非平衡堆載下基坑支護結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力分析*

徐宏增,楊開放,陳方民,孔躍躍,徐長節(jié),5,丁 智

(1.宏潤建設(shè)集團股份有限公司,上海 200235; 2.浙江大學平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310058; 3.杭州市錢江新城建設(shè)開發(fā)有限公司,浙江 杭州 310020; 4.中鐵十四局集團第四工程有限公司,山東 濟南 250002; 5.華東交通大學江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室,江西 南昌 330013; 6. 浙大城市學院工程學院,浙江 杭州 310015)

0 引言

目前,基坑工程仍是地下空間研究的熱點問題之一。由于基坑工程場地的限制,導致建筑材料及土體常堆積在坑周附近,所以基坑堆載現(xiàn)象越來越普遍。因基坑兩側(cè)堆載的荷載不同,兩側(cè)支護結(jié)構(gòu)承受不同的應力分布,進而產(chǎn)生多余的變形和內(nèi)力,有無堆載對基坑的變形與受力有很大區(qū)別。

常規(guī)的基坑設(shè)計主要是針對兩側(cè)無堆載情況下的平衡基坑工程,并且相關(guān)學者也做了大量關(guān)于無堆載基坑工程的研究[1-3],而關(guān)于非平衡堆載下的基坑工程研究比較匱乏。徐長節(jié)等[4-5]通過解析解和有限元軟件研究兩側(cè)開挖深度不同的非對稱基坑,并得出不同挖深差下基坑變形及圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。吳劍鋒[6]和蔡袁強等[7]通過有限元軟件研究了不同開挖深度下的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形,提出在基坑設(shè)計中需要考慮由于不同挖深產(chǎn)生的支護結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力,并對基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化研究。金亞兵等[8]歸納總結(jié)非對稱荷載的5種典型類型,提出了非對稱荷載條件下深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法。石鈺鋒等[9]和路小軍等[10]以地鐵基坑為背景,分別用實測數(shù)據(jù)和有限元軟件分析了偏壓基坑的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形,并歸納了非對稱超載條件下內(nèi)力和變形的分布規(guī)律。

綜上所述,關(guān)于無堆載基坑開挖引起支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的研究較多,而關(guān)于非平衡堆載下基坑工程的變形研究較少。本文以杭州市兩側(cè)非平衡堆載的管廊基坑為背景,通過有限元軟件建立數(shù)值模型,并分析不同堆載高度下基坑開挖引起支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形,文中得到的方法和結(jié)論可為類似工程提供參考。

1 工程概況

杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊基坑呈長條形,基坑開挖長度為980.0 m,開挖寬度為6.9 m,開挖深度達到6.35 m。如圖1所示,由于基坑開挖施工受兩側(cè)土體分布的影響,只平整了基坑一側(cè)的土體,而對另一側(cè)土體則采用了放坡支護形式,因此基坑兩側(cè)的堆土產(chǎn)生了1.0～3.0 m的高差,導致該基坑兩側(cè)處于非平衡堆載狀態(tài)。本基坑支護結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁加內(nèi)支撐的形式,其中采用直徑850 mm、間距600 mm的SMW工法樁,設(shè)計長度為14.5 m,內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐,第1道鋼筋混凝土支撐的截面尺寸是1.2 m×0.8 m,第2道支撐采用φ609鋼管支撐,典型支護結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖1 基坑現(xiàn)場Fig.1 Field of foundation excavation

圖2 典型支護結(jié)構(gòu)剖面Fig.2 Profile of retaining structure of foundation excavation

2 數(shù)值模型建立

2.1 土體本構(gòu)模型選取

巖土工程實踐表明,土體在破壞前實際上在荷載作用下處于小應變狀態(tài)。小應變土體硬化模型(hardening soil model with small-strain stiffness,簡稱HSS模型)具有土體的剪切模量隨應變增大而減小的特點,并能體現(xiàn)出軟黏土的壓硬性和剪脹性,可以區(qū)分土體的加卸載剛度[11-12],因此數(shù)值模型的土體使用HSS本構(gòu)模型,土體參數(shù)取值如表1所示。

表1 模型土體參數(shù)Table 1 The paremeters of soil model

2.2 邊界條件

由于該管廊基坑具有狹長形的特點,基坑長度遠大于寬度,因此采用有限元軟件PLAXIS建立二維平面應變的數(shù)值模型。根據(jù)前人研究經(jīng)驗[13-14],模型水平方向上取基坑開挖深度的4倍,豎直方向上取基坑開挖深度的3倍,如圖3所示。同時模型的邊界條件為下表面全部約束,側(cè)面只約束法向位移,頂部為自由面。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 模型參數(shù)選取

基坑工程中的堆載土體是由于場地未全部進行平整而遺留下的土體,該部分堆載土體和填土具有相同的參數(shù)。在PLAXIS中使用板單元來模擬SMW工法樁,通過增加界面單元實現(xiàn)樁與土之間的相互作用,SMW工法樁的模型參數(shù)以設(shè)計參數(shù)為依據(jù);基坑支護結(jié)構(gòu)中的混凝土支撐和鋼支撐用點對點錨桿進行模擬;采用板單元來模擬護坡噴漿,各支護結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表2所示。

表2 各支護結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of retaining structure

2.4 開挖工況

根據(jù)現(xiàn)場工況,有限元模擬具體步驟為:①建立場地及基坑模型;②初始平衡地應力,重置初始地應力產(chǎn)生的位移為0;③激活基坑支護結(jié)構(gòu)。具體基坑開挖的關(guān)鍵工況如表3所示。

表3 開挖階段關(guān)鍵工況Table 3 Key construction stages

2.5 模型驗證

如圖4所示,在基坑施工過程中,通過對比分析支護樁水平位移的監(jiān)測值與有限元模型的計算值,無論是無堆載的左側(cè)還是有堆載的右側(cè),計算值與監(jiān)測值的變化規(guī)律基本吻合,支護樁的最大水平位移幾乎一致且均在基坑坑底附近,驗證了該有限元模型的正確性與準確性。在本模型中,未能考慮局部支護結(jié)構(gòu)的加固作用,所以支護樁的計算值會偏大。

圖4 樁體水平位移計算值與實測值比較Fig.4 Comparison of calculated and measured value of horizontal displacement of pile

3 計算結(jié)果分析

為研究由土體堆載高度引起基坑支護結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力變化規(guī)律,通過有限元軟件建立6種不同的數(shù)值模型,左側(cè)土體始終處于無堆載狀態(tài),而右側(cè)土體堆載高度分別為0,0.5,1.0,1.5,2.0 m和3.0 m。

3.1 支撐水平位移分析

如圖5a所示,基坑處于工況2階段,當基坑兩側(cè)無堆載時(堆載高度0 m),第1道支撐向坑內(nèi)產(chǎn)生位移且兩側(cè)水平位移值相同;當右側(cè)堆載高度增加到3.0 m時,第1道支撐左側(cè)的位移逐漸減小并轉(zhuǎn)為向坑外位移,位移值從0.7 mm減小至-1.6 mm,變化量為328.6%,第1道支撐右側(cè)的位移向坑內(nèi)運動的趨勢更為顯著且增加速率較快,位移值由0.7 mm增加至4.9 mm,增加了600.0%。

圖5 支撐的水平位移變化Fig.5 Horizontal displacement of support

如圖5b所示,當基坑開挖深度增加到6.35 m時(工況3階段),當基坑右側(cè)堆載高度增加時,第1道支撐左右兩側(cè)位移變化規(guī)律和第2道支撐相同,但第2道支撐的右側(cè)位移大于第1道支撐的右側(cè)位移。當基坑右側(cè)堆載高度達到3.0 m時,第1道支撐左右兩側(cè)位移變化量分別為-484.3%和757.1%(位移變化量達到7倍以上);第2道支撐左右兩側(cè)位移變化量分別-72.0%和201.8%。

3.2 支撐軸力分析

如圖6所示,無論是工況2還是工況3,支撐軸力都會隨著堆載高度的增加而增加,這是由于堆載高度的增大,樁后主動土壓力也會隨之增加,支撐需要承受更多的軸力以抵抗主動土壓力。當基坑處于工況3階段時,同步架設(shè)了支護結(jié)構(gòu)的第2道支撐,第1,2道支撐的軸力均隨堆載高度的增加而增加,但第1道支撐軸力隨基坑開挖深度的增加而減小,這是由于第2道支撐的施工架設(shè),第1道支撐的軸力會重新分布并傳遞給第2道支撐,所以第1道支撐軸力增加速率變緩,而第2道支撐軸力的增加速率較快。因此近鄰基坑存在堆載時,應當及時監(jiān)測基坑支撐軸力的變化,防止支撐失效。

圖6 支撐的軸力變化Fig.6 Axial force variation of support

3.3 樁體深層水平位移

從數(shù)值模型計算結(jié)果中,提取基坑左右兩側(cè)樁體在不同堆載高度下的計算數(shù)據(jù),繪制樁體水平位移曲線如圖7所示。由圖7可知,基坑兩側(cè)支護樁的水平位移隨著堆載高度的增加而增加,特別是樁頂位移變化較為明顯,并且支護樁最大水平位移值始終處于基坑坑底-6.4 m附近。①基坑兩側(cè)無堆載時,兩側(cè)樁體位移變化趨勢基本一致,呈對稱分布;②當基坑右側(cè)的堆載逐漸增加時,基坑右側(cè)的支護樁需要承受更大的主動土壓力,導致支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向左(坑內(nèi))的位移,基坑右側(cè)支護樁內(nèi)力和位移通過支撐傳遞給左側(cè)的支護樁,因此左側(cè)支護樁也會產(chǎn)生向左(坑外)的位移;③堆載高度越高時,左側(cè)支護樁向坑外位移的趨勢越明顯。

圖7 樁體深層水平位移變化Fig.7 Variation of horizontal displacement of pile

4 結(jié)語

以杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊非平衡堆載基坑為背景,建立相關(guān)有限元模型,分析了由非平衡堆載引起的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化,主要得到以下結(jié)論。

1)本文通過有限元軟件建立非平衡堆載下基坑開挖的數(shù)值模型,現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)充分驗證數(shù)值模型的準確性,本模型所選取的參數(shù)可為相似工程提供借鑒。

2)基坑右側(cè)存在非平衡堆載時,支撐的變形和受力會明顯不同于平衡堆載時的情況,當非平衡堆載高度達到3.0 m時,支撐向坑內(nèi)位移的增量達到7倍以上,并且第2道支撐承受的軸力顯著增大。

3)當基坑處于非平衡堆載作用下,左右兩側(cè)支護樁的水平位移趨勢相反,尤其要注意由堆載大小引起的右側(cè)支護樁發(fā)生破壞的風險。

4)基坑監(jiān)測單位應及時監(jiān)測支撐的內(nèi)力和位移,同時也要監(jiān)測支護樁的水平位移,防止基坑支護結(jié)構(gòu)因位移及內(nèi)力的快速增長而失效。