空間效應(yīng)下不規(guī)則深基坑的支護(hù)體系變形分析

俞 曉，宋 雷

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢，430065)

數(shù)十年來我國城市建設(shè)用地不斷增加，復(fù)雜的地理位置和施工條件、基坑的不規(guī)則性、開挖深度以及一些其他不確定因素，使得深基坑的開挖越來越困難。深基坑支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜的三維空間受力問題，深基坑空間效應(yīng)[1-2]受基坑形狀、大小和開挖深度等多種因素影響，直接導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、坑周土體和坑底產(chǎn)生不同程度的變形。深基坑設(shè)計常采用地下連續(xù)墻、樁孔灌注樁、錨桿、內(nèi)支撐等多種支護(hù)方式，相關(guān)研究成果也有不少。例如，劉念武等[3]分析了內(nèi)支撐體系下沿基坑縱向上的距離與開挖深度的比值對空間效應(yīng)的影響，證明樁身側(cè)向位移和土體沉降的空間效應(yīng)有一定的相關(guān)性；李大鵬等[4]認(rèn)為空間效應(yīng)的本質(zhì)為坑周土體中的拱效應(yīng)對支護(hù)正應(yīng)力和變形等特性的影響；蘇白燕等[5]對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的空間效應(yīng)進(jìn)行了分析, 得出其陽角效應(yīng)與陰角效應(yīng)的變化規(guī)律；李達(dá)等[6]研究了土釘支護(hù)下深基坑空間效應(yīng)的影響，結(jié)果顯示由于陽角兩個側(cè)面打入的土釘在空間上存在交叉，影響了土釘摩阻力的發(fā)揮，使得陽角部位相對于中剖面的穩(wěn)定性較差。

然而，對于大多數(shù)異于正方形、長方形等且沒有規(guī)律可循的不規(guī)則超大深基坑，單一的支護(hù)方式已不能完全滿足設(shè)計要求，同一深基坑中運(yùn)用多種支護(hù)方式的案例越來越多，但是相關(guān)研究卻還較少。

深基坑是一個整體的三維空間體系，單獨(dú)研究組合支護(hù)中的某一局部支護(hù)體系，不能完整反映在空間效應(yīng)下的基坑支護(hù)體系變形。為此，本文針對武漢市某不規(guī)則深基坑組合支護(hù)工程實例，采用ABAQUS有限元模擬方法來計算支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及土體位移[7]，建立無支護(hù)以及不同支護(hù)條件下的數(shù)值模型，在考慮空間效應(yīng)的情況下，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性，通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，以期為類似實際工程提供參考。

1 工程實例

某工程位于武漢市青山區(qū)，場地內(nèi)堆有大量填土，地勢起伏大。該工程存在著三大難點(diǎn):①基坑大且深，基坑開挖周長約750 m,開挖深度17.6 m；②周圍環(huán)境復(fù)雜，在基坑?xùn)|邊和南邊的鄰近區(qū)域都有超高層建筑群，北邊和西邊是兩條道路，全天有大型機(jī)械車輛和載重設(shè)備通過，另外還有城市地下管網(wǎng)和降排水系統(tǒng)的影響等；③工程實施空間較小。

1.1 場地地質(zhì)條件

內(nèi)地基土表層為雜填土，其下從淺部至深部依次為第四系全新統(tǒng)沖積成因黏性土和殘積成因黏性土夾角礫，下伏石炭系礫巖和灰?guī)r。各層巖土物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Geotechnical physical and mechanical parameters

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

如圖1所示，根據(jù)基坑的特點(diǎn)以及現(xiàn)場實際情況，工程采用鉆孔灌注樁+局部混凝土內(nèi)支撐/錨索/雙排樁的支護(hù)形式，基坑設(shè)計安全等級為一級，坑外超載限值為15 kPa且按均布荷載考慮。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Plan sketch of the foundation pit

基坑整體布設(shè)1排樁徑為1000 mm的護(hù)坡樁?；覣B段采用樁錨支護(hù)形式(見圖2)，布設(shè)三道預(yù)應(yīng)力錨索，均采用孔徑、間距、長度、角度分別為150 mm、1500 mm、15～16 m、15°的預(yù)應(yīng)力錨索：第一道預(yù)應(yīng)力錨索的自由段長度a為7.0 m，錨固段長度b為9.0 m，預(yù)應(yīng)力為85 kN；第二道預(yù)應(yīng)力錨索的自由段長度為5.0 m，錨固段長度為10.0 m，預(yù)應(yīng)力為90 kN；第三道預(yù)應(yīng)力錨索的自由段長度為5.0 m，錨固段長度為11.0 m，預(yù)應(yīng)力為80 kN。基坑DE段采用雙排樁支護(hù)形式(見圖3)，樁徑為1000 mm，樁距為1500 mm，前、后排樁距為3000 mm?；英瘛ⅱ虿糠植捎脙?nèi)支撐支護(hù)方式，寬與高均為900 mm，內(nèi)支撐腋角為500 mm，與冠梁圍檁相交處倒角為1000 mm×1000 mm，內(nèi)支撐中心標(biāo)高為樁頂以下1.0 m(對頂撐)，角撐中心標(biāo)高為樁頂以下1.75 m，一共布設(shè)兩道內(nèi)支撐。

圖2 AB段樁錨支護(hù)剖面1-1Fig.2 Cross-section 1-1 with pile-anchor support at Section AB

圖3 DE段雙排樁支護(hù)剖面2-2Fig.3 Cross-section 2-2 with double-row pile support at Section DE

2 基坑變形監(jiān)測

基坑周圍土體的水平位移監(jiān)測點(diǎn)布置參看圖1。監(jiān)測點(diǎn)直接布設(shè)在冠梁上，鑒于基坑的復(fù)雜性，圍繞基坑一圈共布設(shè)44個監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)基坑水平位移實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：ZH03～ZH08累計位移量為4.5～23.7 mm；ZH22～ZH24累計位移量為26.8～28.7 mm；ZH39～ZH40累計位移量為18.4～21.6 mm；其余各點(diǎn)累計位移量為1.5～4.4 mm。

由圖1及監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：ZH03～ZH08與ZH39～ZH41分別處于基坑兩側(cè)中間位置，土體位移由兩邊向中間聚攏，在中部達(dá)到位移最大值，基坑中部區(qū)域幾乎不受空間效應(yīng)影響，可用二維土壓力計算原理進(jìn)行分析，而越靠近角部區(qū)域，空間效應(yīng)越強(qiáng)；ZH20～ZH24位于基坑大陽角部位，加上大陽角上方分布有均布荷載，使得陽角部位土體位移值達(dá)到最大，產(chǎn)生明顯的空間效應(yīng)。

3 數(shù)值模擬

3.1 分析模型

為了更好地反映不規(guī)則深基坑組合支護(hù)方式在空間效應(yīng)下的變形特性及整體穩(wěn)定性，按1∶1建立整個深基坑的三維有限元模型。計算模型的豎向取值為基坑開挖深度的2.5倍，計算模型的長度與寬度取值為基坑開挖深度的3.5倍[8]。

選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。由于該超大深基坑的不規(guī)則性和條件多樣性，ABAQUS軟件自帶的單元庫和求解模型已經(jīng)無法適用，故通過ABAQUS自定義子程序的方式定義該基坑模型雙排樁。樁單元采用梁單元進(jìn)行模擬，見圖4；內(nèi)支撐采用實體單元模擬，見圖5；錨索通過土體等效硬化進(jìn)行處理，土體網(wǎng)格劃分見圖6。

圖4 樁單元模型Fig.4 FEM of pile element

圖5 內(nèi)支撐模型Fig.5 FEM of internal support

圖6 土體模型Fig.6 FEM of soil

模型邊界條件設(shè)置為：模型底部固定約束，模型四周X、Y方向約束，預(yù)設(shè)地應(yīng)力在X、Y、Z方向分別為-6、-6、-15 MPa。

3.2 模擬結(jié)果與分析

由于基坑包含錨索和內(nèi)支撐體系作為限制條件，根據(jù)現(xiàn)場實際狀況分層開挖，將深基坑分為4個工況進(jìn)行開挖，分別為：①基坑采用放坡開挖至深度4.5 m，并設(shè)整個基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)；②基坑繼續(xù)開挖至深度8.0 m，增設(shè)第一道預(yù)應(yīng)力錨索和兩道內(nèi)支撐；③基坑繼續(xù)開挖至深度13.0 m，增設(shè)第二道預(yù)應(yīng)力錨索；④基坑繼續(xù)開挖至深度17.6 m，增設(shè)第三道預(yù)應(yīng)力錨索。

在上述4個工況基礎(chǔ)上，本文還同時建立了只有樁錨支護(hù)和雙排樁支護(hù)而沒有內(nèi)支撐的基坑仿真模型進(jìn)行對比分析。

3.2.1 土體水平位移

開挖過程中土體水平位移如圖7所示。由圖7可見：隨著基坑開挖深度的增加，基坑土體水平位移也逐漸增大；最大水平位移出現(xiàn)在基坑大陽角部位，對基坑變形影響較大；在陰角部位一定范圍內(nèi)位移量較??；離陰角越遠(yuǎn)，位移量越大，在基坑兩側(cè)的中部區(qū)域位移量最大。這表明陰角有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，陽角易使基坑發(fā)生張拉破壞。另外，沿基坑南邊和西邊的長度方向，中部區(qū)域產(chǎn)生較大的位移，且對于不同計算長度的邊坡，位移變形的分布特征基本一致。與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，計算值與監(jiān)測值雖然存在一定的差異，但均表現(xiàn)出相同的土體位移變化規(guī)律，證明數(shù)值模擬結(jié)果可適用于實際工程。

圖7 基坑土體水平位移Fig.7 Horizontal displacement of foundation pit soil

3.2.2 圍護(hù)樁樁身水平位移

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別繪制4個工況的圍護(hù)樁樁身水平位移曲線，分析比較同一不規(guī)則深基坑內(nèi)部無內(nèi)支撐(見圖8和圖9)與有內(nèi)支撐(見圖10和圖11)時的樁身位移特性和變化規(guī)律。

由圖8、圖9可見，在基坑內(nèi)部沒有內(nèi)支撐時，對于兩種不同的支護(hù)體系，隨著樁埋深的增加，樁身側(cè)向位移均在增大；同時，樁身最大水平位移都發(fā)生在樁頂部位且均滿足基坑變形控制要求。在樁錨支護(hù)的基坑剖面1-1處(圖8)，4個工況下樁頂水平位移分別為0、6.9 mm(0.20%h)、14.4 mm(0.17%h)、23.2 mm(0.18%h)，其中h為樁錨支護(hù)樁頂以下開挖深度。從樁頂水平位移與開挖深度的比值來看，工況2下的樁身變形增長較大；但隨著預(yù)應(yīng)力錨索的施加，樁身變形速率開始降低，表明預(yù)應(yīng)力錨索對樁身位移有很好的約束作用。在雙排樁支護(hù)的基坑剖面2-2處(圖9)，樁頂水平位移略大于剖面1-1處，4個工況下的樁頂水平位移分別為0、7.2 mm(0.41%H)、15.6 mm(0.37%H)、26.1 mm(0.40%H)，其中H為雙排樁支護(hù)樁頂以下開挖深度。雙排樁支護(hù)下樁身變形規(guī)律與樁錨支護(hù)條件下類似，隨著基坑的開挖，樁身變形逐漸趨于穩(wěn)定，表明雙排樁支護(hù)對基坑也有很好的圍護(hù)作用。

圖8 樁錨支護(hù)下剖面1-1處樁身位移曲線Fig.8 Displacement curves of the pile at Cross-section 1-1 with pile-anchor support

圖9 雙排樁支護(hù)下剖面2-2處樁身位移曲線Fig.9 Displacement curves of the pile at Cross-section 2-2 with double-row pile support

由圖10、圖11可見：在基坑內(nèi)部有內(nèi)支撐時，樁身最大水平位移出現(xiàn)在靠近樁身1/2處，剖面1-1和剖面2-2處的樁身最大側(cè)向位移分別達(dá)22.1 mm(0.17%h)和23.7 mm(0.36%H)，均小于無內(nèi)支撐時的對應(yīng)值，表明內(nèi)支撐有減少樁身側(cè)向位移的效果。因此，對于樁身上半部分，內(nèi)支撐能在一定程度上抑制基坑的空間效應(yīng)。另外，從上述模擬結(jié)果還可以看出，在同一深基坑中，樁錨支護(hù)體系較雙排樁支護(hù)體系更穩(wěn)定一些。

圖10 樁錨支護(hù)-內(nèi)支撐下剖面1-1處樁身位移曲線Fig.10 Displacement curves of the pile at Cross-section 1-1 with pile-anchor support and internal support

圖11 雙排樁支護(hù)-內(nèi)支撐下剖面2-2處樁身位移曲線Fig.11 Displacement curves of the pile at Cross-section 2-2 with double-row pile support and internal support

3.2.3 基坑整體穩(wěn)定性

以4個施工工況為基礎(chǔ)，分別建立基坑無支護(hù)、整個基坑均采用雙排樁支護(hù)體系或樁錨支護(hù)體系的三維有限元模型，從支護(hù)體系的角度出發(fā)，分析比較該基坑的整體穩(wěn)定性。在ABAQUS中通過強(qiáng)度折減法計算深基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)[9]，結(jié)果如圖12所示。

圖12 三種支護(hù)條件下基坑的整體穩(wěn)定性系數(shù)Fig.12 Global stability coefficients of the foundation pit under three support conditions

基坑開挖時，放坡坡面采用掛網(wǎng)噴射混凝土。隨著基坑開挖深度的增加，基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小。由圖12可知，無支護(hù)條件下，基坑開挖至8.0 m時，其整體穩(wěn)定性系數(shù)約為1.19，隨著開挖深度的不斷增加，基坑開始出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，可直接導(dǎo)致基坑坍塌。在樁錨支護(hù)和雙排樁支護(hù)下，基坑開挖完成后整體穩(wěn)定性系數(shù)約達(dá)1.84和1.27，表明這兩種支護(hù)均有效，在很大程度上提高了基坑的穩(wěn)定性，相比較而言，樁錨支護(hù)比雙排樁支護(hù)的效果更好，這與前面的研究結(jié)果相符。

在圖1所示的支護(hù)條件下，整個基坑周邊道路的位移與沉降最大值見表2?？梢钥闯觯娱_挖對周邊道路的影響很小，其水平位移最大值不超過3.5 mm，沉降最大值不超過6.2 mm，完全滿足設(shè)計規(guī)范要求。

表2 基坑周邊道路的位移與沉降最大值Table 2 Maximal displacement and settlement of the roads around the foundation pit

4 結(jié) 論

(1)基坑土體位移隨開挖深度的增加而逐漸增大?；哟箨柦巧戏椒植季己奢d，使得陽角部位位移達(dá)到最大值，對基坑變形影響較大且易失穩(wěn)?；雨幗悄苡行б种仆馏w位移的發(fā)展，有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(2)在基坑長邊方向，離角部位置越遠(yuǎn)，基坑土體位移量越大，至長邊中部時達(dá)到最大，空間效應(yīng)也隨之逐漸變?nèi)酰竭_(dá)中部時基本消失，中部區(qū)域可用二維土壓力計算原理進(jìn)行分析。

(3)無內(nèi)支撐時，樁錨支護(hù)和雙排樁支護(hù)下樁頂?shù)乃轿灰凭鶠樽畲?；隨著基坑的逐步開挖，樁身變形速率逐漸降低，基本趨于穩(wěn)定。有內(nèi)支撐時，接近樁身1/2處的水平位移達(dá)到最大值，樁身最大位移和變形速率均小于無內(nèi)支撐時，說明內(nèi)支撐有減小樁身側(cè)移的作用，且對于樁身上半部分，內(nèi)支撐能在一定程度上抑制基坑的空間效應(yīng)。

(4)樁錨支護(hù)比雙排樁支護(hù)對基坑穩(wěn)定性的影響程度要大，錨桿比雙排樁更能有效提高基坑整體穩(wěn)定性。