V-H組合荷載作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性分析

江杰,田翔豪,羅方正,彭伯倫

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004；4.中國建筑第八工程局有限公司, 上海 200135)

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，大量的地鐵車站深基坑工程應(yīng)運(yùn)而生[1-4]，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形是工程界最關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值計(jì)算、理論分析、試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行研究。汪俊杰等[5]通過FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行了基坑地連墻支護(hù)參數(shù)敏感性分析，得到了各支護(hù)參數(shù)的相互影響關(guān)系；趙香山等[6]利用有限元軟件對(duì)基坑地連墻水平位移和地表沉降進(jìn)行反演分析，得到的上海軟土地區(qū)土層參數(shù)能較好應(yīng)用于數(shù)值分析當(dāng)中；徐長節(jié)等[7]和范曉真等[8]通過理論推導(dǎo)的方法，得到了非對(duì)稱開挖基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的解析解；LIU等[9]和XIANG等[10]通過數(shù)學(xué)模型對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)；郭海慶等[11]以某基坑實(shí)例為背景，通過離心模型試驗(yàn)和有限元軟件得到了兩種不同形狀基坑的土壓力分布形式；劉煬鑌等[12]通過離心試驗(yàn)和理論方法深入研究了窄基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性；李連祥等[13]針對(duì)傳統(tǒng)基坑離心模型試驗(yàn)中存在的不足，研制了一種新型開挖模擬裝置，提高了試驗(yàn)精度和可操作性。對(duì)于受外部荷載影響的基坑，林剛等[14]針對(duì)基坑開挖時(shí)兩側(cè)不平衡堆載的實(shí)際情況，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移均呈相反的變化規(guī)律，在設(shè)計(jì)時(shí)需要分別考慮兩側(cè)的支護(hù)參數(shù)；姚愛軍等[15]則通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究不對(duì)稱荷載作用下的基坑變形，得到的結(jié)論與林剛等[14]的研究成果一致；林馳等[16]對(duì)不同汽車流量下的基坑圍護(hù)樁頂水平位移、圍護(hù)樁身應(yīng)力及鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)汽車移動(dòng)荷載對(duì)基坑穩(wěn)定性有明顯不利影響。以上學(xué)者針對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了深入研究，但實(shí)際工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到豎向荷載(V)和水平荷載(H)組合作用，而此工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。因此，對(duì)V-H組合荷載作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律開展研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以南寧地鐵5號(hào)線某地鐵車站基坑為依托，首先運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件對(duì)基坑開挖支護(hù)開展數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析了基坑圍護(hù)樁受V-H組合荷載和僅受水平荷載兩種工況下的樁頂、樁身水平位移及支撐軸力變化，得到了豎向荷載對(duì)樁頂位移、樁身水平位移、水平承載力及內(nèi)支撐軸力的影響規(guī)律，然后將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和豎向荷載對(duì)基坑圍護(hù)樁的影響規(guī)律，為后續(xù)研究V-H組合荷載作用下的基坑提供參考。

1 工程概況

南寧市地鐵5號(hào)線某地鐵車站為地下兩層明挖島式站臺(tái)車站，站位緊鄰某汽車客運(yùn)中心，周邊為居民區(qū)，環(huán)境較復(fù)雜。根據(jù)超前地質(zhì)勘探報(bào)告顯示，基坑土層自上而下依次為雜填土、素填土、粉土、泥巖、粉砂巖，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical properties of soils

地鐵車站基坑長594.40 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.20 m，開挖深度16.00 m，車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“鉆孔灌注圍護(hù)樁+樁間旋噴+內(nèi)支撐”的結(jié)構(gòu)體系。圍護(hù)樁徑1.20 m，樁長22.00 m。豎向設(shè)置3道內(nèi)支撐，第一道為800 mm×900 mm米字型鋼筋混凝土撐，位于基坑深-0.50 m處，第二、三道鋼支撐直徑分別為800.0 mm、609.0 mm，壁厚均為16.0 mm，分別位于基坑深-6.40 m、-11.90 m處，水平方向兩道相鄰內(nèi)支撐水平間距為9.00 m?；悠矫媸疽鈭D如圖1所示。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the foundation pit

為保證周邊居民正常出行及汽車客運(yùn)站正常運(yùn)營，需在基坑開挖前搭設(shè)通行鋼便橋，鋼便橋橫向通行寬度25.50 m，縱向跨度21.20 m。鋼便橋由貝雷梁拼接搭設(shè)而成，上方鋪設(shè)0.25 m厚混凝土行車面板，豎向荷載約1.05×104kN通過鋼支座向下傳遞至兩側(cè)圍護(hù)樁。在基坑開挖前，貝雷梁鋼便橋的豎向荷載已作用于圍護(hù)樁頂，隨著基坑土體的開挖卸載，圍護(hù)樁受到水平荷載作用，在V-H組合荷載作用下產(chǎn)生位移和變形。受V-H組合荷載作用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面如圖2所示。

圖2 受豎向荷載段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面圖Fig.2 Sectional view of retaining structure of foundation pit under vertical load

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

圖3 1/2基坑計(jì)算模型 Fig.3 Calculation model of 1/2 foundation pit

基于有限差分軟件FLAC3D對(duì)基坑開挖支護(hù)開展數(shù)值模擬。由于基坑尺寸較大，為提高計(jì)算效率，根據(jù)對(duì)稱性計(jì)算原理，選取實(shí)際工程的1/2進(jìn)行建模，基坑開挖的影響范圍[17]約為開挖深度的4～5倍，確定計(jì)算模型尺寸為155 m×180 m×80 m，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，內(nèi)支撐采用梁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。基坑開挖前，在鋼便橋下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部施加均布力來模擬豎向荷載，架設(shè)完鋼支撐后，在鋼支撐兩端施加一對(duì)相反的作用力來模擬預(yù)應(yīng)力。計(jì)算模型的邊界條件為：限制周圍四面水平位移，底面為固定端，頂面為自由端。網(wǎng)格劃分以基坑中心，由近及遠(yuǎn)逐漸稀疏，共劃分104 260個(gè)單元，111 321個(gè)節(jié)點(diǎn)，1/2基坑計(jì)算模型如圖3所示。

鉆孔圍護(hù)排樁的受力形式與地下連續(xù)墻相似，依據(jù)等效剛度原理，通過(1)式轉(zhuǎn)換成模擬地連墻的厚度H，圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

(1)

式中，H為等效地連墻厚度；t為相鄰樁間凈距；D為鉆孔灌注樁直徑。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physico-mechanical properties of retaining structures

根據(jù)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，基坑開挖支護(hù)過程一共分為5個(gè)工況，地下水位控制在開挖面以下0.50 m，基坑開挖支護(hù)工況見表3。

表3 基坑開挖支護(hù)工況Tab.3 Conditions of foundation pit excavation support

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 樁身水平位移分析

以基坑長邊標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁Z42和Z46為分析對(duì)象，其中Z42樁上部無鋼便橋，僅受開挖卸荷引起的水平荷載，Z46為圖2中受豎向(V)與水平(H)組合荷載作用的圍護(hù)樁。不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖4所示，從計(jì)算模型里提取Z42和Z46樁身水平位移，樁身水平位移變化如圖5所示。

(a) 工況2

(b) 工況3

(c) 工況4

(d) 工況5

圖5 樁身水平位移變化Fig.5 Horizontal displacement of pile

由圖5知：Z42和Z46樁身水平位移均隨開挖深度增大而逐步增加，且在各個(gè)工況下，Z42的樁身水平位移均小于Z46，這是因?yàn)轭A(yù)先作用的豎向荷載與樁身水平位移會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，從而使得樁身水平位移增大，降低了圍護(hù)樁的水平承載力。在工況2條件下，第一道混凝土支撐暫未架設(shè)，樁身僅受到土壓力作用，樁身變形形式類似于懸臂樁，工況3～工況5條件下，由于內(nèi)支撐的架設(shè)限制了樁身水平位移，樁身變形呈“兩端小中間大”的形狀，兩者變形形式一致，說明豎向荷載對(duì)樁身變形形式的影響較小。在工況5時(shí)，基坑開挖至坑底，樁側(cè)水平荷載增至最大，此時(shí)Z42與Z46樁身水平位移差值最為明顯，豎向荷載對(duì)樁身水平位移的影響發(fā)揮至最大。

同時(shí)由圖5知，工況3和工況4時(shí)，樁身水平位移變化速度較快，Z42樁在這兩種工況下最大水平位移分別為13.1 mm和18.6 mm，相對(duì)于上一工況分別增長了274%和42%，而Z46樁在這兩種工況下最大水平位移分別為13.9 mm和21.6 mm，分別增長了256%和55%，這是因?yàn)檫@兩個(gè)工況開挖深度較深，引起水平荷載快速增加所致，應(yīng)加強(qiáng)這兩個(gè)工況下的基坑監(jiān)測(cè)頻率。Z42最大水平位移位于-8.00 m深度處，而Z46最大水平位移位于-10.00 m深度處，說明預(yù)先作用的豎向荷載能使圍護(hù)樁身最大水平位移位置下移，下移深度為開挖深度的12.5%。

2.2.2 樁頂水平位移分析

各個(gè)工況下Z42和Z46樁頂水平位移變化如圖6所示。

由圖6知，Z42和Z46樁頂水平位移的變化規(guī)律趨于一致。在工況1時(shí)，基坑未開挖，只在搭設(shè)鋼便橋區(qū)段的圍護(hù)樁上作用了豎向荷載，Z42和Z46兩者樁頂水平位移接近于零。在工況2條件下，由于開挖深度較淺，樁身所受水平土壓力較小，Z42與Z46樁頂水平位移分別為3.5 mm和3.9 mm，差值僅為0.4 mm。隨著開挖支護(hù)工況的進(jìn)行，Z42與Z46樁頂水平位移逐漸增大，且二者的差值也進(jìn)一步增大，豎向荷載對(duì)樁頂水平位移的影響越來越明顯。當(dāng)開挖至工況5時(shí)，兩者的水平位移增長值均較小，這主要是由于此時(shí)三道內(nèi)支撐已架設(shè)完畢，承擔(dān)了較多的基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力，限制了樁頂位移。在整個(gè)開挖支護(hù)過程中，Z42樁頂水平位移略小于Z46，預(yù)先作用的豎向荷載會(huì)使樁頂水平位移增大。

2.2.3 樁頂豎向位移分析

從計(jì)算模型中提取各個(gè)工況下Z42和Z46樁頂豎向位移數(shù)據(jù)，得到的樁頂豎向位移變化如圖7所示。

圖6 樁頂水平位移變化Fig.6 Horizontal displacement of pile top

圖7 樁頂豎向位移變化Fig.7 Vertical displacement of pile top

由圖7知，Z42和Z46樁頂豎向位移呈先增大后略減小趨勢(shì)，且Z42樁在各個(gè)工況下的樁頂豎向位移均小于Z46樁，由此可見，除了圍護(hù)樁自重使樁頂產(chǎn)生豎向位移外，預(yù)先作用的豎向荷載對(duì)樁頂豎向位移產(chǎn)生了一定的影響。在工況3時(shí)，Z42和Z46有最大樁頂豎向位移，分別為-8.7 mm和-11.8 mm，相對(duì)于工況2分別增加了5.9 mm和4.8 mm。在工況4時(shí)，開挖卸載引起樁頂略微上浮。工況5時(shí)進(jìn)行了基坑底板封底澆筑，有效的減小了開挖卸載引起樁體上移。

圖8 支撐軸力變化Fig.8 Variation of axial force of support

2.2.4 支撐軸力分析

從計(jì)算模型中提取與Z42和Z46樁相對(duì)應(yīng)位置的ZCL42和ZCL46三道內(nèi)支撐軸力數(shù)據(jù)，支撐軸力變化如圖8所示。

由圖8知，ZCL42和ZCL46各道內(nèi)支撐軸力變化規(guī)律一致相同，均隨著開挖深度增大而增大，其中第一道內(nèi)支撐軸力在工況2～工況4增長速率較快，近似線性變化，但在工況5時(shí)，增長速率明顯放緩，這是因?yàn)榇藭r(shí)三道內(nèi)支撐均已駕設(shè)完畢，開挖卸載對(duì)第一道內(nèi)支撐軸力的影響較小。第二道內(nèi)支撐軸力在工況5時(shí)增至最大，且超過了此工況下第一道內(nèi)支撐軸力。第三道內(nèi)支撐軸力最小，這是因?yàn)轳{設(shè)第三道內(nèi)支撐時(shí)，第一道和第二道內(nèi)支撐承擔(dān)了大部分的坑外土壓力?？傮w上看，ZCL42各道內(nèi)支撐軸力均略小于ZCL46，這與Z42和Z46樁身水平位移表現(xiàn)的規(guī)律一致，預(yù)先作用的豎向荷載使得內(nèi)支撐軸力增大。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析

3.1 樁身水平位移對(duì)比分析

分別將Z42和Z46工況5時(shí)的樁身水平位移監(jiān)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得到工況5樁身水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比如圖9所示。

由圖9知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算的樁身水平位移大小及變形規(guī)律較為契合，說明數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)取值是合理的。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，Z42樁身水平位移要略小于Z46，其中Z42樁身最大水平位移為19.1 mm，位于-8.00 m深度處，Z46樁身最大水平位移為24.4 mm，位于-10.00 m深度處。在預(yù)先作用的豎向荷載的影響下，樁身最大水平位移增大約27%，樁身最大水平位移位置下降約2.00 m，這與數(shù)值計(jì)算中呈現(xiàn)的規(guī)律相同，進(jìn)一步說明預(yù)先施加的豎向荷載會(huì)削弱圍護(hù)樁的水平承載力和增大樁身水平位移。

3.2 樁頂水平位移對(duì)比分析

Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值對(duì)比如圖10所示。

圖9 工況5樁身水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.9 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile in working condition 5

圖10 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.10 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile top

由圖10知，Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值呈現(xiàn)的變形規(guī)律相同，均隨著開挖深度增加而增大。在工況1時(shí)，由于基坑暫未開挖，Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值均近似于零。工況2時(shí)，開挖深度1.00 m，Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值分別增大至3.0 mm和4.1 mm，而在工況5時(shí)分別增大至10.5 mm和14.6 mm，比對(duì)應(yīng)工況下的計(jì)算值分別小2.1 mm和0.9 mm?？傮w來看，樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值要略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，這是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖作業(yè)時(shí)，會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置臨時(shí)加固，在一定程度上限制了樁身及樁頂?shù)乃轿灰啤４送?，在各個(gè)工況下，Z42樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值均小于Z46，這與數(shù)值計(jì)算得到的規(guī)律相同，預(yù)先施加的豎向荷載使得樁頂水平位移的增大。

3.3 支撐軸力對(duì)比分析

選取ZCL42和ZCL46第一道內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示。

從圖11可以看出，第一道內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值變化趨勢(shì)一致。在工況2時(shí)，ZCL42和ZCL46第一道內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)值分別為1 300.3 kN和1 546.3 kN，與數(shù)值計(jì)算值差值分別為1 180.1 kN和1 192.0 kN，差值較大的原因是由于基坑開挖存在時(shí)空效應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)施工荷載、氣溫等因素也會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生一定影響?？偟膩砜?，ZCL42軸力監(jiān)測(cè)值比ZCL46小10%左右，這與數(shù)值計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)的規(guī)律相契合。

圖11 第一道支撐軸力監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.11 Comparison between measured and calculated values of first strut axial force

4 結(jié)論

① 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較吻合，說明數(shù)值模型及參數(shù)取值合理，F(xiàn)LAC3D有限差分軟件能有效模擬V-H組合荷載作用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

② 在各個(gè)開挖工況下，受V-H組合荷載和僅受水平荷載作用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形形式一致，預(yù)先作用的豎向荷載對(duì)樁身變形形式的影響較小。工況3和工況4時(shí)，Z42和Z46樁身水平位移增速較快，應(yīng)加強(qiáng)這兩個(gè)工況下的基坑監(jiān)測(cè)頻率。

③ 僅受水平荷載作用的樁身最大水平位移位于-8.00m深度處，受V-H組合荷載作用的樁身最大水平位移位于-10.00m深度處，預(yù)先作用的豎向荷載能使圍護(hù)樁身最大水平位移位置下移，下移深度約為開挖深度的12.5%。

④ 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，V-H組合荷載下的圍護(hù)樁身最大水平位移增大約27%，從而削弱圍護(hù)樁的水平承載力，同時(shí)預(yù)先作用的豎向荷載使內(nèi)支撐軸力增大約10%，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮預(yù)先作用的豎向荷載帶來的不利影響，以保證基坑安全。