深基坑支護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用研究

楊 鳳

(湖北省核工業(yè)地質(zhì)局，湖北 孝感 432000)

1 基坑支護(hù)方案選擇原則

1.1 安全性原則

安全性是工程建設(shè)過程中首要也是最重要的原則，在選擇支護(hù)方案時(shí)，其中安全性則始終應(yīng)當(dāng)放在首位。安全性方面出現(xiàn)問題則會引發(fā)重大的工程事故和損失。基坑支護(hù)的安全除了能夠保證擬建建筑物自身的基坑的穩(wěn)定以及建筑物的安全，同時(shí)還能對周圍的建筑物安全性提供保證。所以在選擇基坑支護(hù)方案時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮到周圍環(huán)境的關(guān)系，確?；拥拈_挖不會對周圍的建筑物等產(chǎn)生重大的影響[1]。

1.2 技術(shù)可行性

基坑支護(hù)的種類繁多，目前常見的支護(hù)類型主要有土釘墻、懸臂式、水泥土墻、內(nèi)撐式排樁、拉錨式等，但是每種支護(hù)方式所適用的范圍也是有所差異。因而在選擇的過程中需要因地制宜，尋找最合適合理的方案，一方面需要盡可能地降低施工的難度、加快工程的進(jìn)度，另外一方面還需要降低施工的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

1.3 經(jīng)濟(jì)性原則

基坑支護(hù)在施工的過程中也屬于是臨時(shí)性的保護(hù)措施，因而在能夠保證基坑安全的前提之下，再加上能夠滿足在技術(shù)方面的要求，需要盡可能地減低成本。所以成本的控制也是基坑工程需要考慮的一項(xiàng)因素，盡可能地避免不必要的浪費(fèi)。

2 工程分析及支護(hù)方案的提出

2.1 工程概況

擬修建的建筑物地上部分共7層，地下2層，地下均采用樁基礎(chǔ)。該建筑物南北方向約198 m，東西方向98 m，基坑深度12.75～12.85 m，安全等級為一級。

2.2 支護(hù)方案選擇

該項(xiàng)工程處于舊城區(qū)，周圍已建的建筑物較多，施工的場地比較狹窄，環(huán)境非常復(fù)雜，不能夠進(jìn)行大規(guī)模的放坡。地下有各種錯(cuò)綜復(fù)雜的管線，擬建建筑物在修建的過程中不能夠影響到周圍其他的建筑物。此外，從長遠(yuǎn)的角度考慮，未來城市會在地下大規(guī)模地發(fā)展地鐵以及綜合管廊工程，所以基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)也不能夠越過紅線，因而對基坑的支護(hù)有著嚴(yán)格的要求。因而綜合考慮到以上幾方面的因素，在對擬建建筑物基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)一方面需要確保能夠嚴(yán)格控制周邊巖土體的變形，另一方面還需保證支護(hù)結(jié)構(gòu)不會超出建筑紅線。而對于錨桿和土釘，其長度均在20 m以上，因而在該工程的基坑支護(hù)中不宜采用。故而對于該工程，支護(hù)方案選擇鉆孔灌注樁同時(shí)再加兩道內(nèi)支撐，其中鉆孔灌注樁的直徑選擇為90 cm，兩個(gè)樁之間的間距1.3 m，圍護(hù)樁內(nèi)設(shè)置兩道支撐，兩道支撐的標(biāo)高分別為-3.4 m、-8.4 m，內(nèi)支撐為鋼筋混凝土撐，截面尺寸為0.8 m×0.8 m。基坑的支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)方案示意圖(單位：m)

3 擬建工程基坑開挖支護(hù)數(shù)值分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 基于ABAQUS的基坑開挖數(shù)值模擬

基坑開挖的過程較為復(fù)雜，通過有限元連續(xù)介質(zhì)的方法，充分考慮到該區(qū)域的地層環(huán)境以及土層的性質(zhì)，同時(shí)還可以施加開挖、支護(hù)等工況，能夠較為準(zhǔn)確的模擬出在施工過程中基坑應(yīng)力、變形等方面的變化。本文應(yīng)用ABAQUS對基坑開挖以及支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬[3]。

如圖2所示為模擬的地表沉降曲線圖。從圖2中可以看出，在基坑開挖完成之后，不同的位置所表現(xiàn)出的地表沉降也是有差異的，在坑外15 m的范圍之內(nèi)受到沉降的影響較大，當(dāng)寬度超出20 m所受到的沉降影響就很小，沉降曲線整體上形似“勺形”，在基坑之外7.5 m左右的位置出現(xiàn)了最大的沉降量13 mm，但是其沉降值僅僅是需要在臨界值的1/3之內(nèi)，因而預(yù)測地表沉降依舊處于安全的范圍之內(nèi)。

圖2 地表沉降曲線圖

如圖3為開挖過程樁身水平位移圖。樁身在整個(gè)位移中呈現(xiàn)出上端和下端的位移較小，中間段的位移較大，樁頂和樁身的最大位移分別為8 mm、15 mm，遠(yuǎn)小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的臨界值，處于安全值的范圍之內(nèi)。

圖3 開挖過程樁身水平位移圖

如圖4為坑內(nèi)土體隆起的曲線。在第一次開挖的過程中，開挖的深度也較小，坑底僅僅表現(xiàn)出了彈性隆起，兩側(cè)的隆起較小，越往中間其隆起越大。隨著開挖深度的逐漸增大，在坑底也逐漸出現(xiàn)了塑性變形，隆起的曲線整體上變現(xiàn)為兩邊大中間小。整體上來講，開挖的深度越大，其隆起量也就越大，但同時(shí)在坑底的不同位置，其隆起量的增加速度還是會略有差異。經(jīng)過了三次開挖，坑底的最大隆起量分別為5.6 mm、9.2 mm、12.5 mm，分別均小于規(guī)范的計(jì)算值，能夠滿足規(guī)范的要求。

圖4 坑內(nèi)土體隆起曲線

根據(jù)對支撐軸力的模擬，結(jié)果顯示其中第一道支撐進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的速度較快，第二道支撐軸軸力隨著開挖深度呈線性增加，第一道支撐和第二道支撐的軸力最大值分別為3 703 kN、6 225 kN，遠(yuǎn)小于警戒值，均在安全值范圍內(nèi)。

通過對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行模擬，其警戒值與模擬值對比結(jié)果見表1。

表1 模擬結(jié)果驗(yàn)證對比表

3.2 模擬結(jié)果的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

進(jìn)行數(shù)值模擬除了可以通過模擬結(jié)果來驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置的可靠性與安全性，此外還可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行更深層次的優(yōu)化。

(1) 對排樁的優(yōu)化。如圖5所示為圍護(hù)樁彎矩圖，通過模擬也可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)基坑開挖到深度為12.75 m時(shí)，在距樁頂4～11 m處的樁身正彎矩較大，其中最大正彎矩為348 kN·m。在14～18 m處，樁身出現(xiàn)負(fù)彎矩，其中負(fù)彎矩最大為225 kN·m。根據(jù)樁身彎矩分布的特點(diǎn)，可對樁身結(jié)構(gòu)的配筋方案進(jìn)行略微的調(diào)整，在正、負(fù)彎矩較大的部位加大鋼筋的布設(shè)。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)在彎矩較大的部位布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)的監(jiān)測。

圖5 圍護(hù)樁彎矩圖

(2)對內(nèi)撐的設(shè)計(jì)優(yōu)化。該工程一共采用了兩道支撐，圖6為兩道支撐軸力對比曲線。通過數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，兩道支撐在受力方面所受到的差異較大。其中第一道支撐自一開始所受的軸力就不斷增加，但是在施加第二道支撐之后，第一道支撐的受力變化微小。第二道支撐的軸力隨開挖深度的增加而不斷增大，在設(shè)計(jì)深度處周麗達(dá)到最大值。顯而易見，在整個(gè)過程中支撐力主要是由第二道支撐提供，而第一道支撐所提供的支撐力較小，所以兩道支撐的截面尺寸也應(yīng)當(dāng)有區(qū)別的設(shè)計(jì)，第二道支撐的尺寸宜比第一道支撐大約50%。另外在施工的過程中需要對支撐的軸力進(jìn)行監(jiān)測，對監(jiān)測也需要一定的優(yōu)化。

圖6 兩道支撐軸力對比曲線

(3)對周邊沉降監(jiān)測布置的優(yōu)化。在基坑開挖的過程中，不可避免的會引起水平或者豎直方向上的位移，倘若變形量過大還會對周邊的環(huán)境造成破壞。通過數(shù)值模擬可以看出，地表的變形呈現(xiàn)出不均勻分布的特征，所以在監(jiān)測的過程中應(yīng)當(dāng)有所側(cè)重。其中圖7所示的是沉降變形曲線與地下管線位置的關(guān)系。其中離基坑開挖邊緣最近的天然氣管道僅有10 m，但是基坑外邊緣15 m的范圍之內(nèi)變形均較大，雖然變形值在允許的范圍之內(nèi)，但是依舊需要在開挖的過程中進(jìn)行密切的關(guān)注監(jiān)測，尤其是在基坑開挖之后，應(yīng)當(dāng)增加監(jiān)測的頻率，以便發(fā)生問題后及時(shí)進(jìn)行處理。

圖7 沉降變形曲線與地下管線位置關(guān)系

4 結(jié)束語

文章通過運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，模擬了深基坑在開挖過程中的應(yīng)力和位移變化情況。同時(shí)根據(jù)模擬的結(jié)果對支護(hù)設(shè)計(jì)的排樁、支撐以及監(jiān)測方案進(jìn)行了深入的優(yōu)化，以求支護(hù)能夠達(dá)到最優(yōu)的效果。