時要及時架設(shè)支撐，防止圍護樁變形過大。

從圖13提取不同開挖深度加載引起的圍護樁水平位移增量最大值深度。圖14是不同開挖深度加載引起的圍護樁水平位移增量最大值深度圖，從圖14可以發(fā)現(xiàn)，隨著斜拱加載時基坑開挖深度的增大，圍護樁水平位移增量最大值所在的深度 逐漸下移，當基坑開挖至16 m之后進行斜拱的加載，圍護樁水平位移增量最大值的深度hz基本保持不變，大約為9 m的深度(此時hz/H=0.45)。對圖14的數(shù)據(jù)進行擬合發(fā)現(xiàn)，不同開挖深度加載引起的圍護樁水平位移增量最大值的深度與斜拱加載時基坑開挖深度Z之間的關(guān)系式如式(3)所示：

hz=2.80137e-0.10884Z-9.3024

(3)

式中：hz為不同開挖深度斜拱加載引起的圍護樁水平位移增量最大值深度，m；Z為斜拱加載時基坑開挖深度，m。

圖14不同開挖深度加載引起的圍護樁水平位移增量最大值深度圖(L=5 m)

4 結(jié) 論

(1) 斜拱樁基產(chǎn)生較大的水平推力會使上層土體產(chǎn)生橫向運動，使土體產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力場，影響較大的范圍基本都是在中上部土層，對下部范圍的土體影響較小。

(2) 基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距L對基坑圍護樁變形的影響規(guī)律為： 隨著邊緣凈距逐漸增大，基坑圍護樁的水平位移逐漸減小且趨于穩(wěn)定，當邊緣凈距達到25 m(此時L/H=1.25)時，即邊緣凈距超過一倍基坑開挖深度時，大水平推力斜拱樁基對基坑圍護樁的變形影響比較小； 隨著邊緣凈距逐漸增大，圍護樁水平位移最大值出現(xiàn)的位置深度hL逐漸增大，斜拱樁基產(chǎn)生的水平推力對基坑圍護樁水平位移的影響深度也逐漸減小，當邊緣凈距達到25 m時，影響深度基本為0。

(3) 斜拱加載時基坑開挖深度Z對基坑圍護樁變形的影響規(guī)律為： 隨著斜拱加載時基坑開挖深度的增大，圍護樁最大位移逐漸減小，當開挖至基坑底部進行加載時圍護樁產(chǎn)生的位移最??； 斜拱加載引起的圍護樁水平位移增量最大值和最大值出現(xiàn)的深度，隨斜拱加載時基坑開挖深度的增大而減小。因此，在實際工程中基坑應(yīng)盡早施工并開挖至坑底，以減少斜拱樁基施工產(chǎn)生的大水平推力對深基坑圍護樁變形的影響。