削樁施作誘發(fā)基坑本體力學(xué)響應(yīng)數(shù)值分析

王曉靜，李立云，杜修力，王子英

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

0 引言

我國城市基礎(chǔ)建設(shè)的持續(xù)快速增長，城市土地資源日漸稀少，使得地下工程、地上超高層建筑的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模逐年增大，絕大多數(shù)建筑的基礎(chǔ)埋置深度越來越深，越來越多的深基坑工程隨之涌現(xiàn)[1]。深基坑施工是地下工程、高層和超高層建筑第一個階段，而基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性是保證深基坑開挖施工全過程安全順利進(jìn)行的關(guān)鍵。鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐的支護(hù)形式是我國地鐵深基坑施工普遍應(yīng)用的一種支護(hù)形式[2]，灌注樁起擋土作用，內(nèi)支撐能夠有效地控制圍護(hù)樁的水平位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形關(guān)系到基坑安全。在此背景下，許多學(xué)者[3-10]依托實際工程，借助計算機軟件對基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力筆變形規(guī)律進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，地鐵深基坑開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及開挖所引起的坑外地表沉降在實際工程中應(yīng)重點關(guān)注。

長春某地下車站深基坑工程在整體開挖施工完成后，發(fā)現(xiàn)底部樁體侵入主體結(jié)構(gòu)紅線范圍，為保證主體結(jié)構(gòu)的正常施作，需要對底部圍護(hù)樁進(jìn)行破除。削除圍護(hù)樁部分樁體后，若不采取相應(yīng)的控制措施，很有可能誘發(fā)基坑事故。

為了進(jìn)一步明晰基坑工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用方式及機理，本文依托該深基坑工程，采用ABAQUS有限元軟件對削樁施作過程進(jìn)行數(shù)值重現(xiàn)，對削樁誘發(fā)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊場地力學(xué)行為及災(zāi)變模式進(jìn)行研究，揭示削樁效應(yīng)的本質(zhì)，厘清削樁誘發(fā)的基坑潛在災(zāi)變模式，進(jìn)而提出相應(yīng)的控制措施。

1 工程案例

1.1 工程概況

長春某地下車站為地鐵線路平行換乘車站，基坑寬度36.1m，全長163.6m，基坑最深處22m，安全等級為一級。車站主體采用明挖順作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系采用φ1000@1200鉆孔灌注樁結(jié)合φ609mm(厚度t=16mm)鋼管內(nèi)側(cè)支撐的形式，樁間土掛網(wǎng)噴混凝土保護(hù)。圍護(hù)樁長度33.5m，鋼支撐預(yù)加軸力。車站土方開挖完成后，發(fā)現(xiàn)基坑北段東側(cè)部分圍護(hù)樁樁位出現(xiàn)偏差，侵入結(jié)構(gòu)紅線內(nèi)部，為滿足車站主體結(jié)構(gòu)施作需要，必須將侵入的圍護(hù)樁部分樁體破除，具體如圖1～圖3所示。

圖1是車站平面布置圖，削樁區(qū)域在圖中用紅線標(biāo)出；圖2給出了實際工程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面布置圖；圖3是削樁部位示意圖。本文選擇斷面1-1進(jìn)行分析。

1.2 工程地質(zhì)條件

基坑開挖范圍內(nèi)場地巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示?？辈煦@孔揭露表明，該工程場地地層主要由三部分組成：地表分布人工堆積雜填土層，其下為第四系沖積粘性土和沖洪積砂土，下伏白堊系泥巖。實測地下穩(wěn)定水位埋深2.90～5.50m，車站所處場地地下水賦存于第四系粘性土和砂土層中，含水層厚度10.0～115.0m，地下水類型屬第四系孔隙潛水。由于含水層組透水性及富水性的差異，在一定條件下砂土層的孔隙水表現(xiàn)出一定的微承壓性。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 削樁過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于圍護(hù)樁侵入車站結(jié)構(gòu)部分較大(設(shè)計樁徑1000mm，實際侵入300～800mm)且連續(xù)存在，削樁后必然削弱圍護(hù)的支撐能力，危及基坑安全。選取1-1斷面樁身的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬合理性驗證的參考，如圖4所示。

削樁深度為地面下17.5～20.0m。由圖4可知，削樁施作初始階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值出現(xiàn)在地面以下15m附近，數(shù)值約為30mm，已達(dá)到本工程監(jiān)控量測的控制標(biāo)準(zhǔn)。隨著削樁過程的推進(jìn)，圍護(hù)樁的水平變形整體顯著增大，盡管采取了一定的控制措施，但最大變形值仍達(dá)到50mm，遠(yuǎn)超本工程的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 削樁過程數(shù)值仿真

2.1 數(shù)值建模

采用ABAQUS通用有限元軟件建立二維數(shù)值分析模型。本工程基坑的開挖寬度為30m，開挖深度為20m。已有研究[11-12]表明，合理的模型區(qū)域宜大于開挖尺寸的3倍，故本文選取100m×50m(寬×深)的區(qū)域建立數(shù)值模型，如圖5所示。

基坑開挖及削樁施作過程按如下步驟進(jìn)行數(shù)值模擬：①初始地應(yīng)力平衡；②布設(shè)圍護(hù)樁，施加基坑周邊地面荷載；③基坑開挖。分四步開挖，開挖深度分別為3m、6m、7m和4m；每完成一個開挖步后，設(shè)置施加預(yù)應(yīng)力的鋼支撐，支撐位置距地表分別為2m、8m、13m和17m；④基坑開挖完成后，在基坑底部至其上2.5m的范圍分三步進(jìn)行削樁，每步削樁厚度分別為300mm、300mm和200mm。數(shù)值模型中土層參數(shù)取值如表1所示，圍護(hù)樁及鋼支撐的材料參數(shù)見表2。

表2 圍護(hù)樁及鋼支撐計算參數(shù)

由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，數(shù)值計算中做如下簡化：①場地巖土體呈水平層狀分布；②基坑開挖采用四步開挖形式，利用ABAQUS軟件自帶的生死單元功能模擬開挖過程；③巖土體為均質(zhì)各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型模擬；④與開挖過程類似，利用生死單元對削樁過程進(jìn)行模擬；⑤實際工程中采取了坑外降水措施，故不考慮地下水作用的影響。

2.2 數(shù)值模型驗證

圖6為數(shù)值模擬得到的每步施工工序中樁身的水平位移沿基坑深度的分布情況。圖7是削樁過程中圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測值與模擬值對比曲線。

由圖6可知，隨著基坑開挖的推進(jìn)，圍護(hù)樁的水平位移逐漸增大，最大水平位移的出現(xiàn)位置逐漸下移；第三步開挖導(dǎo)致圍護(hù)樁的位移增量最為顯著；圍護(hù)樁的水平變形沿深度方向呈“大肚”狀；基坑開挖到坑底時，水平位移最大值約為25mm，出現(xiàn)在地表下方約15m深度處。隨著后續(xù)削樁過程的施作，最大水平位移點基本不變，只是數(shù)值出現(xiàn)線性增長，最終達(dá)到42mm左右，基坑體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖7可知，削樁過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形趨勢上監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬基本一致，但數(shù)值上有一定的偏差：監(jiān)測值≈模擬值+初始偏差值。造成偏差的主要原因發(fā)生在削樁施作前的基坑開挖階段，受施工現(xiàn)場地面堆載、降雨以及鋼支撐架設(shè)不及時等多種因素的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在實際削樁施作前已經(jīng)有過大的變形(即初始變形偏差)，隨后削樁施作時，圍護(hù)樁水平位移變形在變形偏大的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大，數(shù)值模擬過程中未考慮上述因素影響，從而導(dǎo)致監(jiān)測值與模擬值之間出現(xiàn)偏差。圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測值最大值可達(dá)50mm，數(shù)值模擬結(jié)果最大值在42mm左右，忽略削樁初始時的偏差值，究其變形趨勢，兩者變形曲線規(guī)律基本一致，表明數(shù)值模擬與實際削樁過程中的基坑變形趨勢相吻合，可以利用此次數(shù)值模擬結(jié)果對削樁誘發(fā)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.3 場地響應(yīng)及災(zāi)變模式分析

圖8和圖9分別為基坑開挖及削樁施作過程中基坑周邊的地表沉降曲線。

對比圖8和圖9可知，基坑開挖過程中，基坑兩側(cè)的場地響應(yīng)基本一致，表現(xiàn)為：隨著開挖過程的推進(jìn)，地表沉降逐漸增大；地面沉降沿垂直于坑壁方向呈“勺子”狀分布，最大沉降出現(xiàn)在距坑壁6m處，最大沉降值約8mm?；娱_挖完成后，隨著削樁施作的開展，基坑周圍地面沉降呈現(xiàn)明顯的不對稱性：非削樁側(cè)場地的地面沉降值增加很小，削樁側(cè)場地出現(xiàn)大幅度的地面沉降，削樁側(cè)地面沉降量顯著大于非削樁側(cè)。對比削樁前后的數(shù)值結(jié)果發(fā)現(xiàn)，削樁導(dǎo)致本側(cè)地表沉降量約為11mm，占本側(cè)地表總沉降的59%；非削樁側(cè)的地表沉降量只增加了1mm。對此種場地變形表現(xiàn)分析如下：由圖8和圖9可知，削樁前，整個基坑-圍護(hù)體系已達(dá)到平衡狀態(tài)，基坑兩側(cè)的地表沉降量呈對稱分布。針對基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)樁的削樁施作造成了圍護(hù)樁在坑底位置的損傷破壞，并且破壞程度逐漸加大，樁體截面尺寸逐漸變小。將圍護(hù)樁看作為坑底固接、內(nèi)支撐處鉸接的連續(xù)梁，本工程案例中的削樁施作相當(dāng)于減小了固接支座附近梁的高度，致使削樁段梁的抗彎剛度降低、剪切面積減小，在樁后巖土壓力的作用下其撓度變形增大。為滿足樁-土體的變形協(xié)調(diào)，樁后土體的應(yīng)力場重新調(diào)整，導(dǎo)致樁后土體產(chǎn)生次生變形。非削樁側(cè)的土-圍護(hù)體系受削樁行為的影響很小，因此，非削樁側(cè)土體的次生變形很小。為了驗證上述原因分析的合理性，對削樁后圍護(hù)樁的內(nèi)力及變形進(jìn)行分析。

提取削樁施作完成后的削樁側(cè)圍護(hù)樁水平位移云圖(圖10)發(fā)現(xiàn)，在削樁部位上方，圍護(hù)樁的水平位移均朝向坑內(nèi)，由地表向下逐漸增大，而后變形量有所減小，坑底位置的水平位移指向坑外。同時，從圍護(hù)樁水平位移云圖(圖11)可看出，基坑開挖及削樁施作導(dǎo)致的圍護(hù)樁應(yīng)力由樁的兩端向削樁段逐漸增大，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在削樁段的中下部位置，坑底位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，初步判斷坑底位置為樁身破壞的潛在位置。

為進(jìn)一步分析削樁側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，提取削樁側(cè)圍護(hù)樁水平位移與Mises應(yīng)力計算結(jié)果沿樁身的變化曲線，如圖12～圖13所示。

由圖12可知，隨著削樁施作的推進(jìn)，削樁段與未削樁段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移均有所增加，但位移指向有所差異，圍護(hù)樁深度20～25m樁段水平位移背離基坑，其余樁段水平位移指向基坑，位移指向變換位置靠近削樁段底部。圖13表明，伴隨削樁施作，圍護(hù)樁的Mises應(yīng)力逐漸集中于削樁段的中下部，且應(yīng)力增量有逐漸變大的趨勢。

圖14為支撐軸力隨削樁施作過程的變化曲線，圖15為削樁前后支撐軸力增量沿深度的分布曲線。

由圖14～圖15可知，削樁過程導(dǎo)致各道支撐軸力均有所增加；削樁前后，距離削樁段較近的第三、第四道支撐處軸力增量大于第一、第二道支撐軸力變化值；此結(jié)果與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)相吻合。

由上述分析可見，削樁施作過程導(dǎo)致圍護(hù)樁樁身產(chǎn)生顯著的附加水平變形；坑底位置樁身出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且抗彎剛度降低、剪切面積減小，存在此處折斷的潛在風(fēng)險；因而削樁過程導(dǎo)致基坑潛在的災(zāi)變模式為樁身折斷后的踢腳破壞。

2.4 風(fēng)險控制措施分析

前述場地響應(yīng)分析表明，削樁施作過程致使基坑周邊產(chǎn)生了顯著的附加地面沉降。為保證削樁過程中的基坑安全，實際施工時在削樁側(cè)盡量減少堆積荷載，預(yù)防基坑滑塌風(fēng)險。

削樁過程導(dǎo)致圍護(hù)樁樁身產(chǎn)生顯著的附加水平變形，潛在災(zāi)變模式可能為樁身折斷后的踢腳破壞。支撐軸力變化曲線(圖14～圖15)表明，削樁施作致使削樁段上側(cè)的支撐軸力出現(xiàn)顯著地增長。為了更好地控制樁身變形，減小樁身應(yīng)力，降低樁身破壞的風(fēng)險，人為增加第三至第四道支撐位置處的支撐軸力是本工程風(fēng)險控制的一種備選措施?？紤]到工程施工過程的實際情況，亦可通過在變形加大位置增設(shè)支撐。工程實施過程中對已有鋼支撐的軸力進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)第一道和第二道鋼支撐的軸力變化不明顯，且隨削樁過程的推進(jìn)，支撐軸力出現(xiàn)損失，因此，本工程在實施中的具體控制措施為在第三道和第四道支撐中間位置增設(shè)了一道支撐，從而減緩了基坑變形。

削樁效應(yīng)最終表現(xiàn)為基坑安全性的降低，削樁后應(yīng)盡快完成主體結(jié)構(gòu)的施作，利用主體結(jié)構(gòu)增加基坑系統(tǒng)的整體性，降低削樁側(cè)基坑發(fā)生坍塌的潛在風(fēng)險。同時，主體結(jié)構(gòu)施作過程中鋼支撐的拆除要緩慢、合理，避免出現(xiàn)變形驟增的情況。

合理的施工順序也是降低削樁效應(yīng)的一種有效措施，可以將地下工程施工的模塊化施工為削樁-主體結(jié)構(gòu)施作的交錯施工，采用削樁-主體結(jié)構(gòu)施作-下一步削樁-主體結(jié)構(gòu)施作的施工步序，控制削樁施作所引起的不良影響。

基于監(jiān)測和數(shù)值模擬，針對本工程建議了幾種風(fēng)險控制措施，上述風(fēng)險控制措施的控制效果將在后續(xù)工作中研究。這些控制措施可以單獨采用，亦可聯(lián)合使用。但最根本的還是需要加強施工前的準(zhǔn)備工作，減少無謂失誤。

3 結(jié)論

本文依托長春某地下車站基坑工程，針對其施工失誤導(dǎo)致的削樁過程，利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行對基坑開挖-削樁過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，進(jìn)而，分析了基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)削樁施作誘發(fā)的基坑本體力學(xué)響應(yīng)和災(zāi)變模式，探討了風(fēng)險控制措施，得出以下主要結(jié)論：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形從結(jié)構(gòu)頂部下移至地面以下15m深度處，水平變形整體呈“大肚狀”分布。由于某些客觀因素影響，水平位移監(jiān)測值大于數(shù)值模擬值，整體規(guī)律二者相吻合。

(2)削樁施作前，基坑兩側(cè)的場地響應(yīng)基本一致，地面沉降隨著開挖過程的推進(jìn)逐漸增大，垂直于坑壁方向呈“勺子”狀分布，最大沉降出現(xiàn)在距坑壁6m處，最大沉降值約8mm。隨著削樁施作的推進(jìn)，削樁側(cè)的地面沉降明顯大于非削樁側(cè)。

(3)伴隨基坑開挖完成后削樁過程的施作，圍護(hù)樁的水平位移和鋼支撐軸力均逐漸增加；削樁施作完成后，靠近削樁段的兩道支撐軸力增量較大，削樁段中下部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，削樁施作可能導(dǎo)致圍護(hù)樁折斷，從而影響基坑的安全。

(4)削樁施作會增大基坑危險發(fā)生的幾率，需要結(jié)合工地實際情況，制定合理的風(fēng)險控制措施。