基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性及最優(yōu)樁間距的研究

楊林華，彭世江

(中鐵二院公路市政院，四川成都610031)

基坑工程是一個(gè)古老而又有時(shí)代特點(diǎn)的巖土工程課題?？v觀國內(nèi)外基坑工程的實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，目前基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要存在兩種傾向:(1)設(shè)計(jì)安全度不足而造成基坑失穩(wěn)事故;(2)設(shè)計(jì)過于保守而造成很大的工程浪費(fèi)［1～6］。因此，如何選擇較好的方案，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)既能保證基坑開挖期間的穩(wěn)定性和周邊建筑物及環(huán)境設(shè)施的安全，又能避免支護(hù)結(jié)構(gòu)過于保守而造成不必要的浪費(fèi)，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的。

為此，本文將以成都周邊的某一隧道基坑工程為依托，結(jié)合地質(zhì)情況，分別對不同樁間距情況下的支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，研究深基坑支護(hù)體系的受力變形特性，深入探究深基坑開挖過程中影響支護(hù)體系穩(wěn)定性的主控因素，最后確定深基坑開挖與支護(hù)樁設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，為成都地區(qū)及其他相類似區(qū)域的深基坑工程支護(hù)體系設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)例工程背景

該基坑工程位于成都平原區(qū)，地形平坦開闊，地面高程482～483 m，相對高差2～11 m，沿線地表房屋密集，道路縱橫交錯(cuò)，交通極為方便。根據(jù)地勘部門提供的地勘資料可知，該地區(qū)自上而下共分布著8個(gè)地層:上覆第四系全新統(tǒng)人工填筑土、卵石土、粉質(zhì)黏土、第四系上更新統(tǒng)冰水－流水堆積層、粉質(zhì)黏土、中砂、卵石土，下覆基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖。其中，人工填土厚1～3 m，粉質(zhì)黏土厚2～6 m，中砂厚0～2 m，卵石土厚2～14 m，底部為泥巖。同時(shí)，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震動(dòng)反映譜特征周期為0.350 s。

2 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

眾所周知，基坑開挖本身是一個(gè)空間問題，且對于一些特定情況，其空間效應(yīng)十分明顯，單純地將其簡化為平面問題或者將空間問題分割為幾個(gè)獨(dú)立的平面問題并不足以反映實(shí)際的受力狀態(tài)，而且會(huì)相應(yīng)地造成資源的浪費(fèi)。因此對于多道橫撐的深基坑支護(hù)體系進(jìn)行定量三維分析，充分考慮施工階段的空間效應(yīng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程意義，將支護(hù)體系的合理利用，能夠一定程度上降低工程造價(jià)。本文以成都地區(qū)某一個(gè)基坑工程為實(shí)例，采用有限元空間數(shù)值分析方法，探討了基坑開挖過程中，不同尺寸的支護(hù)結(jié)構(gòu)對基坑穩(wěn)定性的影響。

2.1 模型的建立

實(shí)質(zhì)上，基坑問題是一個(gè)三維的無限遠(yuǎn)問題，其邊界具有無限性。本文結(jié)合他人的研究成果計(jì)算模型的邊界范圍在水平、豎直方向上均取大于1倍的開挖范圍即計(jì)算范圍在水平方向取40 m，豎直方向取36 m，縱向取22 m。MADAS/GTS中存在實(shí)體單元和構(gòu)件單元兩種建模方式，為了能夠更加合理的模擬各個(gè)部分，將采用以下建模方式:支撐結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行建模，樁采用樁單元進(jìn)行建模，冠梁采用梁單元進(jìn)行建模，土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。同時(shí)，為了更加真實(shí)的模擬土與結(jié)構(gòu)的相互作用，本文將采用Goodman接觸單元來模擬樁－土、冠梁－土等等的相互作用，具體數(shù)值分析模型詳見圖1。

圖1 基坑工程的數(shù)值模型

2.2 邊界條件

基坑圍巖范圍周邊取為各邊的法向位移約束，地表為自由面;圍護(hù)樁樁底為豎向約束;鋼支撐與圍檁或冠梁應(yīng)為彈性約束，由于鋼支撐的恒受壓性和建模的方便，釋放了數(shù)學(xué)模型中的梁端轉(zhuǎn)動(dòng)約束，在模擬時(shí)僅以鉸接代替，對稱面處的冠梁及工字鋼圍檁截面采用滑動(dòng)支座來約束。

2.3 本構(gòu)模型及土體參數(shù)

本文在進(jìn)行數(shù)值分析中將采用摩爾庫倫本構(gòu)模型來模擬土體，同時(shí)也采用線彈性本構(gòu)模型來模擬基巖、支撐體系等，具體的物理力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)模型的選取詳見表1。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究不同樁間距情況下，樁身的變形、樁身的剪力以及樁身彎矩的分布情況，本文將分別計(jì)算了在樁徑1.5 m的情況下，樁間距為2.5 m、3 m、3.5 m、4 m及5 m五種工況，具體結(jié)果如下。

3.1 樁身變形

為了研究樁身自上而下的變形情況，本文將在樁身內(nèi)側(cè)自上而下設(shè)置一系列的監(jiān)測點(diǎn)，間距為0.5 m。同時(shí)，由于基坑圍護(hù)樁主要為抗彎結(jié)構(gòu)，其水平向變形為其控制性參數(shù)，而且圍護(hù)樁已底部伸入基巖4 m，其豎向變形對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響可忽略，因此僅考慮其水平變形，具體結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 樁身變形

由圖2可知，樁身水平位移呈中間和頂部較大，底部較小，樁身位移主要發(fā)生在開挖面以上范圍內(nèi)，最大值為發(fā)生在約開挖深度1/3處。具體如下:在樁高分別為8 m和13 m處，位移出現(xiàn)“突減”變化，其主要原因是在開挖下部土體前，施作鋼支撐，增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向剛度，約束了樁身上部的位移。在樁高為0至4 m處，由于樁己嵌入強(qiáng)度很大的基巖當(dāng)中，圍巖對樁體變形起到了較大的約束作用?；谝陨蟽煞矫妫阈纬闪讼虏亢蜕喜考s束強(qiáng)，中間約束弱的力學(xué)結(jié)構(gòu)，在樁后土壓力的作用下，產(chǎn)生鼓脹，中間部位產(chǎn)生較大的位移。同時(shí)，隨著基坑內(nèi)維護(hù)樁樁間距的增大，樁體水平位移不斷增大，根據(jù)王翠英等［7］人關(guān)于合理樁間距的計(jì)算理論進(jìn)行計(jì)算，得出本斷面允許最大樁間距為3.4 m。由圖2可知，在3 m至4 m樁間距范圍內(nèi)，維護(hù)樁水平位移變化不大，當(dāng)樁間距為5 m時(shí)，維護(hù)樁樁間距繼續(xù)增大，這是由于隨著樁間距的增大，維護(hù)樁之間的“土拱效應(yīng)”減弱，土體以及維護(hù)樁的水平位移不斷增大，由圖3可知，隨著樁間距增大，土體和樁體的最大樁間距都在增大，在3 m至4 m處，土體位移最大值繼續(xù)增大，維護(hù)樁水平位移最大值變化減緩，樁間距為5 m時(shí)土體與樁體之間位移值錯(cuò)動(dòng)增大，土體發(fā)生破壞，因此，3～4 m為合理樁間距。

圖3 土體、樁身的最大位移

3.2 樁身的剪力和彎矩

綜合分析圖4和圖5可知，無論是樁身剪力，還是樁身彎矩，其最大值均隨基坑樁間距的增大在增大，主要原因是隨著樁間距的增大，樁內(nèi)外壓力差增大，樁體維護(hù)作用減弱，進(jìn)而造成了樁身剪力、彎矩的增大。

圖4 樁身剪力

圖5 樁身的彎矩

4 結(jié)論

本文依據(jù)某基坑工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測資料，利用大型數(shù)值分析軟件MADAS/GTS開展最優(yōu)樁間距的研究，得出以下結(jié)論:

(1)樁身水平位移呈中間和頂部較大，底部較小，樁身位移主要發(fā)生在開挖面以上范圍內(nèi)，最大值為發(fā)生在約開挖深度1/3處。

(2)樁身剪力、彎矩的最大值均隨基坑樁間距的增大在增大。

(3)建議該基坑工程采用的合理樁間距為3～4 m。

［1］ 趙利俠.RAGA在深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2005

［2］ 鄒洪海.關(guān)于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選與優(yōu)化設(shè)計(jì)探討［D］.濟(jì)南:中國海洋大學(xué)，2005

［3］ 熊志彪.建筑基坑支護(hù)［M］．中國建筑工業(yè)出版社，2008

［4］ Terzhagi K.Theoretical Mechanics，John Wiley Sons，Inc.，NewYork:1943