張向東，張 成

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

深基坑支護(hù)屬臨時(shí)性工程，是綜合性的巖土工程難題，其技術(shù)復(fù)雜性遠(yuǎn)甚于永久性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或上部結(jié)構(gòu)。如何在保障安全的前提下，進(jìn)行合理的基坑支護(hù)施工并對(duì)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使工程達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究性工作。應(yīng)宏偉等針對(duì)帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)建立模型進(jìn)行有限元分析;李東杰等［1-2］建立了復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算模型;黃凱等［3］針對(duì)設(shè)有壓頂梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了準(zhǔn)空間計(jì)算模型;杜東寧等［4］以沈陽(yáng)地區(qū)的深基坑工程為研究對(duì)象，進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析;陳宏?yáng)|等［5］研究了填土基坑的破壞機(jī)理;李立軍［6］利用FLAC-3D模擬軟件，計(jì)算深基坑雙排樁支護(hù)工程在設(shè)置圈梁的情況下，其不同位置處樁頂位移與彎矩的變化;曾慶義等［7］通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理的探討推導(dǎo)出求解冠梁作用力的力學(xué)公式;王桂平等［8］在基坑數(shù)值模擬中考慮了時(shí)空效應(yīng)的作用;林鵬等［9］通過(guò)工程實(shí)例對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行了數(shù)值分析，闡明了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)能最大程度的控制基坑工程變形。深基坑開(kāi)挖工程的設(shè)計(jì)受到施工時(shí)諸多技術(shù)參數(shù)的影響，會(huì)在開(kāi)挖過(guò)程中引起支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化以及基坑內(nèi)外土體的變形［10-11］，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以事先設(shè)定或事后處理。應(yīng)用有限元軟件可以考慮這些問(wèn)題，較好的模擬現(xiàn)場(chǎng)狀況。本文結(jié)合工程實(shí)例，應(yīng)用Adina軟件良好的非線(xiàn)性分析功能對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并對(duì)變形位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，從而說(shuō)明利用Adina大型有限元分析軟件模擬的可行性與可靠性。同時(shí)結(jié)合檢測(cè)與模擬結(jié)果分析不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

該基坑施工區(qū)間內(nèi)地勢(shì)平坦，周?chē)鸁o(wú)高層建筑物，安全等級(jí)二級(jí)，地下水位較高，無(wú)特殊地質(zhì)構(gòu)造，土層以及地下水分布情況如下:

(1)雜填土:由碎石、爐灰渣、砂土、粘性土等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚0.6～1.2m;

(2)粉質(zhì)粘土:局部地段上部為細(xì)砂，呈松散狀態(tài)，層底埋深1.5～3.3m;

(3)中砂:黃褐色，局部地段上部為細(xì)砂，3m左右以上呈松散狀態(tài)，3m以下呈稍密狀態(tài)，層底埋深3.7～4.2m;

(4)粗砂:黃褐色，含少量卵礫石，一般呈松散狀態(tài)，4m以下呈中密狀態(tài)，層底埋深4.8～5.5m;

(5)礫砂:黃褐色，卵礫石含量30% ～40%，稍濕，一般呈密實(shí)狀態(tài)，層底埋深6.1～7.5m;

(6)圓礫:黃褐色，卵礫石含量60% ～80%左右，以粗砂充填，一般呈密實(shí)狀態(tài)，層底埋深8.2～14.5m;

(7)頁(yè)巖:底層埋深16.5～50m;

(8)施工場(chǎng)地地下水位埋深9.5～9.6m。

1.2 支護(hù)方案

根據(jù)工程情況以及水文地質(zhì)條件采用單排鉆孔灌注樁加冠梁、錨桿支護(hù)方式。按設(shè)計(jì)要求樁長(zhǎng)l=13m，樁徑d=0.8m，支護(hù)樁中心距為1.4m，樁身混凝土等級(jí)為C20，采用三層錨桿，錨桿選用2Φ28鋼筋，間距1.1m，角度為30°，樁深入基坑開(kāi)挖面以下2m，樁身縱向主筋采用12Φ22鋼筋，箍筋采用Φ10@200。樁頂設(shè)0.8m×1m的圈梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25;樁頂坡面及樁間土噴射強(qiáng)度等級(jí)為C20，厚度為300mm的混凝土。

1.3 水平位移監(jiān)測(cè)方案

為研究該施工區(qū)間內(nèi)基坑開(kāi)挖后支護(hù)樁的水平位移變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘的情況，工程采用測(cè)斜裝置對(duì)支護(hù)樁體的深部水平撓度值和周?chē)馏w的深部水平位移量進(jìn)行量測(cè)。測(cè)斜裝置由測(cè)斜管、測(cè)斜儀和數(shù)字式測(cè)讀儀組成。測(cè)斜管埋入墻體或者土體，通過(guò)測(cè)定測(cè)斜儀與垂直線(xiàn)之間的傾角的變化，求得不同深度部位的水平位移值。其計(jì)算原理如下:

第i段的相對(duì)水平位移為

式中:Li是第i段的垂直長(zhǎng)度，通常取500mm;φi是第i段的相對(duì)傾角。將測(cè)斜管沿深度方向分為N段，編號(hào)自下而上進(jìn)行。設(shè)測(cè)斜管底端發(fā)生水平位移可忽略，即該點(diǎn)的水平位移偏差為零。則第n段深度處測(cè)斜管發(fā)生的水平位移偏差為

1.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

鑒于不同位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移變形情況不同，拐點(diǎn)處的支護(hù)效果最佳，而跨中處支護(hù)樁的支護(hù)效果最差，所以選取具有代表性的1/2截面處的支護(hù)樁作為研究對(duì)象，采取分層開(kāi)挖，各開(kāi)挖工況如下:工況1，開(kāi)挖0～1m;工況2，開(kāi)挖1～2m;工況3，開(kāi)挖2～5m，并打錨桿;工況4，開(kāi)挖5～8m，并打錨桿;工況5，開(kāi)挖8～11m，并打錨桿。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移從開(kāi)挖時(shí)的幾毫米逐漸增加到開(kāi)挖結(jié)束后的幾十毫米，其中最大水平位移為44.6mm，出現(xiàn)在支護(hù)樁深度6m處，小于規(guī)范要求的60mm或0.006H(H為開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后的基坑深度)，說(shuō)明該基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工方案是合理的。

圖1 監(jiān)測(cè)樁水平位移隨深度變化曲線(xiàn)Fig.1 Curve of monitoring pile horizontal displacement changes with depth

2 Adina軟件建模

2.1 基本假定

(1)該基坑為方形，長(zhǎng)邊長(zhǎng)度與短邊長(zhǎng)度接近，利用對(duì)稱(chēng)性取半截面進(jìn)行分析。

(2)樁身以及圈梁按線(xiàn)彈性體考慮，且按剛性連接，土體采用D-P彈塑性本構(gòu)模型。

(3)土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)單元均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，不考慮樁土之間的粘著力和摩阻力。

(4)基坑開(kāi)挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響。

(5)支護(hù)樁-土之間接觸面假定為面-面接觸。

(6)假設(shè)土體為均質(zhì)土且抗拉強(qiáng)度為0。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)(表1、表2)

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)及計(jì)算參數(shù)Table 1 Soil physical and mechanical indexes and parameters

表2 錨桿和樁的計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of anchor and pile

2.3 建模計(jì)算

根據(jù)以上假設(shè)和各指標(biāo)參數(shù)，利用Adina軟件建立三維有限元計(jì)算模型，土體按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土層條件劃分7層，底面關(guān)閉Z方向的自由度，使其不產(chǎn)生豎向位移，本構(gòu)模型采用D-P彈塑性本構(gòu)模型，樁和錨桿采用線(xiàn)彈性材料，錨桿采用Rebar單元，該模擬開(kāi)挖過(guò)程分5次開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，基坑開(kāi)挖過(guò)程通過(guò)單元生死來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于土體在自重應(yīng)力下產(chǎn)生固結(jié)，為更精確地模擬實(shí)際，在建模結(jié)束后需要施加初始地應(yīng)力，在A(yíng)dina中可通過(guò)對(duì)模型施加重力作用近似得到初始應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 模擬計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.2 Simulation grid map

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

隨著開(kāi)挖深度的加深，支護(hù)樁的水平位移量也逐漸增大，開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，深度為6m處支護(hù)樁的水平位移最大且位移范圍最廣，各開(kāi)挖工況計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 樁的水平位移隨深度變化曲線(xiàn)Fig.3 Curve of pile horizontal displacement change with depth

由圖3可以看出，隨著開(kāi)挖深度的變化，工況1到工況3的水平位移變化相差較大，工況3到工況5變化量逐漸減小，主要原因是工況3到工況5施加了錨桿。該圖直觀(guān)給出了支護(hù)樁水平位移隨開(kāi)挖深度的變化規(guī)律，由于冠梁和錨桿的協(xié)同作用其位移最大值平均出現(xiàn)在樁身6m處，因此在施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)樁身中部土體進(jìn)行適當(dāng)加固。

3.2 與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較

為確保施工進(jìn)程的安全，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，當(dāng)開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后將支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，由圖3可知，由于冠梁和錨桿的共同作用，最大位移出現(xiàn)在全樁長(zhǎng)的中部，所以取深度6m處水平位移的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較。

由圖4可以看出隨著開(kāi)挖深度的加深，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，監(jiān)測(cè)位移值與計(jì)算值較為接近，前者基本保持在后者的90%以上，計(jì)算值是偏于安全的，因此可以說(shuō)明運(yùn)用Adina大型有限元分析軟件對(duì)基坑的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬是可行的。

圖4 深度6m處的水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.4 Comparison of calculated and measured values of horizontal displacement at 6m

4 參數(shù)影響分析

以前述參數(shù)建立的模型作為參考算例，進(jìn)一步研究樁身、冠梁的抗彎剛度、被動(dòng)區(qū)土體加固等因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，以下均選取工況5的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

4.1 樁身抗彎剛度的影響

把參考算例中樁身的抗彎剛度減小作為算例1，其計(jì)算結(jié)果與參考算例的比較如圖5所示。

4.2 被動(dòng)區(qū)土體加固的影響

參考算例中對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行了一定程度的加固，現(xiàn)將不加固的情況作為算例2進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果與參考算例進(jìn)行比較如圖6所示。

圖5 樁身抗彎剛度對(duì)水平位移的影響Fig.5 Effect of pile flexural rigidity on the horizontal displacement

圖6 被動(dòng)區(qū)土體加固對(duì)水平位移的影響Fig.6 Effect on the horizontal displacement of soil reinforcement at passive zone

4.3 冠梁抗彎剛度的影響

將參考算例中冠梁的抗彎剛度減小作為算例3，計(jì)算結(jié)果與參考算例進(jìn)行比較如圖7所示。

圖7 冠梁抗彎剛度對(duì)水平位移的影響Fig.7 Effect of pile flexural rigidity on the horizontal displacement

通過(guò)對(duì)不同算例下支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬分析可知:改變樁身、冠梁的抗彎剛度、是否對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固等因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移有很大程度的影響，當(dāng)削弱以上三個(gè)影響因素時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移會(huì)有明顯增大，由圖7可以看出減小冠梁的抗彎剛度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化影響不明顯，通過(guò)對(duì)比可知是否對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固是影響支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的一個(gè)重要因素.因此，在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固處理。

5 結(jié)論

(1)有限元模擬軟件的使用應(yīng)結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)不同的地質(zhì)情況和所要研究問(wèn)題的不同簡(jiǎn)化計(jì)算模型，進(jìn)行建模分析。本文各土層土體參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試得到，能夠較真實(shí)的反應(yīng)土體在施工中的各項(xiàng)力學(xué)性能，通過(guò)三維有限元模型的建立，樁-土接觸面采用面-面接觸，更能較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，因此對(duì)于具有類(lèi)似地質(zhì)條件的深基坑工程的施工有一定的參考價(jià)值。

(2)樁身、冠梁的抗彎剛度、是否對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固3個(gè)因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響較大，是否對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固是最主要影響因素，在施工過(guò)程中對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固是必要的。

［1］應(yīng)宏偉，初振環(huán)，李冰河，等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法研究及工程應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2007，28(6):1147-1149.YING Hongwei，CHU Zhenhuan，LI Binghe，et al.Study on calculation method of retaining structure with double-row piles and its application［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(6):1147-1149.

［2］李東杰，萬(wàn)林海，裴成玉.復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的FLAC-3D數(shù)值模擬及變形分析［J］.巖土工程界，2006，10(2):25-26.LI Dongjie，WAN Linhai，PEI Chengyu.And deformation analysis of composite soil nailing supporting structure of FLAC-3D numerical simulation ［J］.Geotechnical Engineering World，2006，10(2):25-26.

［3］黃凱，應(yīng)宏偉，謝康和.采用固定支撐法分析圈梁與支護(hù)樁的相互作用［J］.工業(yè)建筑，2002，32(8):36-38.HUANG Kai，YING Hongwei，XIE Kanghe.Interaction analysis of wale and retaining piles basedon fixed support assumption［J］.Industrial Construction，2002，32(8):36-38.

［4］杜東寧，張向東，楊逾，等.沈陽(yáng)東森深基坑工程三維有限元分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，37(4):765-768.DU Dongning，ZHANG Xiangdong，YANG Yu，et al.3D finite element analysis of Dongsendeep excavation in Shenyang［J］.Journal of Guangxi University(Natural Science Edition)，2012，37(4):765-768.

［5］陳宏?yáng)|，都華，馮林平，等.深挖填土基坑監(jiān)測(cè)及安全性分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，35(2):205-208.CHEN Hongdong，DU Hua，F(xiàn)ENG Linping，etal.Monitoring and security analysis of deep pits［J］.Journal of Guangxi University(Natural Science Edition)，2010，35(2):205-208.

［6］李立軍.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中圈梁空間效應(yīng)的數(shù)值模擬分析［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(5):447-448.LI Lijun.Numerical analysis of ring beam’s spatial effects in retaining structure with double-row piles［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2012，32(5):447-448.

［7］曾慶義，劉明成.支護(hù)樁圈梁的作用機(jī)理與計(jì)算分析［J］.巖土力學(xué)，1995，16(2):74-81.ZENG Qingyi，LIU Mingcheng.Mechanism and calculating analysis for ring beam of soldier piles［J］.Rock and Soil Mechanics，1995，16(2):74-81.

［8］王桂平，劉國(guó)彬.考慮時(shí)空效應(yīng)的軟土深基坑變形有限元分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(4):116-118.WANG Guiping，LIU Guobin.Finite element analysis of the deformation of deep excavations considering timespace effect in soft soils［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42(4):116-118.

［9］林鵬，王艷峰，范志雄，等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土基坑工程中的應(yīng)用分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(S2):333-334.LIN Peng，WANG Yanfeng，F(xiàn)AN Zhixiong，etal.Application and analysis ofretaining structure with double-row piles in soft ground excavation engineering［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):333-334.

［10］Finno R J，Voss F T，Rossow E，et al.Evaluating damage potential in buildings affected by excavations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131(10):1199-1210.

［11］Zdravkovic L，Potts D M，ST John H D.Modelling of a 3D excavation in finite element analysis［J］.Geotechnique，2005，55(7):497-513.