斜撐支護(hù)體系在深厚淤泥區(qū)域基坑中的應(yīng)用

劉曉玉, 黃 劍, 岳云鵬

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006；2.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局審查協(xié)作廣東中心，廣州 510700)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國各大城市的經(jīng)濟(jì)和人口都得到了爆炸式增長。而建筑密度的加大，也更加考驗(yàn)深基坑支護(hù)技術(shù)對周邊地表變形的控制能力。同時(shí)密集的建筑及地下管線等復(fù)雜的基坑周邊地下環(huán)境，對深基坑支護(hù)形式也有很大的限制?？紤]工期要求和經(jīng)濟(jì)成本因素，合理地選擇最佳的支護(hù)形式和施工方案，將是一項(xiàng)非常有價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的研究課題。斜撐支護(hù)體系由于其布置靈活、工期較短、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用的基坑工程中。

針對深基坑支護(hù)體系，中外學(xué)者做了大量研究，Addenbrooke[1]研究了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移柔度曲線，并對支護(hù)結(jié)構(gòu)柔度指數(shù)進(jìn)行研究；O’Rourke[2]等分析了在樁墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式下，基坑開挖引起的土體變形；史貴才等[3]對懸浮式水泥土框架支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定了該支護(hù)結(jié)構(gòu)在支護(hù)過程中的主要影響因素；楊博等[4]對格柵狀地下連續(xù)墻進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了地下連續(xù)墻的效應(yīng)特征及變化規(guī)律；楊永新等[5]對土釘支護(hù)形式基坑在開挖過程中的變形及土壓力進(jìn)行研究，推導(dǎo)了考慮水平位移的土壓力計(jì)算形式。一些學(xué)者[6-8]對基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，為不同地層中支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇提供依據(jù)。徐德馨等[9-10]分析了地表及基坑變形隨開挖過程的變化規(guī)律，為優(yōu)化施工方案提供參考；徐洋等[11]通過工程實(shí)例分析了不同支撐方案的優(yōu)缺點(diǎn)及內(nèi)力分布特點(diǎn)。

目前考慮斜撐支護(hù)體系的基坑支護(hù)形式研究相對較少。易奇雄[12]依據(jù)實(shí)際工程案例，介紹了一種新型斜撐支護(hù)形式，并推導(dǎo)出了斜撐水平及豎向承載力驗(yàn)算公式；宮喜慶等[13]介紹了使用盆式開挖加斜撐支護(hù)的施工工法，肯定了斜撐支護(hù)體系在減少成本及工期上的重要作用；唐浩[14]講述了斜撐支護(hù)加中心島開挖的施工流程及施工要點(diǎn)，充分論證了在大面積基坑中，斜撐支護(hù)體系獨(dú)具的成本及工期優(yōu)勢；程勝一等[15]對鋼支撐進(jìn)行軸力測試,得到了應(yīng)變計(jì)頻率與支撐軸力的線性關(guān)系方程；劉燕等[16-17]、劉俊巖等[18]研究分析了斜撐體系的協(xié)同變形理論，推導(dǎo)了分區(qū)段拆撐長度的計(jì)算公式。

基于此，依據(jù)某工程實(shí)例，通過有限元建模模擬開挖工況，分別從地表沉降、樁體水平位移及斜撐軸力三個(gè)方面對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出了斜撐支護(hù)體系在深厚淤泥區(qū)基坑中的變形及受力規(guī)律，相關(guān)結(jié)果可為未來的斜撐支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供參考及建議。

1 工程概況及基坑監(jiān)測

1.1 工程概況

項(xiàng)目用地位于佛山市科技路南側(cè)、天宇路北側(cè)地塊內(nèi)，用地面積約67 369 m2，該項(xiàng)目塔樓距離項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)約為47 m，該公館住宅項(xiàng)目采用灌注樁承載形式。項(xiàng)目東側(cè)為某在建地鐵車站，距一期基坑最近距離105 m。采用分段組合支護(hù)形式。其中基坑緊鄰綠蔭路段距施工用地紅線3 m，距路對面某公館建筑的最近距離為47 m?；优徧煊盥范尉嗍┕び玫丶t線3 m，距天宇路外側(cè)河涌40 m?；釉谔煊盥放c綠蔭路交匯處向內(nèi)凹進(jìn)，該預(yù)留地塊將用于售樓部建設(shè)。其余段為一期二期重合段，總長323 m。為保證基坑工程的安全性，同時(shí)盡可能地降低工程造價(jià)，本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)不同剖面采用不同支護(hù)形式的分段組合支護(hù)方案，基坑位置及支護(hù)形式如圖1所示。

圖1 基坑位置及支護(hù)形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of pit location and support form

1.2 基坑監(jiān)測

研究的基坑工程監(jiān)測項(xiàng)目主要有：圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及沉降觀測、周邊地表沉降觀測、立柱沉降觀測、地下水位觀測、周邊建筑物沉降觀測、鋼支撐軸力觀測、土體深層水平位移觀測、樁體深層水平位移觀測，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測情況需要可加大監(jiān)測范圍及增加監(jiān)測點(diǎn)，基坑降水井?dāng)?shù)量可根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)適應(yīng)進(jìn)行增加或液少，在開挖前疏干待開挖基坑內(nèi)的水后，再進(jìn)行開挖，降水深度至地板地面以下0.5～1 m。

圖2 基坑監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.2 Foundation pit monitoring point layout

2 模型建立

2.1 整體模型建立

利用MIDAS GTS NX中修正莫爾-庫倫本構(gòu)對模型進(jìn)行建立，修正莫爾-庫倫本構(gòu)是基于莫爾-庫倫本構(gòu)進(jìn)行完善后得到的本構(gòu)模型，該模型可以較好地對卸載過程中土體剛度的變化進(jìn)行模擬，且可以同時(shí)考慮壓縮硬化與剪切硬化。修正莫爾庫倫的主要參數(shù)有加載試驗(yàn)的初始剛度、三軸試驗(yàn)的切線剛度、卸載模量。該模型的剪切屈服面與莫爾-庫倫本構(gòu)是一致的，其壓縮屈服面呈現(xiàn)為橢圓形的帽子本構(gòu)。并且在修正莫爾-庫倫本構(gòu)中，對扁平面進(jìn)行了圓角處理，消除了分析過程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素，使得運(yùn)算收斂性更好。

通過前期固結(jié)壓力與塑性應(yīng)變對土體壓縮硬化與剪切硬化進(jìn)行等效模擬。

(1)

(2)

(3)

模型整體尺寸為180 m×120 m×40 m，基坑開挖范圍為65 m×45 m，基坑開挖過程中土體處于卸載狀態(tài)，現(xiàn)場卸載模量與土體的彈性模量接近。根據(jù)勘察報(bào)告及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑土層參數(shù)取值如表1所示。

表1 場地巖土層計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of ground rock and soil layer

2.2 支護(hù)體系參數(shù)選取

支護(hù)樁采用φ1 000@1 200的鉆孔灌注樁，在有限元模擬中，往往通過剛度等效原則，將支護(hù)樁等效成地下連續(xù)墻來進(jìn)行分析。研究經(jīng)驗(yàn)表明，將支護(hù)樁等效成地連墻進(jìn)行計(jì)算，是合理的，且其結(jié)果也比較安全。地連墻的厚度可利用等效公式求得。

為了更真實(shí)地反映現(xiàn)場基坑受力變形情況，主要構(gòu)件斜撐采用1D梁單元進(jìn)行模擬。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，斜撐的布置跟地下室基礎(chǔ)位置有關(guān)，其最大間距為4.5 m，最小間距為3.3 m，為簡化建模過程，數(shù)值模擬中斜撐間距取值4 m。同時(shí)按照模型簡化原則，斜撐一端的牛腿并不是研究重點(diǎn)，故不考慮牛腿的受力情況。而在模擬中，樁基采用植入式梁單元，從而使得模型更易耦合，提高計(jì)算效率。本模型支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表2，按照現(xiàn)場位置關(guān)系建立模型如圖3所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of structural materials

圖3 斜撐支護(hù)體系位置關(guān)系示意圖Fig.3 Diagrammatic diagram of position relation of inclined brace support system

2.3 施工工況設(shè)置

基坑的支護(hù)與開挖施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的過程，在進(jìn)行數(shù)值模擬支護(hù)及開挖工況時(shí)，應(yīng)盡量保持與現(xiàn)場情況一致。模擬設(shè)置的具體工況如表3所示，主要開挖工況的完成時(shí)間為：工況4開挖完成預(yù)計(jì)為2018年11月13日，工況5底板施工完成時(shí)間預(yù)計(jì)為2018年12月9日，工況6斜撐安裝完成時(shí)間預(yù)計(jì)為2018年12月17日，工況7土坡開挖完成時(shí)間預(yù)計(jì)為2019年1月12日。

表3 工況設(shè)置Table 3 Conditions set

2.4 算例驗(yàn)證

基于以上參數(shù)及工況，選取樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)S18～S20的監(jiān)測數(shù)據(jù)與工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示。

圖4 S18～S20監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果樁頂水平位移對比Fig.4 S18～S20 monitoring data and calculation results of pile top horizontal displacement comparison

從圖4可以看出，計(jì)算結(jié)果曲線與樁體水平位移監(jiān)測曲線的變化趨勢是一致的，且每個(gè)工況的位移增長斜率與監(jiān)測數(shù)據(jù)較為相似。各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果基本大于監(jiān)測數(shù)據(jù)的水平位移值，說明計(jì)算結(jié)果較為保守，本模型土層參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)取值合理，依此進(jìn)行設(shè)計(jì)得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)也更為安全。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降數(shù)據(jù)分析

在斜撐作用下，分析工況4、工況5、工況6、工況7開挖過程中地表沉降規(guī)律，主要開挖工況對應(yīng)的地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 開挖工況對應(yīng)的地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve corresponding to excavation conditions

從圖5可以看出，4個(gè)工況的地表沉降曲線變化趨勢一致，且工況4、5、6的地表沉降曲線基本重合，說明底板和斜撐的施工能有效控制地表繼續(xù)下沉的趨勢，而隨著預(yù)留土坡的開挖，地表沉降量進(jìn)一步增大。但在距基坑40 m處，4條曲線的地表沉降量依然較大，說明在深厚淤泥區(qū)，基坑地表沉降的影響范圍較為深遠(yuǎn)。

選取距基坑邊5 m處地表沉降監(jiān)測點(diǎn)D34的監(jiān)測數(shù)據(jù)與工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6 D34地表沉降量監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對比Fig.6 D34 comparison of monitoring data and calculation results of surface subsidence

從圖6可以看出，計(jì)算結(jié)果曲線能較好地?cái)M合地表沉降監(jiān)測曲線的變化趨勢，部分沉降量值與監(jiān)測值相差不大，如工況5、工況6，但兩次開挖工況的沉降與監(jiān)測值相差較大，其中工況4計(jì)算結(jié)果較監(jiān)測值大，而工況7小于監(jiān)測值。可見，僅通過數(shù)值模擬并不能真實(shí)地反映現(xiàn)場地表沉降情況，在深基坑工程中對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的。

3.2 樁體水平位移數(shù)據(jù)分析

主要開挖工況對應(yīng)的樁體水平位移曲線如圖7所示。

圖7 開挖工況對應(yīng)的樁體水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curve of pile under excavation conditions

從圖7可以看出，4條樁體水平位移曲線變化趨勢相同，即樁頂有一段較大水平位移，但最大水平位移出現(xiàn)在基坑底下方1～3 m，超過位移最大值點(diǎn)，曲線(圖7)隨著埋深的增大逐漸收縮，在進(jìn)入中風(fēng)化砂巖土層后趨近于0。同時(shí)對比4條曲線(圖7)可以看出，由于預(yù)留土坡的開挖，整個(gè)樁體的水平位移均有不同幅度的增加，且在斜撐的作用下，樁頂水平位移增量得到了有效控制。

3.3 斜撐軸力數(shù)據(jù)分析

數(shù)值模擬主要開挖工況斜撐軸力分布如圖8所示。斜撐在基坑支護(hù)過程中承受壓力。從圖8可以看出，斜撐軸力最大值為 1 142 kN，出現(xiàn)在本支護(hù)段最左側(cè)，斜撐軸力最小值為 1 089 kN，出現(xiàn)在支護(hù)段中間部位，且最大值與最小值相差53 kN。

圖8 工況7斜撐軸力分布Fig.8 Axial force distribution diagram of inclined brace in working condition 7

4 斜撐支護(hù)體系單因素有限元分析

4.1 斜撐傾角變化對基坑工程的影響

建立斜撐傾角分別為15°、17°、19°、21°的四種工況對基坑變形的影響進(jìn)行分析，不同斜撐傾角對應(yīng)的坑底隆起曲線如圖9所示。

圖9 不同斜撐傾角對應(yīng)的坑底隆起曲線Fig.9 The heave curve of pit bottom corresponding to different inclination angle of inclined bracing

四條曲線在斜撐支點(diǎn)處及樁基位置均出現(xiàn)了極小值，說明斜撐和樁基的存在對減小坑底隆起具有顯著作用。處于斜撐支點(diǎn)與第二排樁基位置的土體隆起量受到了明顯的約束作用，而在圖9中坑底隆起曲線末端，斜撐傾角17°、19°、21°對應(yīng)的曲線均存在巨大的隆起增量，這可能是因?yàn)榈诙艠痘c邊界間的空間變大，從而出現(xiàn)了明顯邊界效應(yīng)。僅從本圖來看，斜撐傾角在15°時(shí)，其隆起曲線起伏情況較為均衡。

不同斜撐傾角對應(yīng)的樁體變形曲線如圖10所示。由圖10可以看出，四種不同斜撐傾角的樁體變形都發(fā)生在基坑內(nèi)側(cè)，且樁頂有一段較大的水平位移，但最大水平位移發(fā)生在基坑底附近，之后隨著深度的增加，樁體變形逐漸收縮直至趨近于0。四條曲線最大水平位移點(diǎn)所處深度依次為9、6、4.6、4.5 m，當(dāng)斜撐傾角不斷增大時(shí)，樁體最大水平位移值點(diǎn)由基坑底下方迅速向上移動(dòng)，直至在坑底上方某一位置趨于穩(wěn)定。當(dāng)斜撐傾角在一定范圍內(nèi)時(shí)，樁體最大水平位移值隨斜撐傾角的增大而增大，且增幅不斷減小。而超出這一范圍時(shí)，樁體最大水平位移出現(xiàn)了小幅度收縮。

圖10 不同斜撐傾角對應(yīng)的樁體水平位移曲線Fig.10 Horizontal displacement curve of pile corresponding to different inclination angle of inclined bracing

4.2 斜撐間距變化對基坑工程的影響

固定斜撐傾角為15°，建立斜撐間距依次為4、5、6、7 m的四個(gè)工況，不同斜撐間距對應(yīng)的坑底隆起曲線如圖11所示。由圖11可以看出，四條曲線幾乎重合在一起，這說明斜撐間距對坑底隆起的影響微乎其微。

圖11 不同斜撐間距對應(yīng)的坑底隆起曲線Fig.11 The uplift curve of pit bottom corresponding to different diagonal bracing spacing

不同斜撐間距對應(yīng)的斜撐軸力如圖12所示。由圖12可以看出，隨著斜撐間距的增大，斜撐軸力大幅增長，且其增長斜率基本不變。

圖12 不同斜撐傾角對應(yīng)的斜撐軸力Fig.12 Axial force of inclined bracing corresponding to different inclined bracing inclination

5 結(jié)論

(1)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對比，得出了采用數(shù)值模擬能較好地?cái)M合監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢這一結(jié)論。尤其是在樁頂水平位移的比較中，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果略高于監(jiān)測值，說明采用數(shù)值模擬方法來輔助基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全性更高。

(2)各個(gè)主要工況對應(yīng)的地表沉降最大值位置發(fā)生在距基坑10～15 m處，最大樁體水平位移發(fā)生在距基坑底1～3 m，坑底隆起曲線在樁基及斜撐處均出現(xiàn)極小值。

(3)斜撐傾角增大的情況下，斜撐下方土體因?yàn)槠渚嘈睋沃吸c(diǎn)的距離更近，坑底隆起曲線有了明顯的下降趨勢。所以在確定斜撐傾角時(shí)，需考慮的因素較多，應(yīng)權(quán)衡各方面變形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等因素，合理取值。

(4)斜撐間距變化對坑底隆起的影響不大，但斜撐軸力受其影響較為明顯，且兩者間呈等斜率線性增長趨勢。

(5)在數(shù)值模擬過程中，并未考慮地下水及滲流的作用。而在深基坑工程領(lǐng)域，特別是在深厚淤泥區(qū)基坑中，這兩者對基坑變形具有較大影響。如需更加準(zhǔn)確的模擬基坑的完整變形，應(yīng)該考慮地下水及滲流的作用。