康振興

1 概述

隨著我國地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，如何安全合理對基坑開挖進(jìn)行有效支護(hù)是開發(fā)利用地下空間的重要保證。雙排樁門架式支護(hù)結(jié)構(gòu)(簡稱雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu))是基坑工程中常用的一種支護(hù)形式，它由前、后兩排平行的鋼筋混凝土樁以及壓頂梁、前后排樁樁頂之間的連梁(或板)形成類似門架的空間結(jié)構(gòu)。與單排樁懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有更大的側(cè)向剛度，可以明顯減小基坑的側(cè)向變形，因而支護(hù)的深度一般也更大，而且施工方便、投資少，目前在一些實(shí)際工程中已經(jīng)取得了較好的效果［1，2］。但是對雙排樁工作機(jī)制方面的研究，特別是如何采用數(shù)值模擬技術(shù)更好的反映實(shí)際開挖行為還存在不足，值得深入研究。

選擇一個(gè)合適的能反映土體應(yīng)力—應(yīng)變—強(qiáng)度特性的本構(gòu)模型，對于預(yù)測基坑開挖引起的地層變形至關(guān)重要［3］。土體變形性質(zhì)的一個(gè)突出特征是其模量與應(yīng)力水平有關(guān)。由于在基坑開挖過程中土體的正應(yīng)力水平是減小的，卸載模量應(yīng)大于加載模量［4］。建議基坑分析中宜采用考慮土體的塑性和應(yīng)變硬化特征、能區(qū)分加荷和卸荷且剛度依賴于應(yīng)力水平的硬化類彈塑性模型。

本文采用有限差分軟件FALC3D對雙排樁支護(hù)形式下基坑開挖過程進(jìn)行了內(nèi)力和變形計(jì)算，對連梁與排樁的連接形式進(jìn)行了研究，同時(shí)對比了分別代表硬化塑性和彈—理想塑性的修正劍橋模型和摩爾—庫侖模型在基坑數(shù)值計(jì)算中的適用性。

2 工程概況和計(jì)算模型

2.1 工程概況

某地鐵車站深基坑地下一層為開挖范圍160 m×250 m、最大開挖深度約為7.2 m的地下停車場?；娱_挖區(qū)域原屬于海灣沉積地貌的濱海沼澤地，地形開闊，現(xiàn)為垃圾填埋場。根據(jù)勘察報(bào)告，該區(qū)域廣泛分布著第四系人工棄填土，以建筑垃圾、生活垃圾等雜填土為主;以下為海相沉積的淤泥質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土以及全風(fēng)化砂巖;下伏基巖為火山多次噴發(fā)—沖積相地層白堊系下統(tǒng)青山組中亞強(qiáng)、全風(fēng)化流紋巖和強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。場地地下水埋深一般為0.60 m～5.40 m，地下水賦存方式主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩類。人工棄填土和海相沉積的含砂類土層為主要含水層，其他土層與風(fēng)化巖層含水貧乏，透水性差。

根據(jù)設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排鉆孔灌注樁+樁后高壓旋噴樁止水帷幕，無內(nèi)支撐懸臂樁方案。前、后排樁樁長18.3 m、樁徑1 m、樁間距1.5 m，排距為3 m。在基坑坑部被動(dòng)土體區(qū)域采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固，攪拌樁采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.2 MPa的水泥土。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算過程中，忽略圍護(hù)樁樁后止水帷幕對土體的加固作用以及地下水滲流對基坑穩(wěn)定造成的影響，且斷面采用一次性開挖至坑底。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。為消除模型邊界對計(jì)算結(jié)果的影響，模型豎向深度為2倍圍護(hù)樁樁長，坑外模型寬度取4倍～5倍左右的基坑開挖深度。同時(shí)為提高運(yùn)行速度，根據(jù)對稱性，僅選取1/2區(qū)域進(jìn)行分析。整個(gè)計(jì)算模型的區(qū)域?yàn)?≤x≤40 m，0≤y≤3.2 m，－40 m≤z≤0。模型底面邊界固定，左右邊界約束橫向水平位移，地表為自由邊界。

模型中圍護(hù)鉆孔灌注樁采用Pile單元模擬，連梁和冠梁采用Beam單元模擬，連/冠梁與樁頂?shù)倪B接分別采用剛接形式。各圍護(hù)結(jié)構(gòu)服從線彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，混凝土類結(jié)構(gòu)彈性模量均取為30 GPa，泊松比取為0.2。

計(jì)算中，假設(shè)基坑開挖前土體為正常固結(jié)土，各土層的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系近似采用修正劍橋模型(MCC)。在確定劍橋模型屈服面和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系時(shí)只需3個(gè)試驗(yàn)常數(shù)：各向等壓固結(jié)系數(shù)λ、回彈系數(shù)κ和破壞常數(shù)M，其中λ和κ可以通過各向等壓試驗(yàn)確定，也可以采用式(1)中前兩個(gè)式子確定。M可以采用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)確定，也可由式(1)中第3式確定［5］。

其中，Cc為壓縮指數(shù);Cs為回彈指數(shù)，一般取(1/5～1/3)Cc，本文取1/4。

3 結(jié)果與討論

3.1 變形分析

圖2a)和圖2b)分別為基坑開挖完成后土體豎向位移和水平位移分布云圖。從圖2中可知，在基坑頂部土體水平位移最大，達(dá)到了21 mm，沿著開挖深度土體水平位移逐漸減少，至坑底時(shí)約為16 mm，同時(shí)基坑坑底最大隆起量約為48 mm。

圖3為基坑開挖完成后前、后排樁側(cè)向變形與實(shí)測數(shù)據(jù)對比?？梢钥闯?，實(shí)際工程中測斜管埋在前排樁外側(cè)，計(jì)算的后排樁變形曲線和實(shí)測值吻合較好，最大側(cè)向位移均發(fā)生在樁頂，約為21 mm，小于規(guī)范要求的0.4%H=28.7 mm(其中，H為開挖深度)的控制標(biāo)準(zhǔn)。在樁頂位置由于連梁將前后兩排樁緊密連接在一起，前、后排樁位移相等。隨著深度的增大，側(cè)向位移逐漸減小，在樁身中上部，前排樁的位移要稍大于后排樁的位移，樁身下部兩者位移基本一致，這與有限元分析得到的結(jié)論一致［6］。所以，可以初步認(rèn)為采用修正劍橋模型得到的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型是合理的。

3.2 內(nèi)力分析

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)作為空間結(jié)構(gòu)體系，在沿著基坑邊的方向，每一榀雙排樁都分擔(dān)一定程度的土壓力?；娱_挖后樁身的彎矩分布見圖4。從圖4中可知，后排樁的內(nèi)力分布與前排樁有較大不同，前排樁彎矩沿樁身存在兩個(gè)反彎點(diǎn)，上端反彎點(diǎn)出現(xiàn)在基坑開挖面附近，在樁頂和樁端附近彎矩較小。后排樁在基坑開挖范圍內(nèi)彎矩較大，最大彎矩發(fā)現(xiàn)在樁頂位置。這是因?yàn)橥翂毫χ饕饔迷谇芭艠?，后排樁通過連梁，起到拉錨的作用，相當(dāng)于在后排樁樁頂施加一個(gè)較大的橫向拉力。

3.3 不同結(jié)構(gòu)連接形式的影響

將樁頂和連梁的連接條件由剛接變成鉸接，得到的側(cè)向位移結(jié)果如圖5所示。當(dāng)排樁和樁頂連梁鉸接樁身變形明顯增大，前排樁的最大變形量從21 mm增加到了44 mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實(shí)際樁身變形。顯然這種鉸接條件下，降低了結(jié)構(gòu)間的實(shí)際連接剛度，也低估了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，使得后排樁的作用與拉錨比較接近，可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)間采用剛性連接能更好的反映實(shí)際開挖特性，得到合理的基坑變形結(jié)果。

3.4 本構(gòu)模型的影響

圖6為采用摩爾—庫侖模型(MC模型)和修正劍橋模型(MCC模型)計(jì)算得到的前排樁側(cè)向變形圖。由圖可知，采用MC模型，圍護(hù)樁發(fā)生了較大的整體側(cè)移，樁端水平位移達(dá)到了28 mm之多，與測斜管得到的實(shí)測值相去甚遠(yuǎn)。其原因在于，在MC模型中土體加荷和卸荷模量相同，且該本構(gòu)無法考慮應(yīng)力路徑的影響，這導(dǎo)致MC模型產(chǎn)生很大的坑底回彈，從而帶動(dòng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生較大的側(cè)移，使計(jì)算得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移失真。而修正劍橋模型以塑性體積應(yīng)變作為硬化參數(shù)，考慮了固結(jié)壓力和體積應(yīng)變對土體應(yīng)力應(yīng)變的影響，卸荷時(shí)較加荷具有更大的模量，在土體開挖卸載的分析中，較MC模型具有更高的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

1)相比單排樁支護(hù)方案，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)將連梁與前后排樁組成一個(gè)超靜定結(jié)構(gòu)，具有較大的側(cè)向剛度，能有效地控制基坑側(cè)向變形和減小樁身彎矩，減少基坑開挖工程對周邊環(huán)境的影響。

2)樁頂和連梁采用鉸接連接形式低估了整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，將得到與實(shí)際不符的過大側(cè)向位移，建議數(shù)值模擬中按剛接形式來考慮結(jié)構(gòu)間連接。

3)采用能區(qū)分加荷和卸荷的硬化類高級分析模型如MCC模型，能得到較為合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量，反之，由于MC模型采用單一剛度往往導(dǎo)致得到的基坑變形失真，設(shè)計(jì)時(shí)不建議使用。

［1］ 郭永成，吳永紅.泰達(dá)當(dāng)代藝術(shù)博物館、公園及公寓深基坑支護(hù)工程實(shí)例與分析［J］.天津勘察，2005(2)：34-39.

［2］ 龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998：187-188.

［3］ Tang Yu-Geng，Kung Gordon Tung-Chin.Investigating the effect of soil models on deformations caused by braced excavations through an inverse-analysis technique［J］.Computers and Geotechnics，2010(37)：769-780.

［4］ 徐中華，王衛(wèi)東.敏感環(huán)境下基坑數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型的選擇［J］.巖土力學(xué)，2010，31(1)：258-326.

［5］ Itasca.FLAC3D-User’s Manual.Itasca Consulting Group Inc.，Minneapolis，MN，2005.

［6］ 蔡袁強(qiáng)，阮連法，吳世明，等.軟粘土地基基坑開挖中雙排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析與工程應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999，20(4)：65-71.