劉汨軍

摘要：基坑支護是當(dāng)前建筑工程中常見的一種基礎(chǔ)工作施工技術(shù)，其在實際應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系基礎(chǔ)工程質(zhì)量。在山地地區(qū)，經(jīng)常會采用巖土二元結(jié)構(gòu)基坑，在應(yīng)用這種基坑時，會常涉及到吊腳樁的設(shè)計，需要通過施工特點進行數(shù)值模擬和分析，分別對該種設(shè)計方法的安全穩(wěn)定性、樁體深度、樁腳錨桿軸力及巖肩寬度等影響因素進行研究和分析。本文就二元結(jié)構(gòu)巖土基坑吊腳樁支護設(shè)計數(shù)值展開討論，針對吊腳樁工程特點，分別對與設(shè)計計算相關(guān)的影響因素進行分析研究。

關(guān)鍵詞：二元結(jié)構(gòu)；巖土基坑；吊腳樁支護；設(shè)計數(shù)值

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市高層建筑和超高層建筑如雨后春筍般拔地而起，地下空間的利用成為必然，這也使得基坑工程的數(shù)量越來越多。一元結(jié)構(gòu)基坑，在支護設(shè)計計算理論方面較為成熟，設(shè)計與施工安全快速，而且其穩(wěn)定性驗算較為容易，但是巖土二元結(jié)構(gòu)基坑的支護設(shè)計卻是一個難題，在實際工程中，設(shè)計人員經(jīng)常不考慮下層基巖，而是使用傳統(tǒng)的方法來計算上層土體開挖的支護設(shè)計，對于下層基巖多依靠自身經(jīng)驗進行開挖，這種方法的風(fēng)險性較大。針對這種情況，本文就二元結(jié)構(gòu)巖土基坑吊腳樁支護設(shè)計進行分析和研究。

一、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論

（一）計算方法及模型

基坑支護設(shè)計計算方法包括：靜力平衡法、土抗力法、連續(xù)介質(zhì)有限元法。

首先，靜力平衡法，即經(jīng)典法，就是通過土力學(xué)理論，來計算擋墻上的主動與被動土壓力，最后通過該方法來計算擋墻的受力并以此設(shè)計擋墻結(jié)構(gòu)。由于擋墻上的荷載是通過傳統(tǒng)土壓力理論來確定的，但是主被動土壓力則是依據(jù)土體的極限狀態(tài)來推導(dǎo)出來的，對土體與支護結(jié)構(gòu)的相互作用及施工對土體的擾動沒有得到充分考慮。早期，這種經(jīng)典方法在基坑支護設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，而當(dāng)前已經(jīng)被彈性地基梁法所取代，但是該種方法在計算空間開挖問題上還是相當(dāng)成熟的。

其次，土抗力法，經(jīng)典法假定了基坑內(nèi)側(cè)的土抗力為被動土壓力狀態(tài)，對于有內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)典法計算，常假定支撐力與支撐剛度系數(shù)無關(guān)，在使用上有一定的限制，所以，該種方法逐漸被土抗力法所取代，在我國《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》中明確推薦彈性地基反力法進行計算。彈性地基梁法計算的要點是，在擋墻位移過程中需要良好的控制條件，基坑內(nèi)側(cè)無法達到完全被動狀態(tài)，所以，引用承受水平荷載樁的橫向抗力概念，將外側(cè)主動土壓力作為水平荷載施加在墻體上，用彈性地基梁理論計算擋墻的變形與內(nèi)力。土體對墻體的水平向支撐用彈性抗力系數(shù)來模擬，支錨結(jié)構(gòu)也用彈簧模擬。

當(dāng)前，在土木工程計算中應(yīng)用最廣泛的模型有兩類，即彈塑性模型和彈性非線性模型，兩種模型都反映了土體的非線性應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。傳統(tǒng)的彈塑性模型在計算分析中較快，但該種模型只能進行一些簡單初步的分析；而非線性彈性模型在各類巖土工程計算中相較于彈塑性模型較為成熟。彈塑性Hardening—Soil模型作為一種先進的模型，其能夠?qū)Σ煌愋偷耐馏w行為進行模擬，這種模型運用的是非線性彈性模型所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗的雙曲線模型，但是隨著彈塑性Hardening—Soil模型的完善和提高，已經(jīng)取代了雙曲型模型。原因包括：彈塑性Hardening—Soil模型是塑性理論，不是彈性理論，充分考慮了土體的剪脹性；同時引入了屈服帽蓋。對于下層巖土，均可視為均質(zhì)線彈性體，利用線性彈性模型進行模擬。

（二）有限元數(shù)值分析

1.土體初始應(yīng)力的生成

土體初始應(yīng)力是土體開挖前本身存在的應(yīng)力作用，這種應(yīng)力場是由于長期地質(zhì)作用不斷變化形成的，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。土體初始應(yīng)力會應(yīng)材料容重和土體形成歷程而受到一定影響，其應(yīng)力狀態(tài)一般用 表征。初始水平有效應(yīng)力 通過側(cè)向土壓力系統(tǒng)K0和初始豎向有效應(yīng)力確定，可以表示為：

通常情況下，在有限元設(shè)計計算軟件中的初始應(yīng)力可以通過 生成，也能夠應(yīng)用重力荷載來生成。在初始點上的初始應(yīng)力應(yīng)結(jié)合該位置的材料容重與 的值來計算并得出結(jié)果：

在上述公式中， 表示土體的容重，hi表示土層厚度；Pw表示應(yīng)力點上的初始孔隙水壓。

二、工程案例分析

某火車站興建站房工程，上部結(jié)構(gòu)為3層，地下結(jié)構(gòu)為1層，局部為2層，各片區(qū)的基礎(chǔ)埋深均存在一定的差異，基礎(chǔ)最低出建筑標(biāo)高為17.1m?；娱_挖的面積較大，地下室面積約為24200㎡，周長約2500m。根據(jù)工程實際情況，可以將基坑開挖劃分為4平面區(qū)域，即I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)。將I區(qū)作為本文數(shù)值分析的對象。

（一）支護設(shè)計方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，該工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計選用樁錨支護結(jié)構(gòu)，采用灌注樁作為支護樁，灌注樁要嵌入基巖2m以上，各樁的距離保持在1.2m，入巖深度應(yīng)在0.5m以上，錨桿間距為2.5m，鉆孔直徑控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，下層巖層使用簡單的土釘進行支護，注意保證土釘質(zhì)量及操作過程中角度、傾角以及支撐巖肩的預(yù)留大小。

（二）有限元模型的建立

首先，對有限元模型的建立進行假設(shè)：基坑開挖采用平面應(yīng)變模型；圍護結(jié)構(gòu)及支撐錨桿為彈性受力狀態(tài)，圍護樁體用無厚度彈性板模擬；施工開挖過程中引起的土體應(yīng)力變化不予以考慮。

其次，施工階段的模擬，由于該工程基坑支護設(shè)計具備對稱性，所以選取其基坑平面設(shè)計的一部分來建立模型，將距離開挖面100m作為水平向影響范圍，下層巖土，將距離基地以下15m作為影響范圍，模型豎直邊界采用水平向約束，水平底面邊界采用豎直向約束，施工開挖分為4各步驟，第一步是放坡開挖第一層土體并達到一定標(biāo)高為止，還需設(shè)置施工支護樁機第一道錨桿；第二步是延續(xù)第一步的進程繼續(xù)開挖第二道錨桿的標(biāo)高，并設(shè)施第二道錨桿；第三步施工是開挖土體至下層基底巖面，設(shè)置第三道錨桿；第四步施工是爆破巖石，放坡開挖至基底設(shè)計標(biāo)高。有限元模型見圖一。

（三）結(jié)果分析

第一，樁身嵌入巖層深度計算。當(dāng)基坑開挖至10m以上時，計算上層土體開挖時樁身需嵌入巖層的深度。對樁身嵌入巖層的深度取3m左右進行模擬分析，其他設(shè)計尺寸和參數(shù)保持不變。經(jīng)幾何模擬圖進行分析后，結(jié)果表明，要想保證基坑的穩(wěn)定性，樁身嵌入巖層的最小深度應(yīng)控制在1.4m，但是隨著嵌固巖層的深度不斷增加，支護樁的變形得不到明顯的減小，彎矩變化也不夠明顯，這是因為樁體嵌入的是花崗巖巖層，嵌入固力較大，使得嵌入深度無法滿足樁體穩(wěn)定和位移的要求，進而產(chǎn)生變形和彎矩變化不大的情況。可見，對上層土體開挖支護采用傳統(tǒng)設(shè)計方法是可行的，在設(shè)計過程中，將支護樁嵌入巖層深度控制在2m以上，就能夠滿足上層土體開挖時對基坑穩(wěn)定性的要求。

第二，預(yù)留巖肩寬度的影響，經(jīng)幾何模擬圖分析表明，隨著巖肩寬度增加，樁體水平位移明顯減小，從無巖肩到巖肩寬度大于一定數(shù)值時，對位移的影響較小。巖肩寬度越大，樁體彎矩越大，位移變化規(guī)律一致，當(dāng)寬度達到一定數(shù)值時，其影響作用不明顯。彎矩增大是由于樁體整體位移減小。使得主動土壓力增大，彎矩增大。因此，在實際工程中，應(yīng)將巖肩寬度作為重要影響因素加以考慮。

三、結(jié)語

綜上所述，在本文論述和工程案例分析中，對二元結(jié)構(gòu)巖土基坑設(shè)計，其上層土體開挖可以采用傳統(tǒng)設(shè)計計算方法進行設(shè)計，計算樁身嵌入巖層深度，以此判斷上層土體開挖時，基坑支護是否滿足其穩(wěn)定性的要求。預(yù)留巖肩寬度時，要有效控制支護結(jié)果的位移大小?？傊诒疚难芯恐?，采用彈塑性Hardening—Soil模型對二元結(jié)構(gòu)巖土基坑設(shè)計進行有限元數(shù)值模擬分析，結(jié)果與實測結(jié)構(gòu)較為接近，可作為解決這種特殊設(shè)計計算的計算依據(jù)。

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