深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)及開挖數(shù)值模擬分析

摘 要：為減少深基坑一次性開挖對(duì)附近地鐵隧道的影響，本文對(duì)幾種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和選擇，并提出了樁基支護(hù)系統(tǒng)，通過有限元軟件，研究了對(duì)稱開挖工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征和支護(hù)效果。結(jié)果表明，采用“T”形樁支護(hù)體系對(duì)基坑存在中心效應(yīng)，即遠(yuǎn)離“T”形結(jié)構(gòu)中心的支護(hù)樁，最大樁彎矩和位移逐漸增加。在對(duì)稱開挖情況下，將“T”形結(jié)構(gòu)簡化為三角形結(jié)構(gòu)，可將此類結(jié)構(gòu)的受力形式降為懸臂雙排樁結(jié)構(gòu)，滿足基坑開挖的要求。因此應(yīng)用“T”形樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可為地鐵線路附近的基坑工程提供新的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：深基坑；支護(hù)方案；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U 45" " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基坑工程有利于開發(fā)利用地下空間，在各類工程的建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[1]。在基坑工程中，復(fù)雜的現(xiàn)場條件是基坑設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)[2-3]，若基坑的支護(hù)方式不當(dāng)，則容易導(dǎo)致地表傾斜、地面沉降，甚至存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)[4]，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場要求，并考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力[5]、場地地層物理力學(xué)性質(zhì)等方面因素[6]，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型。當(dāng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)承受建筑物的垂直壓力時(shí)，應(yīng)考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗壓和抗拉力，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)對(duì)基坑有著重大影響[7]。

某地鐵沿線附近基坑工程開挖面積較大且基坑工程用地緊張，因此為不影響地鐵隧道正常運(yùn)行且保障周圍建筑物安全，須進(jìn)行直立開挖。針對(duì)本工程的實(shí)際情況，本文提出了一種新型的內(nèi)支排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，即“T”形復(fù)合樁支護(hù)體系。本文主要介紹了其設(shè)計(jì)理念，并運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法[8-9]模擬計(jì)算了這種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果，得到了其變形規(guī)律。該設(shè)計(jì)方案能有效解決基坑無條件支護(hù)梁問題，穩(wěn)定性好?？蔀轭愃乒こ烫峁┮环N新的設(shè)計(jì)方法。

1 工程介紹

項(xiàng)目地面積約為41760m2，總建筑面積約為255863m2，基坑開挖深度約14.2～19.4m，基坑周長約為1192.2m，基坑開挖面積約為30192.18m2，建筑物離地高度約為99.8m?；佑玫丶t線周圍的地下管道密集分布，包括供水、污水、雨水、燃?xì)?、電力、電信等管道，但埋深相?duì)較低，大部分在工程紅線范圍外。

1.1 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目場地地勢平坦，在鉆探后，將場地內(nèi)各巖土層自上而下劃分為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、第四系全新統(tǒng)海積層、第四系上更新統(tǒng)沖積層和涌出層、第四系殘積層。各層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見表1。

1.2 支護(hù)方案選擇和設(shè)計(jì)

基坑位于地鐵隧道兩側(cè)，對(duì)周圍環(huán)境因素非常敏感，因此，本工程除采用斜撐“T”形布置外，還采用了樁支撐。在新的支護(hù)系統(tǒng)中，排樁的參數(shù)（例如樁間距、樁徑等）可以根據(jù)常用的方法進(jìn)行計(jì)算。支護(hù)樁采用直徑1.5m的現(xiàn)澆樁，樁長約為3.0m，樁距為1.8m，斜撐間距為8m，尺寸為1m×1m，均采用C30混凝土施工。

2 有限元分析

2.1 數(shù)值分析建模

利用有限元軟件研究場地東南側(cè)“T”形樁支護(hù)系統(tǒng)，該模型的長×寬×高為128m×107m×56m。使用修正莫爾-庫侖模型來計(jì)算模型，利用該計(jì)算模型分別對(duì)周圍區(qū)域和底部區(qū)域施加了位移約束。修正的本構(gòu)模型中的剪切屈服面和拉伸屈服面是獨(dú)立的，其形狀為六邊形，需要采用特殊的數(shù)值計(jì)算方法來計(jì)算頂點(diǎn)的塑性應(yīng)變方向。為了消除分析過程中的不穩(wěn)定因素，計(jì)算模型采用圓角處理離平面，使計(jì)算得以收斂。將“T”形樁結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)的基坑分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)沿x方向的水平樁方向，一個(gè)沿y方向的垂直樁方向?？紤]模型左右兩側(cè)的對(duì)稱性，為方便觀察，以水平樁和垂直樁交匯處的“T”形中點(diǎn)為起點(diǎn)，在每6個(gè)樁中選取一個(gè)作為監(jiān)控對(duì)象，即對(duì)樁1、樁8、樁15、樁22和樁29進(jìn)行樁身豎向位移和朝向即坑內(nèi)測的水平位移研究，模型示意圖如圖1所示，7種不同顏色代表不同性質(zhì)土體。

2.2 對(duì)稱開挖計(jì)算結(jié)果

當(dāng)開挖至第一個(gè)支架時(shí)位移和彎矩較小，對(duì)稱開挖的計(jì)算結(jié)果有助于研究開挖至第二個(gè)內(nèi)部支架和基坑底部時(shí)，排樁在x方向上的位移和彎矩。根據(jù)圖2的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)挖掘至第二中間支架時(shí)，兩種工況的彎矩值都呈現(xiàn)向上“+”和向下“-”的趨勢。最大負(fù)彎矩位于土體中，最大正彎矩位于開挖土面與樁的交接處。懸臂端部受到主動(dòng)土壓力的作用，產(chǎn)生正彎矩，而預(yù)埋段則受到被動(dòng)土壓力的作用，產(chǎn)生負(fù)彎矩的拉力。從“T”形結(jié)構(gòu)中心向模型邊緣的第1、8、15、22、29樁的最大正彎矩分別為2844kN·m、2905kN·m、3172kN·m、3259kN·m、3435kN·m，最大負(fù)彎矩為-2433kN·m、

-3134kN·m、-3183kN·m、-3425kN·m和-3854kN·m。可以看出，距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，彎矩越大。每個(gè)樁體的位移從樁底到樁頂逐漸增加，其中5個(gè)樁的最大位移從“T”形結(jié)構(gòu)中心到模型邊緣逐漸增加。在對(duì)稱開挖條件下，支護(hù)樁頂最大水平位移為14.8mm?？梢钥闯觯癟”形支護(hù)結(jié)構(gòu)中心區(qū)域樁的變形效應(yīng)較低，且越向外變形越大。這主要是因?yàn)樨Q向樁對(duì)中部的變形起到了抑制作用，遠(yuǎn)離“T”形結(jié)構(gòu)中心的樁的彎矩逐漸增加，通過內(nèi)部支撐軸力可以將遠(yuǎn)離中心的水平樁變形傳遞到垂直樁。

圖3為基坑繼續(xù)開挖至底部的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)開挖至第二支座時(shí)，豎、水平樁的最大正負(fù)彎矩均有所增加，樁間彎矩趨勢保持不變。由于樁上主要受水平力作用，因此當(dāng)開挖較深時(shí)，滑動(dòng)面向下移動(dòng)，彎矩圖的反彎點(diǎn)也向下移動(dòng)。水平樁頂最大水平位移為28.3mm，不超過設(shè)計(jì)要求的30mm，最大水平位移25.8mm，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3 支撐結(jié)構(gòu)模型簡化

3.1 建立簡化模型

“T”形支護(hù)結(jié)構(gòu)具有類似平面空間中的等腰三角形的獨(dú)特形狀。在對(duì)稱開挖的情況下，主動(dòng)土壓力通過斜撐傳遞到中間的豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)，保持了基坑的整體穩(wěn)定性。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可以將整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)分解為多個(gè)等腰三角形。為了更詳細(xì)地研究“T”形支撐結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件建立了長、寬、高分別為31m、4m、50m的簡化模型，該模型對(duì)周圍和底部區(qū)域施加位移約束，并使用修正的莫爾-庫侖本構(gòu)模型來計(jì)算土體質(zhì)量。

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖4所示，兩水平樁之間的彎矩差異很小，表明腰梁和冠梁將水平樁連接為整體協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，但兩水平樁的最大彎矩值樁比垂直樁小?？梢约僭O(shè)各水平樁和豎樁之間的連接為等效平面剛架結(jié)構(gòu)。如果按照正常的雙排樁設(shè)計(jì)，那么前后樁應(yīng)該有兩個(gè)支撐樁，但這里是斜支撐的形式，通過內(nèi)部支撐和冠梁可以將兩根水平樁承受的主動(dòng)土壓力傳遞到垂直樁，前排和豎樁被兩根樁積壓，受力更大。因此，彎矩應(yīng)大于單根水平樁的彎矩，開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑內(nèi)部移動(dòng)的趨勢。因此，水平排樁和豎排樁均采用內(nèi)部支撐和冠梁連接，位移差異不明顯。

3.3 簡化支撐結(jié)構(gòu)的對(duì)比

“T”形樁支護(hù)結(jié)構(gòu)均為懸臂樁，其中立樁類似于柱，通過內(nèi)部支撐連接水平樁和立樁。在簡化為等腰三角形后，作用在水平樁上的主動(dòng)土壓力呈三角形分布的荷載可以簡化為內(nèi)部支撐上的軸力F，斜支撐將F傳遞給垂直樁。主動(dòng)土壓力通過斜支座的F分解為水平分力F2和豎直分力F1。在左右土體對(duì)稱開挖的情況下，左右分力相互抵消，豎樁僅承受一個(gè)方向的豎向分力F1，使等腰三角形結(jié)構(gòu)退化為懸臂雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。由此可見，“T”形結(jié)構(gòu)的應(yīng)力形式可以簡化為雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)比可以看出，“T”形樁支撐結(jié)構(gòu)從三維角度可以達(dá)到雙排樁的效果，但通過傾斜支撐減少了前排支撐樁的數(shù)量，從而節(jié)省了空間，保證了超深基坑各開挖區(qū)域的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑變形進(jìn)行研究。采用“T”形樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，分析了對(duì)稱開挖下的有限元計(jì)算結(jié)果。建立了簡化模型，并與懸臂雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的退化進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，“T”形支撐結(jié)構(gòu)可以簡化為三角形支撐結(jié)構(gòu)，其受力形式與普通雙排樁相似，可以減少樁的布置空間。與整個(gè)基坑內(nèi)支撐梁的形式相比，滿足基坑開挖的要求。

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