柏 挺，陳仕洋，李文翔

(1.廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站， 廣西 南寧 530022；2.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳保障處， 廣西 南寧 530028；3.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳設(shè)計(jì)處， 廣西 南寧 530028)

框架逆作與順作超大深基坑變形特性對(duì)比研究

柏 挺1，陳仕洋2，李文翔3

(1.廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站， 廣西 南寧 530022；2.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳保障處， 廣西 南寧 530028；3.廣西住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳設(shè)計(jì)處， 廣西 南寧 530028)

框架逆作法；三維有限元分析；變形特性

深基坑工程既涉及到土力學(xué)的強(qiáng)度、變形與穩(wěn)定性問(wèn)題，又涉及到土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用問(wèn)題。隨著基坑的深、大化，對(duì)基坑自身和基坑周邊環(huán)境的安全性提出了挑戰(zhàn)，對(duì)基坑的基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)也提出了更高的要求[1]。合理的基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)從多方面考慮，而基坑的變形預(yù)測(cè)分析一直是變形控制的基坑設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容之一[2-3]。準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)基坑的變形，預(yù)測(cè)其對(duì)周圍環(huán)境的影響，有利于對(duì)基坑的支護(hù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷地優(yōu)化，進(jìn)而將基坑周圍土體變形限制在允許范圍內(nèi)，確?；又車?構(gòu))筑物、地下管線等設(shè)施的正常運(yùn)營(yíng)。

超大面積深基坑工程目前常用的施工方案主要有常規(guī)順作法和傳統(tǒng)逆作法(即樓板逆作法)[4]。常規(guī)順作法施工超大面積深基坑，需要設(shè)置大量的臨時(shí)支撐，造成了資源的浪費(fèi)，不符合當(dāng)前社會(huì)節(jié)能環(huán)保的主題，而且支撐整體剛度小的特點(diǎn)決定了其控制變形的能力相對(duì)較弱[5]。針對(duì)傳統(tǒng)施工方法存在的問(wèn)題和缺點(diǎn)，近年來(lái)在上海深基坑工程實(shí)踐中，發(fā)展出一種與傳統(tǒng)逆作法不同的新型半逆作法技術(shù)——框架逆作法?？蚣苣孀鞣ńY(jié)合了順作法和逆作法的施工優(yōu)點(diǎn)，僅需先澆筑框架梁，樓板待土方開(kāi)挖完成后再澆筑，既加快了土體開(kāi)挖和支撐安裝速度，又滿足了支撐體系的剛度要求[6]。

傳統(tǒng)的解析方法[1]在理論上都存在各自的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元法作為一種高效結(jié)構(gòu)分析方法，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)值分析方法已經(jīng)變成了深基坑工程最有效的分析手段之一[7]?？蚣苣孀鞣ㄊ┕さ纳罨泳哂袕?fù)雜的支護(hù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖過(guò)程是一個(gè)土與結(jié)構(gòu)共同作用的三維問(wèn)題。因此，對(duì)于不規(guī)則形狀的基坑，建立三維有限元模型進(jìn)行模擬分析是很有必要的。

徐中華等[8]研究總結(jié)了各種土體模型在基坑工程分析中的適用性，綜合文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果可見(jiàn)，彈性模型并不適合用于基坑開(kāi)挖的分析，因?yàn)閺椥阅Ｐ筒荒芊从惩馏w的塑性性質(zhì)。小應(yīng)變模型雖然可以體現(xiàn)土體更復(fù)雜的一些性質(zhì)[10]，但該模型的試驗(yàn)參數(shù)較多，部分參數(shù)很難確定，這大大降低了它的適用性。

1 工程概況

1.1 基坑和周邊環(huán)境概況

背景工程基坑長(zhǎng)、寬分別為251 m和189 m，基坑總面積約46 240 m2，屬超大型深基坑?；?xùn)|側(cè)地下室距離23紅線約5.6 m，紅線外是寬約20 m的錦康路，道路對(duì)面為香梅花園，地下室外墻距離香梅花園建筑物(樁基)在30 m以上。南側(cè)地下室距離紅線約5.2 m，地下室外墻距離酒店主樓約35.1 m，這些建筑物均為純樁基礎(chǔ)，分界線附近無(wú)地下管線。西側(cè)地下室距離紅線約5.5 m，紅線外是寬約15 m的城市綠化帶，綠化帶外是寬約60 m的楊高南路；北側(cè)地下室距離紅線約5.1 m，紅線外是寬約10 m的城市綠化帶，綠化帶外是寬約40 m的花木路?？偟膩?lái)說(shuō)，基地周邊環(huán)境條件十分復(fù)雜，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求較高，其與周圍環(huán)境的平面關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 建筑平面圖

1.2 水文地質(zhì)情況與土體本構(gòu)模型

Hardening-Soil模型是一個(gè)高級(jí)本構(gòu)模型(簡(jiǎn)稱HS模型)，可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體力學(xué)行為[11]。HS模型考慮了土體剛度的應(yīng)力依賴性，并使用三個(gè)剛度(割線模量E50、回彈模量Eur及壓縮模量Eoed)來(lái)描述土體特性，不僅能區(qū)別土體加載與卸載，還考慮了軟黏土的應(yīng)變硬化特征，且其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，給出的墻體變形及墻后土體變形情況也較為合理[12]，HS模型具有以下物理力學(xué)性質(zhì)：在主偏量加載下，土體的剛度下降，并產(chǎn)生了不可逆的塑性應(yīng)變；在三軸排水試驗(yàn)中，軸向應(yīng)變和偏應(yīng)力的關(guān)系可以近似地用雙曲線來(lái)描述[13-14]。土體硬化分為剪切硬化與壓縮硬化，當(dāng)土體的塑性應(yīng)變是由初始偏應(yīng)力產(chǎn)生時(shí)，用剪切硬化進(jìn)行模擬。當(dāng)土體的塑性應(yīng)變是由靜水壓力產(chǎn)生時(shí)，用壓縮硬化進(jìn)行模擬。使用HS模型可以分別分析這兩種硬化條件，因此本文數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型選用HS模型。

本基坑地下水靜止水位深度約為1.30 m，基坑開(kāi)挖深度一般為13.5 m～15.0 m，局部深度達(dá)到20.5 m，應(yīng)驗(yàn)算基坑底部的穩(wěn)定性。各土層的物理力學(xué)參數(shù)以及土體模型相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土的物理力學(xué)指標(biāo)及模型計(jì)算參數(shù)

2 基坑的三維數(shù)值模型建立

根據(jù)工程概況可知，本工程實(shí)例屬于較規(guī)則的基坑形狀，支護(hù)結(jié)構(gòu)近似對(duì)稱，為方便建模并節(jié)約計(jì)算資源，本文分析過(guò)程中在原基坑的東南角方位取1/4開(kāi)挖平面，建立1/4對(duì)稱區(qū)塊模型。計(jì)算模型范圍為260 m×210 m×90 m，其中開(kāi)挖區(qū)域的長(zhǎng)、寬和挖深分別為146.0 m、108.0 m和13.6 m。本文計(jì)算模型基坑邊緣到邊界的距離均大于最大開(kāi)挖深度的7倍，基坑深度方向取90 m，以盡量減小模型邊界條件對(duì)基坑變形的影響。水平支撐形式采用全框架梁形式，三維數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 基本分析模型

3 不同方案基坑變形對(duì)比

3.1 圍護(hù)墻體變形比較

圖3為不同開(kāi)挖方案基坑中心對(duì)稱面上各開(kāi)挖階段下圍護(hù)墻最大側(cè)移對(duì)比情況，由圖3可以看出三者圍護(hù)墻的變形形態(tài)基本一致，最大位移均處于開(kāi)挖面的附近?；娱_(kāi)挖至底時(shí)，三者墻體最大位移對(duì)比關(guān)系為：順作法(53.8 mm)>框架逆作法(39.3 mm)>全逆作法(34.3 mm)。另外，由于順作法需要拆除臨時(shí)支撐，造成二次變形達(dá)6 mm左右，順作法最終墻體變形為59.5 mm。

由于支撐剛度較小，順作法施工的基坑圍護(hù)墻的頂端和底端位移也要遠(yuǎn)大于其他兩種方法。在墻體最大位移位置方面，基坑開(kāi)挖至底時(shí)：順作法施工的基坑圍護(hù)墻最大位移位于墻體的-13.6 m處，拆除臨時(shí)支撐后，由于支撐的位置發(fā)生改變，圍護(hù)墻最大位移出現(xiàn)在墻體的-12.8 m處；框架逆作法施工的基坑圍護(hù)墻體最大位移發(fā)生位置為墻體的-13.6 m處；全逆作法施工的基坑圍護(hù)墻體最大位移發(fā)生位置為墻體的-14.1 m處。這是因?yàn)轫樧鞣ㄊ┕せ?，拆除支撐后，支撐位置上移，?dǎo)致墻體最大位移上移，而全逆作法相比框架逆作法，支撐位置不變，但支撐剛度加大，導(dǎo)致墻體最大位移位置下移。這說(shuō)明三種施工方法因?yàn)橹蝿偠群椭挝恢玫母淖儯畲笪灰坪妥畲笪灰瓢l(fā)生位置也相應(yīng)的發(fā)生改變，其中，全逆作法墻體位移最小，僅為開(kāi)挖深度的0.25%，最大位移位置最靠下，位于-14.1 m處；順作法墻體位移最大，為開(kāi)挖深度的0.39%，最大位移位置最靠上，位于-12.8 m處。

圖3 不同開(kāi)挖方法圍護(hù)墻側(cè)移對(duì)比

3.2 墻后地表沉降比較

圖4為不同施工方案基坑中心對(duì)稱面上各開(kāi)挖階段下墻后地表沉降對(duì)比情況。由圖4可以看出三者地表沉降形態(tài)基本相似，與圍護(hù)墻體的位移相對(duì)應(yīng)。基坑開(kāi)挖至底時(shí)，三者最大地表沉降對(duì)比關(guān)系為：順作法(27.8 mm)>框架逆作法(14.9 mm)>全逆作法(13.2 mm)。另外，由拆除臨時(shí)支撐造成二次沉降達(dá)4 mm左右，順作法最終地表沉降為32.0 mm。因?yàn)橹蝿偠容^小，順作法施工的基坑靠近墻體的沉降也要遠(yuǎn)大于其他兩種方法。地表沉降最大位置方面，基坑開(kāi)挖至底時(shí)：順作法施工的基坑地表最大沉降位于墻體的-10 m處，拆除臨時(shí)支撐后，最大地表沉降位置并未發(fā)生明顯變化；框架逆作法施工的基坑和全逆作法施工的基坑最大地表沉降發(fā)生位置位于墻后-12 m處。三種施工方法墻后地表沉降因水平支撐剛度的改變而改變，水平支撐剛度越小，靠墻處土體沉降和墻后最大沉降越大，而最大沉降發(fā)生位置越靠近圍護(hù)墻。

圖4 不同開(kāi)挖方法截面處墻后地表沉降對(duì)比

3.3 二次變形

圖5為不同施工方法圍護(hù)墻二次變形對(duì)比，具體圍護(hù)墻位置如圖右上角所示。由圖5可看出，順作法基坑拆除臨時(shí)起的墻體位移分別為3.9 mm和1.6 mm，而拆除第一道支撐時(shí)墻體最大位移增大0.2 mm，幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，這是因?yàn)榛拥耐翂毫τ傻?道和第2道支撐承擔(dān)大部分，圍護(hù)墻變形增長(zhǎng)主要集中在開(kāi)挖面以下較深的位置，因此拆除第一道支撐對(duì)基坑總變形影響并不大。

圖5 不同施工方法圍護(hù)墻二次變形對(duì)比

由于背景工程采用的是框架梁結(jié)合臨時(shí)圓環(huán)支撐的支撐體系設(shè)計(jì)方案，因此這里對(duì)拆除臨時(shí)圓環(huán)支撐造成的二次變形也進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)拆除臨時(shí)圓環(huán)支撐后，圓環(huán)區(qū)域的墻體變形總體上略有增大，但不超過(guò)1.5 mm，非圓環(huán)區(qū)域由于樓板或框架梁的支撐剛度足夠大，墻體變形基本不變。

另外，通過(guò)不同臨時(shí)支撐的水平剛度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基坑開(kāi)挖至底時(shí)臨時(shí)水平支撐剛度越大，墻體最大位移明顯越小，但拆撐后墻體二次變形量卻越大。這說(shuō)明二次變形與水平支撐剛度大小有關(guān)。另一方面，即使臨時(shí)支撐水平剛度已經(jīng)較小，至坑底時(shí)墻體已經(jīng)發(fā)生較大變形，但拆撐后依然存在一定量的二次變形，這部分的變形主要是由水平支撐位置改變?cè)斐傻?，且伴隨水平支撐位置的上移，最大位移發(fā)生位置也同時(shí)上移，不同支撐剛度下順作基坑圍護(hù)墻最大位移發(fā)生位置基本一致。

綜上，順作基坑的二次變形主要是由于支撐位置的調(diào)整造成的，其大小與臨時(shí)支撐與主體結(jié)構(gòu)梁板的間距以及臨時(shí)支撐水平剛度大小有關(guān)，間距越大，二次變形越大，臨時(shí)水平支撐剛度越大，二次變形越大。

4 結(jié) 論

(1) 順作法、全逆作法和框架逆作法因?yàn)橹蝿偠群椭挝恢玫母淖?，最大位移和最大位移發(fā)生位置也相應(yīng)發(fā)生改變。其中，全逆作法墻體側(cè)移最小，最大位移位置最靠下；順作法墻體位移最大，為最大位移位置最靠上?；娱_(kāi)挖至底時(shí)，順作法基坑墻體最大側(cè)移量要大于框架作法和全逆作法基坑。全逆作法基坑與框架逆作法基坑變形規(guī)律相似，相應(yīng)的側(cè)移量比框架逆作法基坑略小。

(2) 順作法施工的基坑靠近墻體的沉降也要遠(yuǎn)大于全逆作法和框架逆作法。三種施工方法墻后地表沉降因水平支撐剛度的改變而改變，水平支撐剛度越小，靠墻處土體沉降和墻后最大沉降越大，而最大沉降發(fā)生位置越靠近圍護(hù)墻。

(3) 順作法基坑拆除臨時(shí)支撐引起圍護(hù)墻體發(fā)生6 mm左右的二次變形，其中拆除第3道支撐、第2道支撐時(shí)引起的墻體位移分別為3.9 mm和1.6 mm，而拆除第一道支撐時(shí)對(duì)墻體最大位移影響較??；另外順作基坑的二次變形主要由支撐位置的改變引起的，其變形量的大小與水平支撐位置改變量以及臨時(shí)水平支撐剛度的大小有關(guān)。

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Contrastive Analysis of Deformation Characteristics of Excavations Constructed by Frame Top-down and Bottom-up Methods

BAI Ting1, CHEN Shiyang2, LI Wenxiang3

(1.ConstructionEngineeringQualitySupervisionHeadStationofGuangxi,Nanning,Guangxi530022,China;2.SecurityDepartmentoftheHousingandConstructionDepartmentofGuangxi,Nanning,Guangxi530028,China;3.DesignDepartmentoftheHousingandConstructionDepartmentofGuangxi,Nanning,Guangxi530028,China)

frame-top-down method; 3-D FEM; deformation characteristic

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.022

2017-01-20

2017-02-24

柏 挺(1984—)，男，河南信陽(yáng)人，博士，工程師，主要從事工程管理工作。E-mail:baitng1984@126.com

TU443

A

1672—1144(2017)02—0116—05