鄧學(xué)錚， 周　毅

(成都興蜀勘察基礎(chǔ)工程公司，四川成都 610000)

近幾年來(lái)，我國(guó)社會(huì)發(fā)展加快，城市的樓層越來(lái)越高，許多地區(qū)為了減小土地使用率、更大程度地減少環(huán)境破壞，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)[1]，在我國(guó)土地可利用率逐漸減小的條件下，由二維發(fā)展到三維成了許多城市建筑的發(fā)展趨勢(shì)，帶動(dòng)著建筑業(yè)向高層次、大深度的方向發(fā)展，因此，城市的深基坑工程逐漸增多。

深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境的影響隨著開(kāi)挖深度的增加愈來(lái)愈嚴(yán)重，而且場(chǎng)地條件的限制也使很大部分的基坑的施工不能采用放坡開(kāi)挖，因?yàn)樯罨庸こ痰氖┕?chǎng)地大多位于市中心；另外，由于許多交通要道往往存在于深基坑工程附近，所以如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了安全事故，將會(huì)帶來(lái)很嚴(yán)重的后果[2]。所以應(yīng)特別注意基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)造成基坑側(cè)壁變形失穩(wěn)。

目前，我國(guó)在基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了很大成就。其中雙排樁發(fā)展迅速，我國(guó)開(kāi)始于20世紀(jì)90年代中期，作為一種空間門(mén)式結(jié)構(gòu)體系的超靜定結(jié)構(gòu)，其具有適應(yīng)多變的復(fù)雜的外荷載能力，側(cè)向剛度有長(zhǎng)足的提高，可以使基坑側(cè)向與深度變形得到有效控制。2006年，王旭[3]應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)雙排樁的受力情況進(jìn)行了二維模擬分析。2008年聶慶科[4]等，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中的空間效應(yīng)，結(jié)合工程背景，對(duì)雙排樁的樁頂變形、樁身彎矩、樁身深層位移以及土壓力變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。伴隨著科技的發(fā)展，理論與實(shí)踐的結(jié)合緊密，研究方法水平的逐步提高，研究方法由原始的極限平衡法到彈性地基梁法[5]，再到現(xiàn)今的有限元分析的數(shù)值模擬方法，近十幾年得到了高速的發(fā)展，充分表明雙排樁支護(hù)形式在現(xiàn)今實(shí)際工程中具有很明顯的實(shí)用性。

本文以成都城市音樂(lè)廳深基坑支護(hù)項(xiàng)目工程實(shí)際背景為依托，運(yùn)用FLAC3D結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，根據(jù)具體工程施工工序進(jìn)行對(duì)應(yīng)的模擬計(jì)算，并結(jié)合實(shí)測(cè)分析研究了雙排樁—錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在成都地區(qū)應(yīng)用的受力機(jī)理、變形特征，影響因素。研究雙排樁-錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在成都地區(qū)基坑支護(hù)中的實(shí)際工程價(jià)值。

1　工程概況

擬建場(chǎng)地位于成都市武侯區(qū)一環(huán)路南一段和民主路交匯處，場(chǎng)地南側(cè)為一環(huán)路南一段，交通便利，區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。

1.1　工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地上覆第四系人工填土(Q4ml)，其下由第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)成因的粉質(zhì)黏土、中砂及卵石組成，下伏白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖(K2g)，場(chǎng)地地貌單元屬岷江水系Ⅰ級(jí)階地。工程地質(zhì)條件如表1所示。

表1　現(xiàn)場(chǎng)土層物理性質(zhì)及厚度

1.2　水文地質(zhì)條件

該工程經(jīng)勘探得知上部分由上層滯水、孔隙水以及基巖裂隙水三種構(gòu)成。位于強(qiáng)風(fēng)化基巖內(nèi)的裂隙水涌水較小，基巖的滲透性能較差，屬于透水性能較弱的巖層，對(duì)基坑的設(shè)計(jì)以及施工整體上沒(méi)有影響，可能會(huì)在施工灌注樁期間造成影響。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)報(bào)告及相關(guān)資料，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及類似工程的降水設(shè)計(jì)，采用降水井在基坑整個(gè)施工期間降水，在工程期間可以假定基坑不受地下水位變化的影響。

1.3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了能夠準(zhǔn)確有效地采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，取基坑周圍2倍的基坑開(kāi)挖深度的范圍對(duì)本基坑進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)。本工程監(jiān)控量測(cè)平面圖如圖1。

圖1　監(jiān)控測(cè)量平面布置

1.4支護(hù)方案

本文以雙排樁為具體分析對(duì)象，這部分用的是雙排樁+錨索的復(fù)合支護(hù)形式。樁長(zhǎng)為26.4 m，嵌固深度5.6 m，錨索和樁之間的距均為2.5 m，樁徑1.0 m，上下共四道錨索，采用C30商品混凝土，冠梁尺寸為1.0 m×0.6 m。本段的支護(hù)方案剖面如圖2所示。

圖2　雙排樁結(jié)構(gòu)

2　監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)工作從2016年10月28號(hào)至2017年3月10號(hào)。歷時(shí)120 d左右。

2.1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

本文主要以雙排樁為主要研究對(duì)象，據(jù)此本文主要分析：樁頂位移、錨索軸力和樁體位移?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3、圖4。

圖3　樁頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖4　測(cè)斜監(jiān)測(cè)

2.2　樁頂水平位移

在雙排樁邊選取7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2～S8(圖1)為主要研究對(duì)象，圖5為選取雙排樁在基坑開(kāi)挖過(guò)程中樁頂水平位移的變化情況。規(guī)定：這里正數(shù)說(shuō)明往基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生位移，負(fù)數(shù)說(shuō)明向基坑外側(cè)發(fā)生位移。

圖5　基坑樁頂水平位移-時(shí)間變化曲線

如圖5可知：測(cè)點(diǎn)S2、S3、S7、S8由于位于基坑的邊緣，受兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制作用，樁頂位移相對(duì)較??；測(cè)點(diǎn)S4、S5、S6的位移在基坑開(kāi)挖的初期迅速增長(zhǎng)，伴隨后期錨索的施工，后期位移變化趨于一定的穩(wěn)定。從圖5看出，樁頂水平位移測(cè)量均小于25 mm，未達(dá)到預(yù)警值，說(shuō)明整個(gè)施工過(guò)程中，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

2.3　圍護(hù)樁樁身變形

采用滑動(dòng)測(cè)斜儀來(lái)監(jiān)測(cè)樁體的水平位移，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)時(shí)每隔0.5 m測(cè)量一次，針對(duì)各節(jié)點(diǎn)，前、后排樁的樁體水平位移曲線如下所示，這里正數(shù)說(shuō)明往基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生偏移，負(fù)數(shù)說(shuō)明向基坑外側(cè)發(fā)生偏移(圖6、圖7)。

(a)前排樁位移　　　 (b)后排樁位移圖6　樁體水平位移

圖7　基底時(shí)前、后排樁的水平位移對(duì)比

分析圖6、圖7可以得出：隨著基坑開(kāi)挖深度的進(jìn)行，樁體位移逐漸變大，開(kāi)挖初期位移增速相對(duì)較緩，后期隨著開(kāi)挖深度的增加，位移增長(zhǎng)速率增大，挖至基底時(shí)前排樁在-14.0 m處發(fā)生最大位移17.37 mm,后排樁在-12.0 m位置處發(fā)生最大位移14.50 mm,后排樁位移變形量相對(duì)前排樁較小，可以看出在排樁支護(hù)體系中前排樁發(fā)揮主要作用。前后排樁身變形大致保持一致，說(shuō)明前后排樁在冠梁以及錨索的共同作用下發(fā)揮了很好的整體作用。

2.4　錨索軸力

分析圖8可得，錨索在布設(shè)不久軸力出現(xiàn)明顯的減小，損失量達(dá)8 %左右。初期錨索材料預(yù)應(yīng)力的損失可能由于錨索錨固段接觸不完全，腰梁段張拉角度不到位引起。在錨索應(yīng)力損失一段時(shí)間后，錨索軸力逐漸變大，是由于基坑深度的加大導(dǎo)致樁體變形增加。錨索軸力在第三道和第四道錨索處軸力達(dá)到最大，基坑偏移相對(duì)較大。后期隨著錨索與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，錨索軸力趨于穩(wěn)定并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖8　錨索軸力隨時(shí)間變化

3　數(shù)值模擬分析

3.1　音樂(lè)廳基坑開(kāi)挖FLAC3D模型建立

基坑工程的豎向影響的范圍大致為坑寬度的3到4倍，橫向影響范圍大致為坑寬的2到3倍[6]，本次基坑模型的大小為：440.0 m×263.0 m×62.0 m(圖9)。整個(gè)基坑支護(hù)體系結(jié)構(gòu)單元如圖10所示。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體狀況對(duì)該模型設(shè)置邊界條件，模型上下邊界就x方向設(shè)置水平約束，模型底部設(shè)置豎向約束，基坑頂部不設(shè)置約束條件，假定為自由邊界條件[7]。充分考慮影響范圍的模型共計(jì)42 770個(gè)單元，47 740個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

圖9　模型幾何單元網(wǎng)格

圖10　模型支護(hù)結(jié)構(gòu)單元體系

3.2　模擬工況開(kāi)挖

隨基坑開(kāi)挖深度的增加模型的Y方向整體位移云圖如圖11～圖15。

圖11　節(jié)點(diǎn)一y方向位移云圖

圖12　節(jié)點(diǎn)二y方向位移云圖

圖13　節(jié)點(diǎn)三y方向位移云圖

圖14　節(jié)點(diǎn)四y方向位移云圖

圖15　節(jié)點(diǎn)五y方向位移云圖

從圖11～圖15可以看出，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，基坑兩側(cè)土體向基坑開(kāi)挖側(cè)偏移，隨開(kāi)挖深度的增大，偏移量隨之增大?；又胁扛浇灰谱畲?，往兩側(cè)逐漸減小，基坑邊角處相鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上限制了基坑土體的整體位移?，F(xiàn)場(chǎng)資料表明，在開(kāi)挖過(guò)程中雙排樁側(cè)樁頂水平位移在該中部最大。對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合，證明本次模擬效果較好，精度達(dá)到要求。由上分析得出在以后基坑設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)樁體位于基坑位置的不同，在基坑中部可以適當(dāng)增加樁徑，樁體的剛度以及嵌入深度，在基坑兩側(cè)邊角處可以適當(dāng)減小樁徑、樁體剛度以及嵌入深度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

3.3　支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移

支護(hù)樁水平位移隨深度變化曲線模擬結(jié)果如圖16和17所示。

(a) 前排樁水平位移 　(b)后排樁水平位移圖16　樁體水平位移

圖17　基底時(shí)前、后排樁的水平位移對(duì)比

(1)基坑在每個(gè)節(jié)點(diǎn)，前后排樁樁頂水平位移的變化基本保持一致，隨深度的增大變化值隨之增大。說(shuō)明排樁在一定程度上構(gòu)成一個(gè)整體，連接前后排樁的連梁發(fā)揮了重要的作用。

(2)對(duì)比不同節(jié)點(diǎn)的深度水平偏移值得出：隨著節(jié)點(diǎn)的依次完成，前排樁身的偏移最大處隨基坑深度增加緩慢向下移動(dòng)，待施工至基坑底部時(shí)最大位移約發(fā)生在開(kāi)挖-14.0 m處；這種情況的發(fā)生由于作用在樁體上的冠梁、錨索、腰梁以及樁身嵌固泥巖的共同作用，這很好的限制了基坑樁身的變形。

(3)后排樁身位移變形最大處位于樁體中部附近，樁身位移相對(duì)前排樁稍小，說(shuō)明在排樁支護(hù)體系中前排樁發(fā)揮主要作用。

(4)后排樁變化速率小于前排樁，表明前排樁在支護(hù)期間比后排樁會(huì)更早發(fā)揮支護(hù)作用。

(5)挖至坑底時(shí)，嵌固在泥巖內(nèi)前后排樁的底部都發(fā)生了一定程度的偏移，整體變化量較小，這說(shuō)明前后排樁在基坑支護(hù)時(shí)設(shè)計(jì)合理，并沒(méi)有由于深度的緣由導(dǎo)致基坑底部產(chǎn)生大變形甚至失衡。

通過(guò)圖18可以得到，前排樁身的最大偏移位置位于樁身裸露深度的2/3處，變形值分別為15.68 mm、17.37 mm，樁身裸露部分相對(duì)嵌固部分整體變形較大。后排樁身的最大位移大致位于樁身中部位置，變形值分別為12.62 mm、14.27 mm，樁身變形呈現(xiàn)出裸露部分相對(duì)較大，嵌固部分相對(duì)較小，表明基底的泥巖很好的限制了樁底的變形。前后排樁在施工期間變形趨勢(shì)大體保持一致，說(shuō)明前后排樁在整個(gè)基坑施工過(guò)程中，發(fā)揮了很好的協(xié)同作用。前排樁變形相對(duì)后排樁變形較大，說(shuō)明前排樁相對(duì)于后排樁在整個(gè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中更大程度的分擔(dān)了基坑的變形，后排樁發(fā)揮了很好的限制協(xié)調(diào)作用。

圖18　樁身位移對(duì)比

3.4　樁頂位移

從上圖19可以得出：整體而言，樁位移隨開(kāi)挖深度變大而逐漸增大；開(kāi)挖初期整體位移變化速率較大，但整體仍在控制范圍內(nèi)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，位移增速減緩；后期趨于穩(wěn)定，最大達(dá)14.12 mm。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果在趨勢(shì)曲線基本保持大致相同，但在實(shí)際工程中受天氣及施工各節(jié)點(diǎn)的調(diào)整，使得實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果出現(xiàn)不同，整體模擬值小于實(shí)測(cè)值。但整體趨勢(shì)大致相同，證明該基坑開(kāi)挖期間參數(shù)、結(jié)構(gòu)、計(jì)算方法選取是合理的，數(shù)值模擬在一定程度上體現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

圖19　樁頂水平位移變化曲線

3.5　錨索軸力

從圖20可看出隨著基坑深度的增加土體的移動(dòng)導(dǎo)致錨索軸力增大，錨索軸力都會(huì)伴隨著后序錨索的布設(shè)出現(xiàn)輕微下降，這是因?yàn)楹笮蝈^索與前面錨索共同承擔(dān)了一部分土體壓力，最終趨于穩(wěn)定。模擬錨索軸力值結(jié)果略小于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果，整體變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明數(shù)值模擬對(duì)基坑工程具有一定的指導(dǎo)意義。

圖20　預(yù)應(yīng)力錨索軸力變化曲線

4　結(jié)論與建議

本文結(jié)合成都城市音樂(lè)廳深基坑支護(hù)項(xiàng)目，通過(guò)應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行分析，探討了基坑位移、樁頂位移及樁身深度水平位移隨基坑開(kāi)挖的變形情況，主要結(jié)論總結(jié)如下：

(1)基坑樁頂位移在基坑開(kāi)挖伊始變形量相對(duì)較大，隨著深度的增加，錨索與腰梁的布設(shè)，變形速率減緩。伴隨基坑深度的加深，樁頂位移逐漸加大，伴隨著后期錨索的施工，出現(xiàn)輕微的波動(dòng)，至開(kāi)挖至基坑底部時(shí)位移趨于穩(wěn)定。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移整體隨著深度增加而增大，在開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度時(shí)前后排樁位移均達(dá)到最大值，前排樁位移最大分別為15.68 mm、17.37 mm，經(jīng)對(duì)比分析的：前排樁的發(fā)生偏移的最大部位位于開(kāi)挖深度約為-13.5 m左右處，后排樁的樁體位移最大值12.62 mm、14.27 mm，出現(xiàn)在樁頂位置下-13.0 m左右處。在開(kāi)挖初期，樁頂由于冠梁限制，初期位移量變化較小，隨著開(kāi)挖深度的增大，位移變化量逐漸增大。主要是因?yàn)殡S著分層開(kāi)挖深度增大，擋土結(jié)構(gòu)承受的土荷載增值不斷擴(kuò)大。在開(kāi)挖到基底時(shí)前后排樁整體位移對(duì)比分析看出，前后排樁的變形趨勢(shì)大致保持一致，聯(lián)系前后排樁的連梁發(fā)揮了顯著的變形協(xié)調(diào)作用。前后排樁的轉(zhuǎn)身偏移量差值在-14.0 m左右處達(dá)到最大。

(3)深基坑開(kāi)挖三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)差異在允許范圍內(nèi)。利用三維數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)深基坑開(kāi)挖進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算是可行的，可靠性較高。在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可適當(dāng)參考數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得更高經(jīng)濟(jì)效益。

(4)成都城市音樂(lè)廳深基坑工程采用該支護(hù)方案取得了不錯(cuò)的效果，說(shuō)明了該方案具有可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)合理的特點(diǎn)，為以后類似的工程提供了一定的參考。