異形深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與變形特性分析

黃明輝，宋 聰

（周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 周口 466000）

0 引 言

在市區(qū)地下空間規(guī)劃與建設(shè)過程中，基坑平面形式受周邊既有構(gòu)筑物、市政道路等諸多因素影響[1].因主體建筑功能與規(guī)劃需要，基坑工程常常采納邊線不規(guī)則的異形深基坑布置形式[2].與形狀規(guī)則的傳統(tǒng)矩形基坑對(duì)比而言，異形基坑在支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力形式及支護(hù)機(jī)制方面呈現(xiàn)出繁雜態(tài)勢(shì)，對(duì)異形基坑作業(yè)工藝及安全控制之間展現(xiàn)出較高需求[3-4].

鑒于異形基坑的工程難度及應(yīng)用的普遍性，許多學(xué)者對(duì)此開展過研究.郭書蘭等[5]以長(zhǎng)江下游軟弱地層為背景，對(duì)超大異形基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)展開優(yōu)化分析，探討了復(fù)雜地質(zhì)狀況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況及穩(wěn)定性影響.宮鶴等[6]圍繞某緊臨高邊坡的異形深基坑項(xiàng)目，提出樁錨配合混凝土內(nèi)支撐的聯(lián)合支護(hù)形式，通過后期監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證此種支護(hù)形式在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性較強(qiáng)，具備良好的支護(hù)作用.王巍浩[7]利用有限元軟件建立軟土地區(qū)異形基坑模型，對(duì)不同截面形式下的基坑變形進(jìn)行探討，總結(jié)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移規(guī)律.

研究表明，異形基坑的支護(hù)變形并非簡(jiǎn)單的二維平面應(yīng)變問題，其具有明顯的空間效應(yīng)，而國(guó)內(nèi)學(xué)者在此方面的研究尚有不足，需要展開更進(jìn)一步的探析.

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

為系統(tǒng)性地分析異形深基坑下的支護(hù)體系選型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，選取某典型異形基坑工程為例展開研究.該項(xiàng)目基坑工程的圍護(hù)對(duì)象為負(fù)二層地下空間，依據(jù)主體建筑空間需求，基坑支護(hù)體量較大，地下空間占地面積約為3.7 萬m2，地下室深度為14.5～17.7 m.經(jīng)基坑場(chǎng)地周邊的現(xiàn)場(chǎng)勘察，場(chǎng)地周圍環(huán)境復(fù)雜且對(duì)基坑支護(hù)較為不利.其中基坑北側(cè)緊鄰南昌軌道交通1 號(hào)線某地鐵車站，剩余西、南與東側(cè)均與市政道路相距較近，基坑場(chǎng)地內(nèi)以中心島形式遺留有修繕古建筑.

1.2 地質(zhì)條件

經(jīng)建筑場(chǎng)地實(shí)地勘察，并依據(jù)土體成因與工程性質(zhì)，基坑區(qū)域內(nèi)土體自地表向下主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥巖及微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等8 個(gè)地層單元構(gòu)成，工程場(chǎng)地中各土層對(duì)應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 支護(hù)體系設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目基坑工程為典型的異形深基坑，基坑邊線呈復(fù)雜多邊形，易出現(xiàn)較多支護(hù)薄弱區(qū)域.通過對(duì)場(chǎng)地內(nèi)土層性質(zhì)分析與工程特點(diǎn)研究，基坑整體采納了樁錨、樁- 砼撐兩種支護(hù)形式，利用分段設(shè)計(jì)與支護(hù)的形式以保障開挖面?zhèn)缺诜€(wěn)定性，各支護(hù)段平面分布如圖1 所示.

圖1 基坑平面布置圖

2 有限元數(shù)值模型建立

2.1 尺寸邊界與本構(gòu)模型選擇

為驗(yàn)證樁錨- 砼撐體系支護(hù)效果，采用有限元分析軟件Midas/gts nx 建立三維仿真模型.根據(jù)以往數(shù)值分析經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖的主要影響寬度約為開挖深度的3～4 倍，主要影響深度約為開挖深度的2～3 倍[8-9]，確定模型尺寸362 m（長(zhǎng)度）×356 m（寬度）×45 m（高度）范圍大小.為優(yōu)化有限元網(wǎng)格質(zhì)量，根據(jù)樁墻抗彎剛度相等原則[10]，將基坑圍護(hù)樁等效為一定厚度連續(xù)墻.根據(jù)土體力學(xué)性質(zhì)和受力變形特點(diǎn)，土體采用非線性的彈塑性材料進(jìn)行仿真模擬，并由土體力學(xué)特性選取Hardening-Soil[11-12]彈塑性土體本構(gòu)模型進(jìn)行分析；基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，連續(xù)墻選用板單元彈性模型模擬，內(nèi)支撐選用梁?jiǎn)卧€彈性模型模擬，預(yù)應(yīng)力錨索選用植入式桁架單元模擬.基坑整體模型與支護(hù)結(jié)構(gòu)體系如下圖2-圖3 所示.

圖2 基坑開挖模型

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

2.2 有限元分析步驟

為直觀地分析開挖支護(hù)過程下的基坑變形狀態(tài)，依據(jù)基坑實(shí)際施工過程劃分有限元施工步驟，并對(duì)各工序下的基坑施工進(jìn)行分步模擬，分析混凝土內(nèi)支撐、支護(hù)樁、預(yù)應(yīng)力錨索等基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展，以及基坑周邊土層沉降發(fā)展趨勢(shì).通過對(duì)工程的劃分，不同施工工序下的有限元分析步驟如表2 所示.

表2 有限元分析步驟

3 有限元結(jié)果分析

3.1 基坑水平向位移分析

鉆孔灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨索形成的樁錨支護(hù)體系、鉆孔灌注樁與混凝土內(nèi)支撐形成的樁撐支護(hù)體系構(gòu)成了本項(xiàng)目基坑支護(hù)的重要措施，在基坑施工過程中，鉆孔灌注樁與錨撐水平支護(hù)構(gòu)件承擔(dān)了施工所產(chǎn)生的水土壓力，并以內(nèi)力增長(zhǎng)和構(gòu)件變形的形式抵抗外部壓力，保證了基坑的圍護(hù)安全.通過工程經(jīng)驗(yàn)與有限元數(shù)值分析數(shù)據(jù)，基坑支護(hù)形式與支護(hù)位置的差異會(huì)在很大程度上影響基坑的穩(wěn)定特性.當(dāng)基坑開挖支護(hù)至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，支護(hù)體系的變形狀況如圖4 所示.

圖4 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形云圖

由支護(hù)體系的總位移云圖并結(jié)合基坑具體支護(hù)措施可知，因?yàn)榛颖眰?cè)僅在角部有內(nèi)支撐，而跨中位置水平支護(hù)力度不足，導(dǎo)致基坑在卸荷過程中該部分支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，樁體變形北側(cè)跨中區(qū)域達(dá)到峰值，灌注樁最大總位移達(dá)到11.12 mm.

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，不同位置處的灌注樁水平位移如圖5 所示.根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，在不同平面位置處的鉆孔灌注樁變形差異明顯.基坑北側(cè)跨中區(qū)域樁體受力變形較大，在樁后水土壓力作用下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)朝向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一定位移，在樁頂位置處表現(xiàn)出最大位移.而樁錨與樁撐位置處支護(hù)樁變形受預(yù)應(yīng)力錨索和混凝土內(nèi)支撐約束作用明顯，支護(hù)樁頂部變形受限，樁身腹部受坑外水土壓力較大朝向坑內(nèi)變形，表現(xiàn)為典型的弓形分布.

圖5 各工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

隨著基坑內(nèi)土體不斷移除，土體水平應(yīng)力逐步釋放，支護(hù)樁內(nèi)側(cè)所受土體抗力逐漸減小，支護(hù)樁變形不斷增大.由于最后一步工況土方開挖至基坑底部的工作量較大，且基坑隨最后一步開挖缺少水平方向約束，導(dǎo)致最后一步工況狀態(tài)下，支護(hù)體系變形速率顯著增大.基坑施工完畢后，支護(hù)結(jié)構(gòu)各處水平位移值均小于11 mm，表現(xiàn)良好的支護(hù)效果.

3.2 基坑沉降分析

為探析異形深基坑施工過程對(duì)地表沉降影響，運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法建立基坑土體開挖與支護(hù)的仿真模型，根據(jù)圖6 所示基坑施工至坑底后的土體總位移云圖可知.基坑周圍土體在基坑開挖過程中呈不均勻沉降，基坑北側(cè)尤其跨中區(qū)域處由于水平支護(hù)措施設(shè)置力度不強(qiáng)，其支護(hù)效果明顯弱于其余樁錨、樁撐支護(hù)段，導(dǎo)致坑外地表土體的協(xié)同沉降變形較大.而基坑底部土體由于短期內(nèi)不斷移除，土體豎向應(yīng)力釋放明顯，土體呈現(xiàn)隆起現(xiàn)象.

圖6 土體總位移云圖

為探明異形基坑沉降變形性質(zhì)，選取圖7 所示的不同位置進(jìn)行土體沉降分析.工程施工前期，由于土體開挖量相對(duì)較少且基坑內(nèi)水平構(gòu)件支護(hù)及時(shí)到位，因此基坑側(cè)壁變形程度較小，坑外地表沉降數(shù)值與沉降速率僅小幅度增長(zhǎng).對(duì)比云圖與分析數(shù)據(jù)可知，基坑北側(cè)地表沉降較大，最大沉降范圍位于距離基坑壁4 m～6 m 處，并沿坑邊距離的增大表現(xiàn)出先減小后歸于平緩的趨勢(shì)，其沉降峰值達(dá)4.06 mm.基坑?xùn)|側(cè)樁錨支護(hù)段主要表現(xiàn)為預(yù)應(yīng)力錨索受力變形，導(dǎo)致錨桿尾部上方土體沉降，最大沉降位置發(fā)生位移距離基坑側(cè)壁稍遠(yuǎn)，其最大值發(fā)生在距離基坑壁28 m～29 m 處.基坑開挖完成后，土體最大沉降值不足7 mm，滿足基坑沉降控制要求.

圖7 各工況下坑外地表沉降

3.3 錨索軸力變化分析

為探析基坑施工對(duì)錨索內(nèi)力影響規(guī)律，選取預(yù)應(yīng)力錨索和混凝土內(nèi)支撐在不同工況下的最大內(nèi)力作為重要參考依據(jù)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形性質(zhì)展開分析.根據(jù)圖8 所示預(yù)應(yīng)力錨索與混凝土內(nèi)支撐的最大軸力變化可知，隨著鉆孔灌注樁變形不斷增加，預(yù)應(yīng)力錨索和混凝土內(nèi)支撐分別受樁體變形產(chǎn)生的側(cè)向拉力、壓力作用，導(dǎo)致這兩種水平約束構(gòu)件軸力整體不斷增長(zhǎng).

圖8 最大軸力與工況關(guān)系

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知，在工程施工前期受灌注樁變形影響，預(yù)應(yīng)力錨索和內(nèi)支撐內(nèi)力隨土方卸荷逐步增長(zhǎng).工程后期由于樁身變形主要發(fā)生在腹部，表現(xiàn)為弓形變形分布，因此下層預(yù)應(yīng)力錨索與內(nèi)支撐承擔(dān)的外力大幅增加，變形增長(zhǎng)較大，上層錨索與內(nèi)支撐受力有所減小.導(dǎo)致上層錨索與第一層內(nèi)支撐軸力在工程施工后期有所下滑，不同位置處的水平構(gòu)件內(nèi)力發(fā)展表現(xiàn)為明顯的差異性變化.

4 結(jié) 語

選取某典型異形深基坑工程，對(duì)基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)形式進(jìn)行論述，并采用三維有限元分析方法，分別探討異形深基坑支護(hù)形式下的圍護(hù)構(gòu)件側(cè)移、地表土體沉降以及水平約束構(gòu)件的內(nèi)力變化形式，通過數(shù)據(jù)分析，得到結(jié)論如下：

（1）因異形深基坑受力形式復(fù)雜、支護(hù)設(shè)計(jì)與施工難度較大等原因，基坑工程在圍護(hù)體系設(shè)計(jì)中，單一圍護(hù)結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)安全需求，應(yīng)綜合考慮各分部區(qū)域受力特性與地層巖性，靈活合理地選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置形式.

（2）本項(xiàng)目基坑工程采用樁- 錨與樁- 砼撐兩種布置形式.經(jīng)有限元數(shù)據(jù)反饋，驗(yàn)證此種聯(lián)合支護(hù)形式具有明顯的支護(hù)效果，有力地保障了基坑工程性能需求.

（3）基坑開挖至設(shè)計(jì)深度后，因土體應(yīng)力釋放明顯，導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與基坑內(nèi)外側(cè)土體豎向變形明顯.施工在開挖至基坑底面后，應(yīng)適時(shí)減小坑底土體暴露時(shí)間，及時(shí)澆筑基礎(chǔ)底板，有助于支護(hù)側(cè)移與地層沉降的收斂.