自穩(wěn)定超前斜撐排樁支護的數(shù)值模擬分析

姚 實

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引言

斜撐支護體系作為一種常用的支護形式,具有靈活、可靠和環(huán)保的特點,在工程建設中有著很高的應用價值。國內(nèi)外眾多學者都進行了廣泛研究,Yoo Chungsik等[1]通過有限元模擬,提出了基坑的最終變形可通過懸臂開挖階段變形和支撐開挖階段進行疊加,并在預測地表沉降過程中提出兩階段法;O’Rourke等[2]討論了支撐剛度、預應力大小、樁墻入土深度等對基坑變形的影響;Addenbrooke等[3]研究了基坑支護結構的位移柔度曲線,提出了當支護結構柔度指數(shù)一致時,支護結構的最大沉降量與最大水平位移值也將保持一致。國內(nèi)學者易奇雄[4]結合實際工程案例,推導出斜撐水平及豎向承載力驗算公式;宮喜慶等[5]在天津市國際會展中心二期大面積基坑開挖施工中,使用盆式開挖加斜撐支護的施工工法,肯定了斜撐支護體系在減少成本和工期中的作用;孫明剛等[6]針對雙排樁加斜撐結合支護下深基礎連續(xù)開挖施工過程,基于 Madias三維有限元分析軟件,對其開挖過程中的水平位移及基坑中心隆起進行模擬計算,并與實測結果進行比較,計算結果表明,MADIAS計算模型能夠較好地模擬基坑開挖過程及其變形。

本研究在國內(nèi)外眾多學者研究的基礎上,對斜撐體系進行改進,提出超前斜撐排樁支護體系,如圖1所示[7],目前該支護體系已在紹興市越城區(qū)塔山竹木市場B,C塊安置房建設工程、天姥物業(yè)建設工程、新昌縣建設技術服務中心項目得以應用。該新型圍護結構采用排樁作為支護擋墻,引入獨立基礎作為超前斜撐體,通過鋼管斜撐將其連接在一起,形成自穩(wěn)定斜撐體系。

超前斜撐體系在開挖前已經(jīng)施作完成,采取超前支設的方式,是通過設置獨立基礎的方式來提供支撐反力,達到支撐支護擋墻的目的。但斜撐剛度有限,該支護形式一般適用于深度不大的大面積開挖。與斜撐加排樁支護體系比較,超前斜撐是通過引入的獨立基礎來提供支撐反力,而不是地下室底板來提供,所以能實現(xiàn)超前開挖。

本研究通過數(shù)值模擬分析討論了超前斜撐支護體系單因素改變斜撐間距、斜撐傾角、三角土預留坡度、排樁嵌固深度下基坑的變形及對支護結構的影響規(guī)律,為今后自穩(wěn)定超前斜撐體系的推廣應用提供參考。

1 數(shù)值模擬模型參數(shù)及模擬過程

1.1 土層模型

以紹興市塔山竹木市場B,C塊安置房工程勘查數(shù)據(jù)為基礎,該場地屬平原地貌,總體地形地勢較為平坦,地基土具有成層分布的特點,主要成分包括粉質黏土、粉質黏土夾粉土、淤泥質黏土、礫砂、圓礫、強風化凝灰?guī)r、中等風化構造角礫巖等,項目場地土層分布從上到下依次為:①1雜填土,層厚0.5 m～2.3 m;②2-1粉質黏土,層厚0 m～2.3 m;③2-2粉質黏土,層厚0.00 m～3.00 m;④3淤泥質黏土,層厚0.8 m～5.9 m;⑤4-1粉質黏土,層厚0.00 m～5.40 m;⑥4-2a粉質黏土,層厚0.00 m～11.50 m;⑦5黏土,層厚0.00 m～14.20 m;⑧6粉質黏土,層厚1.50 m～9.10 m。

本次模擬取基坑西側距用地紅線較近區(qū)域進行模擬,為了方便模型建立和計算,假設該區(qū)域土體各項同性,土層水平厚度相同,模擬所選用的土層分布及土體參數(shù)詳見表1。

表1 土層分布表 m

1.2 幾何模型

基坑開挖深度為5.8 m,排樁采用φ700@900 mm,C30混凝土鉆孔灌注樁,長度12 m;超前斜撐體采用楔形獨立基礎,斜撐間距9 m;三角預留土坡度取35°,斜撐角度取17.5°?？油獾叵滤?2.5 m,坑內(nèi)地下水降至坑底-0.5 m。有限元計算模型如圖2所示,楔形獨立基礎采用線彈性材料,灌注樁和支撐體模擬為彈性桿件,材料參數(shù)見表2,為了使模擬更加貼合實際,土體采用HSS破壞準則[8-9],在現(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)基礎上結合工程經(jīng)驗,對地基土層計算參數(shù)取值見表3。

表2 彈性桿件材料參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬過程

有限元模擬過程如下:

1)K0生成初始應力場。2)開挖至-2.5 m,冠梁及灌注樁施工。3)模擬降水+盆式開挖至-5.8 m。4)激活斜撐并施加預應力。5)開挖預留土。

2 不同因素改變對超前斜撐排樁支護的影響分析

依托上述基本模型的基礎上,采用單因素分析法,分析僅改變斜撐間距、斜撐角度、預留土坡度及排樁嵌固深度時,基坑水平位移、地表沉降及斜撐軸力變化,總結規(guī)律,為今后工程提供有意義的指導。

2.1 斜撐間距改變對基坑開挖變形的影響

在超前斜撐排樁支護設計中,斜撐的間距是設計的一個關鍵,斜撐間距不同,斜撐的軸力以及基坑的變形也會有所不同。單因素僅改變斜撐間距,探討其對基坑變形及斜撐受力的影響,將斜撐間距分別取7 m,8 m,9 m,10 m,11 m進行模擬分析,模擬結果統(tǒng)計表見表4,地表沉降曲線圖見圖3。

表4 不同斜撐間距時軸力和基坑變形統(tǒng)計表

從上述統(tǒng)計表可以看出:

1)隨著斜撐的間距增大,斜撐所受的軸力逐漸增大,且增大的幅度非常明顯,這是由于排樁承擔的主動土壓力不變,而斜撐間距改變導致單位面積內(nèi)斜撐分擔的水平力相應增加所致。所以,在施工中不可盲目地為了節(jié)約材料而增大斜撐間距,容易造成材料的破壞,若要提高斜撐間距時,應適當考慮增大斜撐截面面積和提高材料剛度。

2)斜撐間距越小,能更好地控制樁頂?shù)淖冃魏涂刂频乇淼淖畲蟪两?。所?若基坑周邊存在重要建筑,要嚴格控制地表沉降,可以采取減小斜撐間距的方式,能起到很好地控制地表變形的作用。

3)排樁的最大水平位移隨著斜撐間距的增大而增大。當斜撐間距在9 m以下時,縮小斜撐間距能快速降低排樁的最大水平位移;當斜撐間距在9 m以上時,增大斜撐間距只會大幅提高斜撐所受軸力,并不能很好地控制排樁的最大水平位移。

2.2 斜撐角度對基坑開挖變形的影響

基坑工程手冊中規(guī)定,斜撐的坡度不宜大于1/2,即斜撐的角度不宜大于26.6°[10]。本次模擬采用單因素分析法,對斜撐角度為12.5°,15°,17.5°,20°,22.5°時進行數(shù)值模擬,取預留土開挖完成,支護結構整體狀態(tài)已經(jīng)平衡時的模擬結果進行數(shù)值分析。

由圖4可知,總體上斜撐軸力隨著斜撐角度增大而增大,且隨著斜撐角度的不斷增大,斜撐軸力增長趨勢呈現(xiàn)由緩向陡發(fā)展。從理論力學角度分析,取懸臂排樁為研究對象,排樁懸臂端承受主動土壓的水平分力,在平衡狀態(tài)時,由斜撐的提供水平分力與兩側土壓之差進行抵消。所以,隨著斜撐角度的增大,要保證斜撐提供水平分力不變的情況下,則所需斜撐軸力應當增大,符合圖4總體上斜撐軸力變化曲線上升的趨勢。

圖5給出了不同斜撐角度下,排樁不同位置的水平位移值。從圖5中可以得出:

1)排樁的最大水平位移發(fā)生在樁頂,隨著樁深的加深,排樁的水平位移逐漸減小,樁底的水平位移基本上沒變化。2)隨著斜撐角度增大,基坑整體水平位移隨著增大,說明基坑支護作用在逐漸減弱。

圖6給出了斜撐不同角度時的地表沉降值,可以得出:

1)針對斜撐角度不同的5種工況,地表沉降量的變化趨勢是一致的,都呈現(xiàn)“V”字形走勢,最大沉降量都出現(xiàn)在距離基坑邊2.5 m左右,并不隨著斜撐角度的改變而改變。

2)基坑最大沉降值隨著斜撐角度的增大也逐漸增大,角度在12.5°～20°時沉降變化緩慢,斜撐角度在20°以上后,沉降變化就較為迅速了。

2.3 預留土坡度對基坑開挖變形的影響

采用單因素法分析預留土坡度對基坑開挖變形及斜撐受力的影響,其余變量與基礎模型一致,斜撐角度取17.5°。預留土坡度分別為25°,30°,35°,40°進行數(shù)值模擬,模擬結果如圖7所示。

由圖7可以得出如下結論:1)排樁最大水平位移與預留土坡度呈現(xiàn)正相關關系,坡度越大,樁頂水平位移越大。2)預留土坡度越小,樁頂?shù)乃轿灰圃龇^小,隨著角度的進一步增大,水平位移增幅明顯。3)預留土坡度對排樁的影響主要體現(xiàn)在樁頂,對樁底水平位移影響不大。

由圖8可知:1)不同預留土坡度工況下,地表的沉降曲線都是呈現(xiàn)“V”形,沉降的極值點都出現(xiàn)在距離基坑邊2.5 m左右。2)地表沉降的最大值與預留坡度有關,預留坡度越大,地表沉降越大。預留土坡度越小,地表沉降值越小,但當預留土坡度在30°以下時,地表沉降曲線較為接近,近似重合。

由圖9可知,預留土坡度在25°～30°時,隨著預留土坡道增大,斜撐軸力變化下降幅度較小;當預留土坡度在30°以上時,隨著預留土坡度角度的增大,斜撐軸力變化下降幅度迅速。

2.4 排樁嵌固深度對基坑開挖變形的影響

改變支撐嵌固深度,研究嵌固深度為10 m,12 m,14 m時基坑變形的影響。經(jīng)過Plaxis3D對模型的運行分析,得到不同嵌固深度下排樁的水平位移曲線。

由圖10可清晰的看出:1)3種不同嵌固深度對應的排樁深度方向的位移曲線走勢都是相同的,總體上呈現(xiàn)出遞減的趨勢。2)嵌固深度從10 m增加到12 m時,樁頂最大位移減少了6.84 mm,而嵌固深度從12 m增加到14 m時,樁頂最大位移僅減少了0.76 mm,可見排樁嵌固深度在12 m以上時,對排樁樁頂?shù)淖畲笪灰屏坎⒂忻黠@的抑制作用。3)排樁的嵌固深度為10 m,12 m,14 m時,樁底的水平位移分別為7.96 mm,4.29 mm,2.39 mm,說明排樁嵌固深度對樁底位移控制作用明顯。

由圖11看出:1)排樁不同嵌固深度對應的地表沉降走勢基本上呈“V”字形走勢,最大沉降量都發(fā)生在距離基坑邊2.5 m左右。2)在0 m～2.5 m之間,3條曲線的趨勢都是隨著距基坑邊界距離的增大,地表沉降以正比的趨勢不斷增加,但在2.5 m以后,隨著距離基坑邊界距離的增大不斷減小。3)當嵌固深度在10 m～12 m之間時,對地表最大沉降能起到很好的約束作用,但嵌固深度在12 m以后,隨著嵌固深度的增大,對地表最大沉降所發(fā)揮的作用就并不大了。

3 結語

通過Plaxis3D建立自穩(wěn)定超前斜撐排樁支護結構模型,分別分析了斜撐間距、斜撐角度、預留土坡度、排樁嵌固深度的改變對基坑變形及斜撐軸力的影響情況,最后得出了以下結論:

1)適當減小斜撐間的距離可以有效的抑制基坑的變形和減少斜撐的軸力。當斜撐間距在9 m以下時,縮小斜撐間距能快速降低排樁的最大水平位移;當斜撐間距在9 m以上時,增大斜撐間距只會大幅提高斜撐所受軸力,并不能很好地控制排樁的最大水平位移。所以,在基坑維護設計中,若要提高斜撐間距時,還應適當考慮增大斜撐截面面積防止材料強度破壞。2)斜撐角度在17.5°以上時,斜撐受到的軸力呈現(xiàn)突變式增加,從安全和成本角度考慮,選擇斜撐角度為17.5°左右是最佳的,不可盲目節(jié)省成本,過分增加斜撐角度。3)預留土坡度越小,地表沉降值越小,但當預留土坡度在30°以下時,地表沉降曲線已經(jīng)近似重合,所以預留土坡度可以考慮設置在30°左右。4)嵌固深度在12 m時對控制基坑變形較佳。模擬數(shù)據(jù)中,嵌固深度從10 m增加到12 m時,不僅大幅度降低了排樁的水平位移,還大幅度降低了地表沉降,但當嵌固深度在12 m以上時,嵌固深度對抑制基坑變形和地表沉降的作用便不大了。所以基坑設計中,盲目地增大嵌固深度,并不能材盡其用。