摘要：在以砂卵石地層為主的成都平原地區(qū)，近年來圓形深基坑工程逐漸出現(xiàn)，但一直無適宜的支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的確定方法，對土壓力分布特征尚不清楚。運(yùn)用彈塑性數(shù)值模擬方法，充分考慮樁土變形協(xié)調(diào)關(guān)系，確定了成都地區(qū)砂卵石地層的圓形深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力的分布規(guī)律，呈現(xiàn)出在圍護(hù)樁中下部偏大的近似三角形分布模式，平均值小于Rankine主動(dòng)土壓力。開展了模型試驗(yàn)研究，針對試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑪?shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值分布規(guī)律整體上具有相似性，二者較為接近，說明了數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有一定的合理性。

關(guān)鍵詞：砂卵石地層；圓形深基坑；土壓力；數(shù)值模擬；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU470

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0089-05

圓形深基坑因其內(nèi)部空間大等突出優(yōu)點(diǎn)而越來越多地出現(xiàn)在工程實(shí)踐中，但目前的圓形深基坑工程大多集中在軟土地區(qū)，且主要采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)^[1-2]。近幾年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以砂卵石地層為主的成都平原地區(qū)也逐漸出現(xiàn)了圓形深基坑工程。典型實(shí)例為目前中國西南地區(qū)最深的德陽二重廠熱處理車間新增淬火爐裝置深基坑工程，其開挖深度達(dá)到37.4 m，采用鋼筋混凝土排樁與鋼腰梁構(gòu)成的排樁框架支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑直徑約為12 m。對于軟土地區(qū)采用地下連續(xù)墻支護(hù)的圓形深基坑，已有許多學(xué)者研究了相關(guān)計(jì)算方法^[3-12]，主要表現(xiàn)為基于平面彈性地基梁或三維彈性地基板的圓形地下連續(xù)墻算法，對相應(yīng)實(shí)際工程問題的分析與解決提供了重要參考依據(jù)，但是對于砂卵石地層中采用排樁框架結(jié)構(gòu)支護(hù)的圓形深基坑，因在地層條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型等方面與前者存在很大差異，決定了其不能簡單套用前者的相關(guān)方法。同時(shí)，圓形基坑與普通的矩形基坑有很大的不同，圓形基坑屬于典型的空間問題，且需要充分考慮基坑周圍土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在變形協(xié)調(diào)關(guān)系^[13-14]，而按普通的矩形基坑中選取典型地層剖面的平面應(yīng)變問題求解方法，對圓形基坑并不適合。另外，根據(jù)中國《建筑基坑支護(hù)規(guī)程（JGJ120—2012）》及四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《成都地區(qū)建筑深基坑工程安全技術(shù)規(guī)范（DB51/T5072—2011）》，對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移限制均較高^[15-16]。因而，對于砂卵石地層中的圓形深基坑排樁框架支護(hù)結(jié)構(gòu)，在整個(gè)開挖支護(hù)過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)移不足以使其后側(cè)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)。實(shí)際上，圍護(hù)樁后的土體是處于非極限狀態(tài)的，對于在坑底以上作用于圍護(hù)樁后的土壓力，也不適合采用傳統(tǒng)的Rankine主動(dòng)土壓力理論計(jì)算確定。有鑒于此，有必要針對砂卵石地層圓形深基坑排樁框架支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)際情況進(jìn)行研究，并充分考慮樁土變形協(xié)調(diào)關(guān)系，以合理確定實(shí)際作用于圍護(hù)樁上的土壓力及其分布規(guī)律。

張家國，等：砂卵石地層圓形深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力

1分析模型

如圖1所示的某排樁框架結(jié)構(gòu)支護(hù)的圓形深基坑，基坑凈內(nèi)徑為12 m，坑深33 m。圍護(hù)樁直徑12 m，澆筑C30混凝土。樁頂設(shè)置冠梁，寬度為12 m，高度為0.8 m。內(nèi)支撐采用環(huán)形箱梁，共設(shè)置4道，設(shè)置深度分別為7、14、20、26 m，其中前3道支撐尺寸為400 mm×300 mm×14 mm×14 mm（寬×高×壁厚×壁厚），后一道支撐尺寸為600 mm×550 mm×16 mm×16 mm（寬×高×壁厚×壁厚）。排樁墻由28根排樁在平面上以1.5 m等間距排列，樁長40 m，嵌固深度7.0 m?；又車貙佑缮现料乱来畏弁粒?～3 m）、中密卵石（3～18 m）、密實(shí)卵石（18～33 m）、泥巖（33 m以下），各地層土體的主要參數(shù)如表1所示。

采用Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬，對地層采用理想彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，并采用非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則；對圍護(hù)樁、冠梁、腰梁均采用線彈性模型模擬。模型左右兩側(cè)面距基坑中軸線距離為5倍坑徑，采用水平位移約束；底端距樁底0.5倍樁長，采用水平與豎向雙向位移約束。如此建立的數(shù)值分析模型如圖2所示。

2計(jì)算結(jié)果

取施作第1～4道腰梁后、開挖到坑底這5種典型工況的開挖底面以上樁側(cè)土壓力計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

可見，樁后側(cè)土壓力均具有隨深度逐漸增大的特征，在靠近開挖面附近土壓力有急劇增大的特點(diǎn)，各工況下樁后土壓力在某種程度上均可近似簡化成三角形分布模式。同時(shí)，在開挖施工過程中，每道腰梁施工完成后，樁后土壓力主要在上下兩道腰梁之間有顯著增大，在上一道腰梁以上的部分幾乎沒有變化。在開挖到坑底的工況也有類似特征。這說明各道腰梁起到良好的支撐作用，以致于后續(xù)的開挖施工對其上面的部分影響很小。

3.4試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖7所示的分步開挖施工過程中，坑底以上樁側(cè)土壓力分布圖?？梢?，對于坑底以上部分，在加第4道腰梁之前的各工況下，樁側(cè)土壓力隨著深度增加具有逐漸增大的特點(diǎn)，在施作第4道腰梁及其以后的工況下，樁側(cè)土壓力在基坑深度2/3以下位置沿深度逐漸有所減小，但幅度不大。在開挖深度較淺（約為坑深一半及其以上）的情況下，樁側(cè)土壓力沿深度幾乎呈線性增長；但在開挖到3/5坑深以后，樁下部的增長幅度開始逐漸降低，樁側(cè)土壓力呈增幅遞減的非線性增長分布。這可能是由于在開挖深度較淺時(shí)，基坑周圍土體卸荷量相對較小，開挖深度范圍內(nèi)的坑周土體變形近似接近于彈性變化特征，土壓力隨深度呈線性增大，但當(dāng)開挖深度較深時(shí)，基坑周圍土體卸荷量相對較大，尤其在開挖底面附近，而上部土體因壓應(yīng)力較小仍呈現(xiàn)一定的彈性變形特征，但開挖底面附近土體因壓應(yīng)力較大則呈一定的塑性變形特征，因而沿著整個(gè)開挖深度樁側(cè)土壓力不再呈連續(xù)線性變化。同時(shí)，在第4道腰梁施作以前，同一位置的土壓力隨著開挖進(jìn)行逐漸發(fā)生較為顯著的變化，尤其是樁的中上部位置，這是由于樁的中上部變形相對較大，使得土壓力得到一定程度的釋放。在開挖到坑底時(shí)，坑底以上近坑底位置樁后土壓力達(dá)到約2.0 kPa。

針對試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)前述的數(shù)值模擬方法可得，在開挖到坑底時(shí)刻，坑底以上部分樁側(cè)土壓力分布如圖8所示。由同一圖中所示的試驗(yàn)結(jié)果對比可見，本文模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值分布規(guī)律整體上具有相似性，土壓力整體上均隨深度增加逐漸增大；采用本文方法計(jì)算的土壓力值比試驗(yàn)值平均超出約20%，且在坑深2/3以下計(jì)算值與試驗(yàn)值差別較大，可能是由于數(shù)值模型的誤差以及模型樁與土體參數(shù)的離散性和某些試驗(yàn)誤差所致。另外，對比圖8中的靜止土壓力和Rankine主動(dòng)土壓力結(jié)果還可看出，本文方法得到結(jié)果比Rankine主動(dòng)土壓力平均約小30%?？傮w而言，本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近，且與傳統(tǒng)算法之間也具有良好的可比性，這些均說明了模擬計(jì)算結(jié)果具有一定的合理性，即圖3所示的開挖施工過程中樁后土壓力分布模式較符合實(shí)際。

4結(jié)論

圓形深基坑因其諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸應(yīng)用于成都平原地區(qū)（以砂卵石地層為主），然而經(jīng)典的朗肯土壓力及庫侖土壓力理論并不適用于此類側(cè)移較小的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析。本文采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法研究，主要得到如下結(jié)論：

1）可以利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬的方法近似計(jì)算在開挖施工過程中圓形深基坑圍護(hù)樁后的土壓力，在開挖施工過程中，每道腰梁施工完成后，樁后土壓力主要在上下兩道腰梁之間有顯著增大，在上一道腰梁以上的部分幾乎沒有變化，各道腰梁起到了良好的支撐作用。

2）砂卵石地層圓形深基坑樁后土壓力，總體表現(xiàn)為隨深度增加而逐漸增大的特征，在靠近開挖面附近土壓力有急劇增大的特點(diǎn)，各工況下樁后土壓力在某種程度上均可近似簡化成三角形分布模式，土壓力平均小于Rankine主動(dòng)土壓力，約為Rankine主動(dòng)土壓力的70%。

參考文獻(xiàn)：

[1]邊亦海， 黃宏偉， 張冬梅. 寶鋼軋機(jī)旋流池深基坑的監(jiān)測分析[J]. 巖土力學(xué)， 2004， 25（Sup2）： 491-495.

[2]賈堅(jiān)， 謝小林， 翟杰群，等.“上海中心”圓形基坑明挖順作的安全穩(wěn)定和控制[J].巖土工程學(xué)報(bào)， 2010，32（Sup1）： 370-376.

[3]宋青君， 王衛(wèi)東. 上海世博500 kV地下變電站圓形深基坑逆作法變形與受力特性實(shí)測分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2010， 31（5）： 181-187.

[4]翁其平， 王衛(wèi)東， 周建龍. 超深圓形基坑逆作法“兩墻合一”地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2010， 31（5）： 188-194.

[5]王林， 謝亮， 楊文琦，等. 軟土地區(qū)深基坑圓筒支護(hù)結(jié)構(gòu)三維數(shù)值分析模擬[J].建筑結(jié)構(gòu)， 2011， 41（3）： 88-91.

[6]翟杰群， 謝小林， 賈堅(jiān).“上海中心”深大圓形基坑的設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2010， 32（Sup1）： 392-396.

[7]沈健， 王衛(wèi)東， 翁其平. 圓形基坑地下連續(xù)墻分析方法研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2008，30（Sup）： 280-285.

[8]Cheng Y M， Hu Y Y， Wei W B. General axisymmetric active earth pressure by method of characteristics- theory and numerical formulation [J]. International Journal of Geomechanics， ASCE. 2007， 7（1）：1-15.

[9]Cheng Y M， Hu Y Y. Active earth pressure on circular shaft lining obtained by simplified slip line solution with general tangential stress coefficient [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2005， 27（1）：110-115.

[10]Liu F Q， Wang J H， Zhang L L. Discussion of “General axisymmetric active earth pressure by method of characteristics-theory and numerical formulation”[J]. International Journal of Geomechanics， 2008（8）： 325-326.

[11]Liu F Q， Wang J H， Zhang L L. Axi-symmetric active earth pressure by slip line method with tangential stress coefficient [J]. Computers and Geotechnics， 2009， 36（2）： 352-358.

[12]Youssef M A. Hashash C M. Novel approach to integration of numerical modeling and field observations for deep excavations [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， ASCE， 2006， 132（8）： 1019-1031.

[13]Vaziri H H， Simpson B， Pappin J W，et al. Integrated forms of Mindlins equations [J]. Geotechnique， 1982， 32（3）： 275-278.

[14]Vaziri H H，Troughton V.An efficient three-dimensional soil-structure interaction model [J].Canadian Geotechnical Joumal， 1992，29：529-538.

[15]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 120—2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)版社， 2012.

[16]四川省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DB51/T 5072—2011 成都地區(qū)基坑工程安全技術(shù)規(guī)范[S].2012.

（編輯王秀玲）