屈家奎

(中鐵二十局集團 第三工程有限公司， 重慶 400065)

近年來，隨著城鎮(zhèn)化建設迅速發(fā)展，城市建設用地的逐年減少，地下空間變得尤為重要，很多深復雜基坑隨之出現(xiàn)，基坑穩(wěn)定性和支護措施引起了廣泛關注。重慶軌道10號線蘭花湖地下停車場為重慶市首個明挖地下停車場，基坑的成功修建對于重慶地區(qū)的類似工程具有重要的參考和借鑒意義。

迄今為止，許多學者結(jié)合各類深基坑工程對樁錨支護做了大量研究[1-10]，總結(jié)了深基坑中樁錨支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及變形特點。李鵬飛等[11]通過對基坑深層位移曲線進行分析，得出基坑最大位移會隨著基坑開挖深度向下位移的結(jié)論；Sawwaf等[12]通過小型模型試驗研究了豎向錨板的受力特性，采用不同長度和直徑的鋼筋(模型樁)放置在不同位置，考慮了樁直徑、樁長度、樁間距等因素，指出最合理的加固方式；Li等[13]建立了土體損傷模型、損傷演化方程以及土體損傷本構(gòu)關系，求解樁錨支護地基沉降，指出土體損傷是引起地表沉降的重要因素。對于本文研究的砂質(zhì)泥巖深基坑工程，其主要特征是砂質(zhì)泥巖的強度較低、抗風化能力差導致基坑施工中存在沉降、失穩(wěn)等風險。因此，針對砂質(zhì)泥巖深基坑中樁錨支護結(jié)構(gòu)的受力及基坑中變形規(guī)律的研究具有重要意義。總體上，目前針對砂質(zhì)泥巖深基坑中樁錨支護結(jié)構(gòu)力學行為及變形規(guī)律的討論相對較少。

本文以重慶市蘭花湖停車場土建工程為背景，首先，通過有限元數(shù)值方法模擬開挖以及支護的過程，得出深厚砂質(zhì)泥巖土基坑施工中圍護樁的變形規(guī)律；然后，結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)控量測進行對比分析及不同理論計算方法下的地表沉降的模擬結(jié)果進行分析，總結(jié)出合適的砂質(zhì)泥巖地基沉降曲線理論計算方法；此外，還對錨索的軸力變化進行分析，得出基坑支護中錨索受力的規(guī)律，進而對砂質(zhì)泥巖深基坑施工工法及支護參數(shù)優(yōu)化完善，為類似基坑工程樁錨支護結(jié)構(gòu)的設計及現(xiàn)場實際監(jiān)控量測提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶軌道交通10號線蘭花湖停車場土建及安裝工程停車場段位于重慶工商大學蘭花湖校區(qū)東北側(cè)，南側(cè)緊臨蘭花路，東側(cè)緊鄰回龍路，北側(cè)緊臨蘭湖天小區(qū)，最近距小區(qū)距離5 m。停車場東西向長約395 m，南北向?qū)捵钫幖s13.4 m，最寬處約81.4 m。為重慶市首個明挖地下停車場?；游恢闷矫鎴D如圖1所示。

基坑深13～31 m，區(qū)間底板下部設置樁基礎，屬于復雜超大、超深基坑，施工風險極大、環(huán)境敏感高，基坑16—16′斷面對附近回龍路及部分建筑存在影響，基坑周圍環(huán)境敏感、施工風險高。因此，選擇16—16′斷面開展研究。如圖2所示，該斷面主要采用排樁式錨桿擋墻作為圍護結(jié)構(gòu)，共采用6根錨索，10根錨桿進行錨固，圍護樁采用φ1000@3000鉆孔灌注樁，預應力錨索采用15φ15.2預應力鋼絞線，錨索長度為21～28 m，其中錨固段長度為14 m，錨桿為φ22@1500×1500采用梅花形布置。

圖1 工程地理位置

圖2 現(xiàn)場基坑支護

1.2 地質(zhì)水文條件

本基坑場地位于川東南弧形地帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部，構(gòu)造部位為重慶向斜東翼。出露的地層自上而下依次可分為素填土層、殘坡積層及沉積巖層。素填土主要由粉質(zhì)黏土夾砂巖、砂質(zhì)泥巖塊(碎)石組成骨架顆粒粒徑。砂質(zhì)泥巖主要呈紫紅色，主要礦物成分為黏土礦物，中-厚層狀構(gòu)造。其中強風化層厚0.9～2.5 m，最大可達5.9 m，風化裂隙較為發(fā)育，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量分級為Ⅳ級。場地原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，受人類活動改造影響較大，第四系覆蓋層厚度差異較大，下伏基巖為砂巖泥巖互層的陸相碎屑巖，含水微弱。地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，為大氣降雨和給排水管道滲漏補給。16—16′斷面基坑支護斷面如圖3所示。

圖3 16—16′斷面基坑支護斷面

2 有限元計算方法

2.1 數(shù)值模型建立

利用Midas GTS NX對本基坑16—16′斷面的開挖和支護的各施工階段進行模擬，由于蘭花湖砂質(zhì)泥巖基坑的復雜性，對模型進行了以下簡化假定：

1)基坑內(nèi)巖土體及圍護樁結(jié)構(gòu)為各向同性材料，土體采用修正Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，混凝土圍護樁、錨索以及錨桿均采用彈性本構(gòu)模型。

2)模擬基坑開挖過程中，忽略降水、活荷載因素的影響?；拥叵滤课⑷酰什豢紤]地下水對模型的影響。

2.2 計算參數(shù)選取

建立尺寸為160 m×80 m二維有限元模型，其中基坑深約35 m，左右兩個面約束X方向的位移，下面約束Y方向上的位移，上為自由面，模型共含9 059個單元，9 144個節(jié)點，如圖4所示。采用平面應變單元模擬填土、砂質(zhì)泥巖，采用植入式桁架單元模擬錨索和錨桿，采用結(jié)構(gòu)單元模擬灌注樁，6根錨索預預應力均為990 kN，10根錨桿間隔1.5 m，灌注樁直徑為1 m，具體各層巖土體參數(shù)見表1，支護模型所采用的具體參數(shù)見表2。由于支護樁與土的變形有很大差異，為了符合工程實際情況，樁土之間相互作用采用接觸單元模擬，參數(shù)參考相關文獻[14]具體取值見表3。錨索選取參數(shù)見表4。

圖4 基坑有限元分析模型

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)力學參數(shù)

表3 接觸單元參數(shù)

表4 錨索參數(shù)

2.3 施工步驟

本基坑模擬共把土層劃分為17層進行開挖，為了便于分析圍護樁與地表沉降的位移，這里選取1、4、7、10、13、17幾個具有代表性的工況進行分析研究，選取工況見表5。

表5 分析工況

3 計算結(jié)果分析

3.1 圍護樁位移分析

模擬基坑施工整體的位移變化情況如圖5所示。在模擬中規(guī)定向基坑外方向為正，向基坑內(nèi)方向為負?？梢?，基坑施工過后基坑邊緣x方向整體朝坑內(nèi)位移，y方向基坑外部地表下沉，基坑內(nèi)部地表隆起。由于基坑開挖導致地應力釋放，使圍護樁向內(nèi)部變形，同時使基坑內(nèi)部地基卸荷回彈，使基坑外部地表沉降，內(nèi)部地基隆起，與實際工程基本吻合。

樁體水平位移現(xiàn)場實際監(jiān)控量測如圖6所示。水平位移測量方法是選用70 mm專用測斜管，將4 m每根的測斜管逐節(jié)進行對接，將測斜管綁扎固定在圍護結(jié)構(gòu)鋼筋籠內(nèi)側(cè)，使孔內(nèi)導槽對準鋼筋籠。通過測量測斜儀軸線與鉛垂線之間夾角的變化，可測量出各個深度的土體的水平位移。

圖5 工況17下基坑位移云圖

圖6 現(xiàn)場支護樁樁體深層水平位移監(jiān)測

圍護樁樁體水平位移模擬結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，隨著基坑開挖的進行，圍護樁的整體水平位移逐漸增加，這是由于在基坑施工過程中，未開挖的巖土體存在側(cè)向土壓力導致的圍護樁產(chǎn)生水平位移，在施工初期開挖較淺，故樁的水平位移變化量較小，在工況4下樁的水平位移曲線呈現(xiàn)出線性減小的趨勢，在7、10、13、17這4種工況下，樁的水平位移曲線逐漸變?yōu)閽佄锞€形。表6為各工況下水平方向最大位移以及最大位移出現(xiàn)在樁體的位置。

圖7 各工況下模擬基坑圍護樁水平位移

表6 基坑樁體水平位移匯總

由模擬結(jié)果可以看出，砂質(zhì)泥巖深基坑水平位移變形主要有兩種形態(tài)特征：第一種是水平位移隨著深度線性減小，呈現(xiàn)出三角形，這種特征出現(xiàn)在基坑開挖的初期；第二種是樁體的水平位移隨深度的加深而增大到達最大值后再逐漸減小，呈現(xiàn)出拋物線形，這種特征主要出現(xiàn)在開挖深度達到基坑深度中后期。這是由于基坑在開挖時支護樁嵌固段作用，樁嵌固段的主動土壓力被抵消一部分，剛開始嵌固段較深，故水平位移線性減小，開挖中后期嵌固段變淺，故水平位移呈現(xiàn)出拋物線形。

工況17現(xiàn)場實際測量圍護樁水平位移與模擬計算結(jié)果如圖8所示，可見，在模擬計算中樁的最大水平位移在距離樁頂15 m位置處大小為19.65 mm，在實際測量中樁的最大水平位移在距離樁頂13.36 m處位置處大小為18.64 mm。由于實際基坑工程受到錨索軸力及人為、周邊環(huán)境、車輛荷載等復雜因素影響，在模擬計算中無法完全體現(xiàn)，故監(jiān)測結(jié)果在5～25 m處出現(xiàn)了波動，但是從整體上來看模擬計算與實際監(jiān)測水平位移的曲線基本趨勢是一致的，這表明模擬的方法以及選取的力學參數(shù)基本合理，數(shù)值模擬一定程度上能夠反映實際基坑的變形結(jié)果。同時，樁體最大水平位移量滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》[15]中警戒值45～50 mm的要求，說明基坑支護方案安全合理。

圖8 樁水平位移模擬與實際測量值對比(工況17)

3.2 地表沉降模擬分析

圖9為基坑開挖在6個不同的工況下距離基坑邊緣不同距離的沉降曲線，可見，基坑地表沉降的影響范圍為基坑開挖深度的2～3倍，在本基坑影響范圍為70 m左右(為基坑深度的2倍)，從施工過程上來看，在開挖的初期，基坑附近地表的沉降量變化并不明顯，開挖中后期地表沉降量隨著基坑開挖加深而增加。從單一曲線來看，初期(工況1、4)沉降量隨距離線性減小呈現(xiàn)出三角形，開挖到1/2深度(工況7～17)處的沉降曲線開始時增大，在約20 m處達到最大值后開始減小，最后在距離基坑邊緣70 m后沉降值幾乎減小為0，此時地表沉降表現(xiàn)為類似正態(tài)分布曲線。且土體的沉降最大值并沒有在最靠近基坑側(cè)出現(xiàn)，這是由于靠近基坑附近的樁錨結(jié)構(gòu)增加了土體與樁體摩擦，減少土體擾動，而隨著遠離基坑邊緣基坑開挖對土體的影響越小，土體沉降值逐漸降低為0。

綜上所述，地表沉降主要變化范圍為距離基坑10～50 m，在施工過程中應加強對此范圍內(nèi)的監(jiān)測，以及時反映變化情況，保證施工的安全進行。此外，為了分析基坑的變形規(guī)律，根據(jù)如圖10兩種常用的經(jīng)典理論公式計算地表沉降[16]，在工程實際中，應該根據(jù)具體情況來選擇不同的計算理論才能符合地表沉降的實際曲線，本基坑在理論計算中使用了三角形曲線以及綜合正態(tài)分布曲線進行對比。

圖9 不同工況下基坑邊緣地表沉降

圖10 地表沉降計算示意圖

圖11為在工況17條件下用地表沉降兩種理論計算、模擬結(jié)果、實測情況三者對比，可見，在三角形沉降理論計算中最大沉降值在基坑邊緣處，大小為48 mm，在距離基坑邊緣約40 m處時幾乎無沉降變化，而在綜合正態(tài)分布理論計算結(jié)果中最大沉降量為30.1 mm，位于距離基坑邊緣5 m處，曲線整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，三者情況進行對比，顯然綜合正態(tài)分布曲線更加符合模擬與監(jiān)測情況。在綜合正態(tài)分布理論計算得出最大沉降量為16.61 mm，位于距離基坑邊緣5 m處，在數(shù)值模擬中，最大沉降量為27.31 mm，位于距離基坑邊緣20 m處。但它們最大沉降的出現(xiàn)位置不同，這是因為在理論計算中沒有考慮到錨索的錨固作用，但對比三者的變化規(guī)律相似可以表明在砂質(zhì)泥巖深基坑更適合使用綜合正態(tài)分布理論對最終基坑沉降值進行估算以及基坑模擬分析所選取的模型與參數(shù)基本合理，能夠反映實際基坑邊緣地表沉降大致趨勢。同時，地表沉降量大小變化均在《建筑基坑監(jiān)測技術規(guī)范》[15]中的安全范圍(25～35 mm)內(nèi)，證明支護方案安全合理。

圖11 基坑沉降理論計算與模擬計算對比

3.3 錨索受力分析

當基坑開挖到最底部時(工況17)，模擬分析基坑錨索軸力圖如圖12所示，因每排錨索設計軸力相同，變化趨勢一致且篇幅有限，選取第1排錨索軸力作曲線進行說明分析，在錨索端頭處錨索的軸力最大為989.86 kN，隨后逐漸減小，在距離端頭14 m位置處錨索軸力下降為494.98 kN，軸力下降約50%，最后從距離端頭14 m之后到錨索端尾處軸力逐漸趨于0。

圖12 數(shù)值模擬錨索軸力圖

為了更好地研究錨索的受力情況，本文加入了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線進行分析，采用振弦式錨索測力計布置到錨索上進行測量。圖13為第1排錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比曲線。可見，在模擬與實際監(jiān)測中錨索軸力總體呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在工況1～3中上升，這是由于開挖前期各工況土體使土壓力變大從而導致錨索應力增加，在距離錨索工況4(距離第1排錨索約15 m)開挖施工影響逐漸減小，且由于預應力損失而減小最后趨于平穩(wěn)，從兩者對比可見雖數(shù)值大小有一定差異，但總體曲線的變化趨勢一致，都反映了錨索軸力在基坑施工前期變化較大，但損失量較小，軸力值仍處于規(guī)定警戒值787.2 kN內(nèi)，錨索結(jié)構(gòu)受力正常處于安全狀態(tài)。綜上所述，在砂質(zhì)泥巖深基坑錨索支護過程中施工人員要著重做好錨索安裝完成到開挖15 m時間段的監(jiān)測工作，確保錨索結(jié)構(gòu)的正常工作。

圖13 第1排錨索軸力變化對比

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測與理論計算相結(jié)合的方法，對重慶市蘭花湖地下停車場明挖深基坑進行了對比驗證分析，得出以下主要結(jié)論：

1)由于周圍環(huán)境較為復雜，基坑施工中的數(shù)值模擬圍護樁水平位移、地表沉降以及錨索軸力結(jié)果與實際監(jiān)測存在一定的誤差，但曲線趨勢一致，這表明數(shù)值模擬在一定程度上能夠反映實際砂質(zhì)泥巖基坑施工的情況。

2)砂質(zhì)泥巖深基坑水平位移變形主要有兩種形態(tài)特征：第一種是水平位移隨著深度線性減小，呈顯出三角形，這種特征出現(xiàn)在基坑開挖的初期；第二種是水平位移隨深度的增加而增加達到最大值后再逐漸減小，呈現(xiàn)出拋物線形，這種特征顯現(xiàn)在開挖深度達到基坑深度1/2到開挖結(jié)束后期。

3)隨著砂質(zhì)泥巖深基坑的不斷向下開挖，基坑邊緣地表沉降逐漸增加，而隨著開挖深度的增加砂質(zhì)泥巖深基坑沉降曲線轉(zhuǎn)變?yōu)檎龖B(tài)分布曲線，基坑開挖的影響范圍為距離基坑邊緣0～50 m，在基坑施工時應加強對10～50 m范圍內(nèi)的地表沉降位移監(jiān)測。

4)在樁錨支護中錨索端頭處軸力最大，在錨索自由段中軸力逐漸減少約50%，到達錨固段后錨索中的軸力迅速下降，最后軸力逐漸趨于0。錨索軸力在砂質(zhì)泥巖深基坑施工前期變化較為明顯，距離錨索位置15 m后的開挖對錨索軸力影響較小，錨索軸力趨于穩(wěn)定。在實際工程錨索安裝完成后，應加強前期的監(jiān)測，確保錨索結(jié)構(gòu)正常。