深基坑施工過(guò)程中樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力數(shù)值分析

何飛，穆銳，劉一宏

(1.貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550006； 2.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401311；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量高層建筑拔地而起。高層建筑下的深基坑穩(wěn)定性問(wèn)題是巖土工程研究中的重點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)階段已有大量學(xué)者對(duì)基坑做了相關(guān)的研究工作，具體情況如下：

理論研究方面，基于Winkler彈性地基梁理論,李濤等[1]應(yīng)用分段獨(dú)立坐標(biāo)法推導(dǎo)并建立了樁體撓度微分方程，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)其適用性進(jìn)行了驗(yàn)證；在考慮立柱樁/土相互作用以及分步壓縮施工技術(shù)的情況下，楊開(kāi)放等[2]提出了立柱樁隆沉的計(jì)算模型。數(shù)值模型研究方面，結(jié)合超深基坑的特點(diǎn)，嚴(yán)學(xué)新等[3]利用數(shù)值與多元回歸分析，提出了地面沉降量計(jì)算公式；利用有限元數(shù)值模擬軟件，結(jié)合軌道交通、地鐵的深基坑等項(xiàng)目，陳桂香等[4]、施有志等[5]對(duì)軌道交通、地鐵的深基坑建立了相應(yīng)的深基數(shù)值模型，分別對(duì)深基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了開(kāi)挖深度對(duì)周邊建筑的影響；吳丹紅等[6]基于可拓學(xué)建立了深基坑的綜合評(píng)價(jià)模型。試驗(yàn)與施工研究方面。WANG Yibo 等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)，得到了加載條件對(duì)深基坑雙排樁和土壓力的影響是一致的結(jié)論。監(jiān)控量測(cè)研究方面，徐中華等[8]對(duì)上海鄰近地鐵隧道的軟土深基坑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，證明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制設(shè)計(jì)方案的合理性；在基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以對(duì)基坑、周圍建筑及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以對(duì)基坑設(shè)計(jì)方案的合理性等進(jìn)行驗(yàn)證[9-13]。

從現(xiàn)有研究成果看，深基坑研究主要集中于單階基坑的理論分析和施工監(jiān)測(cè)，對(duì)于多階深基坑的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文基于實(shí)際工程項(xiàng)目，建立多階深基坑施工過(guò)程中的開(kāi)挖及樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，得到多階深基坑在施工過(guò)程中的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力以及基坑周邊地表沉降位移的變化規(guī)律，以期為多階深基坑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工等提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

工程項(xiàng)目為貴陽(yáng)市內(nèi)某大型深基坑，基坑內(nèi)擬建4棟單體商用建筑，建筑的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，對(duì)差異性沉降較為敏感，場(chǎng)地施工主要包括深基坑開(kāi)挖和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，存在差異性較大的沉降。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料結(jié)果，可知地下巖層為厚階白云巖夾溶塌角礫巖，巖體節(jié)理較發(fā)育、較為破碎，自上而下巖土層結(jié)構(gòu)依次為第四系覆蓋階雜填土(Qml)、第四系堆積、沖積成因的褐黃色紅黏土(Qel+dl)和下伏基巖三疊系安順組(T1a3)，具體分布情況如圖1所示。

圖1 工程項(xiàng)目地質(zhì)分布情況

1.2 巖土體的力學(xué)參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，對(duì)巖土芯樣進(jìn)行基本物理指標(biāo)試驗(yàn)，得到各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，具體情況如表1所示。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

1.3 支護(hù)體系的采用

綜合地質(zhì)勘察資料及周圍建筑物分布具體情況，深基坑整體采用的支護(hù)形式為樁+錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。但由于上階地基主要為土體、下階主要為巖體，同時(shí)巖層力學(xué)性質(zhì)良好且?guī)r層走向與基坑開(kāi)挖面呈逆向，穩(wěn)定性好，因此，按上、下階進(jìn)行分階支護(hù)，如圖2所示。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：樁徑

圖2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

1.5 m，樁間距3.5 m；在分階處采用三角形聯(lián)梁連接(900 mm×600 mm)，上階支護(hù)至坡頂?shù)穆访鏄?biāo)高、底端嵌固深度不小于4.5 m，且嵌入中風(fēng)化巖層的深度不小于2.0 m；上階基坑錨索的水平間距3.5 m，豎向間距3.0 m，底排錨索距坡底2.0 m，上階基坑樁間現(xiàn)澆板厚200 mm，與樁植筋相連接，上階樁樁頂設(shè)置的冠梁隨坡頂?shù)匦尉€進(jìn)行澆筑，如圖3所示；下階基坑錨索的水平間距3.5 m，豎向間距3.0 m，底排錨索距坡底2.5 m；下階基坑樁間掛網(wǎng)噴射厚150 mm的混凝土，與樁植筋相連接。深基坑錨固樁樁頂設(shè)置冠梁，冠梁尺寸1 500 mm×900 mm?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況如圖4所示。

2 數(shù)值模型建立

實(shí)際工程在開(kāi)挖施工過(guò)程中主要分為2個(gè)階段(圖4)，即上部土層基坑的開(kāi)挖與支護(hù)、下部巖層基坑的開(kāi)挖與支護(hù)。只有上部土層基坑的開(kāi)挖與支護(hù)施工完成且支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，在預(yù)留足夠的樁前土體基礎(chǔ)上，才能繼續(xù)對(duì)下部穩(wěn)定巖層基坑進(jìn)行開(kāi)挖。因此，在建立數(shù)值模型過(guò)程中，遵循這一特點(diǎn)分階建立三維數(shù)值計(jì)算模型。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察資料和工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，得到最不利地層。通過(guò)原位試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)等方法確定了雜填土、硬塑紅黏土、可塑紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖數(shù)值模擬選用的參數(shù)值，具體見(jiàn)表2。

2.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

由于基坑的開(kāi)挖深度較大、地基分層情況復(fù)雜，基坑采用分階支護(hù)的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，分階處設(shè)置了聯(lián)梁，其設(shè)計(jì)同1.3節(jié)。在建立模型時(shí)充分考慮分階的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工序要求，分別定義上、下階樁施工過(guò)程的模擬方案，具體數(shù)值模擬方案見(jiàn)表3。

表2 數(shù)值模擬的材料參數(shù)

表3 數(shù)值模擬試驗(yàn)步驟

2.3 幾何尺寸與網(wǎng)格劃分

采用Midas GTS NX軟件對(duì)基坑邊坡地質(zhì)條件和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，地層分布為上土下巖。因此，在建立數(shù)值模型時(shí)采用等密度網(wǎng)格劃分的形式對(duì)基坑開(kāi)挖、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周圍土體進(jìn)行尺寸控制。

模型底端為固定支座，3個(gè)方向均不動(dòng)，左右邊界限制X方向位移，前后邊界限制Y方向位移。具體情況如下：(1)上階樁錨支護(hù)模型開(kāi)挖深度11.9 m，總長(zhǎng)65.7 m，高43.9 m，共有50 130個(gè)單元，54 834個(gè)結(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖5；(2)下階樁錨支護(hù)模型開(kāi)挖深度18.4 m，總長(zhǎng)70 m，高43.9 m，共有46 880個(gè)單元，51 629個(gè)結(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖6；(3)樁+錨支護(hù)模型見(jiàn)圖7。

圖5 上階基坑模型

圖6 下階基坑模型

圖7 樁+錨索支護(hù)模型

2.4 模型合理性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建模型的合理性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，保證數(shù)值模擬的開(kāi)挖過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程一致，通過(guò)數(shù)值模擬分析，得到深基坑實(shí)測(cè)的樁頂水平位移與數(shù)值模擬得到的樁頂水平位移，如圖8所示。

由圖8可知，深基坑樁頂水平位移的實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值基本一致，變化規(guī)律相同，結(jié)果最大誤差為3.37 mm，在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值模型較為真實(shí)地反映了開(kāi)挖施工中深基坑和其樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的實(shí)際情況，可采用該數(shù)值模型對(duì)深基坑施工過(guò)程中的數(shù)值模擬分析。

圖8 樁頂水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比

3 模擬結(jié)果分析

3.1 施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律

3.1.1 彎矩變化規(guī)律

圖9為上階樁、下階樁樁身彎矩分布規(guī)律。由圖9(a)可知，上階樁在開(kāi)挖過(guò)程1和2中，樁身彎矩隨開(kāi)挖深度先增大后減小，變化幅度不明顯；在開(kāi)挖過(guò)程3，4，5中，樁身彎矩呈先增大后減小，出現(xiàn)反彎點(diǎn)后先增大后減小，最大彎矩達(dá)到-1 662.43 kN·m。由圖9(b)可知，下階樁樁身彎矩0～12 m先增大后減小，在12 m處接近0；樁深度12～24 m，受嵌巖深度及樁身剛度的影響，彎矩變化幅度不明顯；樁身深度6～8 m出現(xiàn)了最大彎矩，最大彎矩-2 140.59 kN·m，不存在反彎點(diǎn)。

圖9 樁身彎矩變化規(guī)律

3.1.2 剪力變化規(guī)律

圖10為上階樁、下階樁樁身剪力分布規(guī)律。由圖10可知，在開(kāi)挖第一階段，由于上階樁沒(méi)有錨索，在側(cè)壓力作用下樁身剪力分布較為均勻，在距離樁頂3.6 m處錨索作用導(dǎo)致剪力發(fā)生在距離樁頂6.6，6.9 m處，同樣有剪力發(fā)生改變，且在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中剪力最大值為1 209.69 kN。類似地，在施工過(guò)程中下階樁出現(xiàn)的最大剪力為817.89 kN，由于受到錨索數(shù)量影響，整個(gè)過(guò)程中剪力變化規(guī)律較為復(fù)雜，是一個(gè)不斷變化的過(guò)程。

圖10 樁身剪力變化規(guī)律

3.1.3 樁身軸力變化規(guī)律

圖11為上階樁、下階樁樁身軸力的變化規(guī)律。開(kāi)挖步驟相同時(shí)，受錨索和側(cè)向土壓力影響，上階樁、下階樁樁身軸力均隨樁身埋置深度的增大先增大后減小，在樁頂時(shí)為0。隨著開(kāi)挖深度增大，上階樁在錨索作用處發(fā)生突變，樁身軸力的最大值出現(xiàn)在靠近樁底的1/3處。相反，下階樁樁身軸力在錨索作用位置同樣發(fā)生了突變，但由于錨索沒(méi)有完全作用，突變幅度較小，在開(kāi)挖過(guò)程7時(shí)整個(gè)施工過(guò)程中的樁身軸力最大。樁身軸力突變位置為錨索布置的位置，因此在開(kāi)挖過(guò)程中，錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)樁身軸力的影響較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)引起重視。

3.2 施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律

3.2.1 水平位移變化規(guī)律

圖12～13分別為整樁的水平位移變化和樁頂水平位移變化規(guī)律。由圖12可知，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖施工過(guò)程中，上階樁在深度方向上樁身水平位移接近線性分布，距基坑底部越遠(yuǎn)，樁身水平位移越大；距基坑底部越近，樁身水平位移越小。即在基坑頂部，樁頂水平位移最大，為12.98 mm，在基坑底部，樁身水平位移最?。幌码A樁在深度方向上樁身水平位移按非線性分布，且樁身水平位移量總體遠(yuǎn)小于上階樁的，總體變化規(guī)律與上階樁的變化規(guī)律大致相同，但在距離坑底12 m處出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)上段樁身水平位移變化幅度較大，在拐點(diǎn)下段樁身水平位移變化幅度較小，樁頂處水平位移最大，為4.72 mm。產(chǎn)生這種差異的原因：上階樁存在土層中，由于樁身剛度不足，樁頂處受側(cè)壓力影響產(chǎn)生較大的水平位移，隨著嵌固深度增大，樁身剛度逐漸增大，水平位移逐漸減小。下階樁主要存在于巖層中，在受側(cè)壓力影響下，巖層與開(kāi)挖方向互為逆向，樁身剛度足夠，側(cè)向壓力沒(méi)有引起樁體產(chǎn)生較大的水平位移，當(dāng)樁身完全抵抗變形時(shí)，出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。由圖13可知，無(wú)論是上階樁還是下階樁，樁頂水平位移量均隨開(kāi)挖深度的增大而增大，但支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好，確保了基坑周圍土體的穩(wěn)定性。

3.2.2 樁頂沉降位移變化規(guī)律

由圖14可知，對(duì)于上階樁、下階樁而言，樁頂沉降位移均隨開(kāi)挖步驟的增大而增大，上階樁表現(xiàn)出線性增加，且變化幅度較為明顯；下階樁表現(xiàn)出非線性增加，且變化幅度相對(duì)較小。從圖14(a)移增加較小，最后一步開(kāi)挖引起的沉降量下階樁中主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化白云巖，其巖層性質(zhì)穩(wěn)定性較好，在開(kāi)挖過(guò)程中變形量小。

圖11 樁身軸力變化規(guī)律

可以看出，隨著開(kāi)挖深度增加，上階樁的樁頂沉降位移明顯增大，從1.28 mm增至5.73 mm，但在允許的變形范圍內(nèi)，增量大致相同；從圖14(b)可以看出，隨著開(kāi)挖深度增加，上階樁的樁頂沉降位

圖12 樁身水平位移隨開(kāi)挖步驟的變化規(guī)律

圖13 樁頂水平位移隨開(kāi)挖步驟的變化規(guī)律

圖14 樁頂沉降位移隨開(kāi)挖步驟的變化規(guī)律

3.2.3 基坑頂部地表沉降位移變化規(guī)律

由圖15可知，隨開(kāi)挖深度加大，基坑頂部地表沉降值也增加，在距離基坑頂部4～5 m地表沉降量達(dá)到最大，總體呈先增大后減小的V形分布，但在距離基坑大于15 m時(shí)，沉降量變化非常小，可忽略。隨施工過(guò)程開(kāi)挖步驟增加，開(kāi)挖引起的地表沉降位移也在逐漸增大，在開(kāi)挖過(guò)程5時(shí)，距離基坑頂部4 m處的沉降位移達(dá)到10.49 mm。

由圖15可以看出，在基坑施工過(guò)程中，開(kāi)挖對(duì)周圍地表有一定影響。在施工過(guò)程中，對(duì)基坑影響范圍內(nèi)存在地下、地上建(構(gòu))筑物加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以防不利因素帶來(lái)不良影響。

圖15 基坑頂部地表沉降位移變化規(guī)律

4 結(jié) 論

(1)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與本文數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果可知，數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近。因此，采用該數(shù)值模型對(duì)多階深基坑進(jìn)行研究是可行的、合理的。

(2)開(kāi)挖施工過(guò)程對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較為明顯。上階樁彎矩先增大后減小且存在反彎點(diǎn)，剪力先增大后減小，軸力先增大后減小且在錨索作用處發(fā)生突變。下階樁彎矩先增大后減小至0，隨后無(wú)明顯變化；剪力先增大后減小至0，隨后反向先增大后減小，軸力先增大后減小，同樣在錨索作用處出現(xiàn)突變，但不明顯。

(3)樁身水平位移距坑底越遠(yuǎn)，數(shù)值越大，但巖層的小于土層的，且上階樁呈線性分布，下階樁呈非線性分布；上階樁和下階樁的樁頂水平位移和樁頂沉降位移均隨開(kāi)挖過(guò)程的推進(jìn)逐漸增大；同時(shí)，開(kāi)挖施工對(duì)周圍地表的沉降影響較大，在距基坑邊緣4～5 m影響最為明顯；當(dāng)距離>15 m時(shí)，影響不明顯。

(4)研究結(jié)果可為類似多階深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)、施工提供參考。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮多階深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍建筑物的加固、地表沉降量，合理選擇樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系、樁體配筋、錨索數(shù)量及其相對(duì)位置等，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。