朱 琦， 李 帥， 魏東旭， 王貫國， 徐 毅， 鄭國勝

(山東省交通規(guī)劃設計院有限公司, 濟南 250000)

隨著高樓大廈不斷地拔地而起,對基坑穩(wěn)定性的要求也越來越高,而基坑支護是保證基坑穩(wěn)定的最重要手段。隨著中國基坑數(shù)量的不斷上升,在實踐中形成了比較豐富基坑支護的理論及技術方法。中外學者對各種基坑支護手段的特性進行了研究。張友春[1]、朱志華等[2]、楊生彬等[3]、吳伯建等[4]依托實體工程,結合當?shù)靥厥獾匦螚l件運用理論推導、現(xiàn)場監(jiān)測手段對基坑周圍水土壓力進行計算并對比不同支護方案的優(yōu)勢,針對不同地質條件的不同工程需求提出最優(yōu)的支護方案。蘇永波等[5]、吳西臣等[6]、仇步云等[7]、白志華等[8]為合理選擇支護施工方案,綜合考慮決策者對施工工藝、經(jīng)濟性、工期及對周圍環(huán)境的影響等不同要求,建立了深基坑支護評價目標體系,形成了較為滿意的支護方案,并結合實際案例對該方法進行了說明。Zeng等[9]、Ding等[10]結合地鐵深基坑工程,對深基坑的變形和應力特性、深層水平墻位移、支護軸力和地表變形進行了測量和比較。近年來,眾多學者利用的數(shù)值模擬方法對不同的基坑工程進行研究。彭社琴[11]、王松等[12]、吳志超等[13]應用有限差分析軟件FLAC3D并和現(xiàn)場監(jiān)測結果對比,研究了支護邊坡墻體力學與位移特點、支護形式選優(yōu)準則。朱翔[14]、閆愛田[15]運用數(shù)值模擬軟件ANSYS結合理論研究支撐結構和圍護結構可能產(chǎn)生的變形與破壞形式展開了有效的分析。涂芬芬[16]、李瑩[17]應用Midas GTS計算了某基坑分步開挖不同施工過程的受力特性,得到了不同狀態(tài)下深基坑支護結構的變形特征與規(guī)律。

中外學者在基坑支護上的研究已有大量成果,然而卻對基坑支護方案的選擇方法,深基坑內、外土體及構筑物受力與變形特征研究則相對較少,理論體系也并不完善。為此,以京滬高速改擴建工程3#鋼筋加工場基坑支護工程為依托,采用多目標層次分析與模糊綜合評判的方法優(yōu)選出比較合理的支護方案,并依據(jù)該方案對基坑施工過程進行現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬分析。研究了基坑表面及構筑物的位移規(guī)律,可為類似工程提供指導。

1 工程概況

1.1 基坑設計概況

京滬高速公路于1993年全線貫通,其中山東省萊蕪至臨沂段原設計方案為雙向四車道,后依托原路線進行改擴建。現(xiàn)需要為3#鋼筋加工廠的深基坑進行支護方案選擇及施工,廠區(qū)占地30萬m2,建筑高度約20 m,建筑工程類別為Ⅰ類?；觾葍舫叽鐬?6.5 m×16.1 m,基坑周長約65.2 m,坑深為11.1 m?；影踩燃墳槎?。在水壓基坑四周16 500 mm×16 100 mm的凈范圍內進行地坑支護設計并施工,同時絕對保證基坑施工期間不滲水、不漏水。

1.2 工程地質條件

工程各土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理參數(shù)

1.3 基坑支護設計方案初選

1.3.1 基坑支護常用結構

現(xiàn)階段中國常用的支護手段有鋼板樁、排樁、地下連續(xù)墻、土釘墻、錨桿支護組合式擋墻等。深基坑支護按作用機理可分成支護型、加固型兩種類型。支護型結構主要有地下連續(xù)墻、樁墻、排樁等；加固型結構主要有樹根樁、水泥攪拌樁、旋噴樁和注漿等。在實際工程中,通常將上述兩種支護方法結合應用。

1.3.2 基坑初步支護方案

工程中,防水是首要考慮的指標。故根據(jù)各支護形式的適用范圍及其特點,提出3個支護方案。

方案1：鉆孔樁+鋼筋混凝土內支撐+攪拌樁防滲幕墻。

方案2：上部1∶1放坡(高度2.5 m)+土釘支護,下部咬合樁+鋼筋混凝土內支撐。

方案3：地下連續(xù)墻。

2 基坑支護方案選型分析

2.1 基于層次分析法(AHP)的模糊評判法

為選擇最優(yōu)的支護形式方案,采用多目標層次分析和模糊綜合評判法。首先通過層次分析構建目標層次模型,以此尋找目標的最優(yōu)解,然后通過模糊數(shù)學理論對各個目標打分,選取最高分的目標為最優(yōu)方案。

2.1.1 層次分析法

層次分析結構即將所有影響目標的因素根據(jù)它們之間的聯(lián)系,分解成目標層、方案層和指標層。層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)的步驟如圖1所示。隨后通過表2所示的1～9標度法對各個影響因素打分后形成判斷矩陣。判斷矩陣如表3所示,表3是由大量工程實例取得的相關因素間的重要性排序。

圖1 AHP的步驟

表2 1～9標度法

表3 判斷矩陣A

在表3中,A為判斷矩陣,Bi為向量B的第i個元素,B=AW；W為權重；n為矩陣階數(shù)。根據(jù)最大特征根法將層次排序。通過式(1)、式(2)計算各指標權重。

(1)

(2)

(3)

式中：Mi為判斷矩陣各行元素的乘積；λmax為最大特征根。根據(jù)式(4)進行一次性檢驗,若不滿足,則需重新校核。其中一致性檢驗指標RI的取值如表4所示,CI為單位一致性檢驗指標。

(4)

CR=CI/RI<0.1，n≥3

(5)

表4 RI的取值

最后總排序一致性檢驗,假設上一層次有m個因素B1,B2,…,Bm,加權后為b1,b2,…,bm；下一層次有n個因素C1,C2,…,Cm,加權后為C1j,C2j,…,Cnj(k=1,2,…,n)(當Ck與Bj無關聯(lián)時,Ckj=0),其中k為檢驗指標次序；C層元素對最高層的層次總排序權值即為前兩個層次的乘積值。其中一致性檢驗按照式(6)。其中CR<0.1作為一致性檢驗的標準,如果不符合,則需重新調整直至通過為止。

(6)

2.1.2 模糊綜合性評判

建立各因素的權重集合,bm是元素m對目標的影響相對于其他因素的重要程度。它應滿足歸一化條件,由式(7)求出模糊集b。

b={b1,b2,…,bm}=aR

(7)

設評價主因素集和評語集同上不變,單因素的評判結果由各評判結果排列為

(8)

由向量a={a1,a2,…,an}作二級模糊變換,然后將結果做歸一化處理。

如果評語集的等級矩陣量化值為c={c1,c2,…,cm},則此方案的綜合評價值為W=bcT。所有方案中評價值最高的方案即為最優(yōu)方案。

2.2 分析過程

2.2.1 評價綜合指標體系的選取及權重的計算

此次選型首先以確定最優(yōu)基坑支護方案為目的,以此構建目標層A,然后分別選取U1、U2、U3、U44個指標因素,分別代表安全、經(jīng)濟、環(huán)境、施工,作為準則層B,最后按照每個指標中影響此指標的權重,將細化為指標層C。評價指標體系如圖2所示。

根據(jù)式(1)～式(6)、表2～表4計算指標影響因素權重a,結果如下。

a1=(0.251,0.114,0.07,0.041,0.041)，

a2=(0.158,0.104,0.032,0.016)，

a3=(0.023, 0.087,0.01)，

a=(0.517,0.31,0.12,0.053)。

圖2 深基坑支護工程方案評價指標體系

2.2.2 方案選優(yōu)

以方案1鉆孔樁+鋼筋混凝土內支撐+攪拌樁防滲幕墻為例。據(jù)表5方案1的模糊評判矩陣,采用加權平均型算子,計算如下。

表5 方案1模糊評判表

據(jù)表5列出方案1因素的模糊評判矩陣，各因素U1、U2、U3的模糊評判矩陣R′1、R′2、R′3分別為

得單因素評判結果矩陣R為

同理可得方案2(上部1∶1放坡+土釘支護,下部咬合樁+鋼筋混凝土內支撐)的綜合評分值Q2為1.88。方案3(地下連續(xù)墻)的綜合平均值Q3為1.53。

2.3 結果分析

對比結果Q2>Q1>Q3,Q2最大,最終選定方案2為本次基坑工程的最優(yōu)解,即選定部1∶1放坡+土釘支護,下部咬合樁+鋼筋混凝土內支撐。

3 基坑支護數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為探明上文施工方案對基坑的影響,用Midas-GTS建立有限元模型,分析上部1∶1放坡+土釘支護,下部咬合樁+鋼筋混凝土內支撐方案對基坑的力學及變形影響。采用Mohr-Coulom準則,結構面采用二維接觸模型——Goodman單元建立。根據(jù)現(xiàn)場情況,模型尺寸取58.8 m×57.8 m×35 m,整體模型和支護結構如圖3所示。模型上部邊界無約束,側邊施加水平約束,底部邊界施加固定水平約束和豎直約束。施加的荷載為自重荷載和建筑物均布荷載。

圖3 模型視圖

根據(jù)地質勘查報告,模型中土層材料參數(shù)如表6所示。各支護構筑物參數(shù)如表7所示。

表6 模型材料參數(shù)

表7 支護體系模型物理力學參數(shù)

3.2 工況模擬

基坑開挖的施工過程表現(xiàn)出連續(xù)化和動態(tài)化,GTS-NX通過激活和鈍化來模擬這一動態(tài)過程,通過激活和純化不同的土體和結構,來定義施工階段,數(shù)值模擬的具體工況如表8所示。

3.3 計算成果分析

3.3.1 坑外地表沉降分析

坑外地表沉降變化趨勢隨施工階段變化如圖4所示。圖4中正值代表地表隆起,負值代表地表沉降。隨著土體開挖和支護施工的進展,距基坑邊坡2 m范圍內的土體地表隆起量不斷減小,且減小速率逐漸增大。距基坑邊坡2～9 m范圍內,土體地表沉降量不斷增大。距基坑邊坡9 m范圍之外的土體沉降量基本不變。最終最大沉降量出現(xiàn)在距離基坑邊坡5 m的位置,沉降量為5.2 mm,基坑較穩(wěn)定。

表8 模型施工工況

圖4 坑外土體地表位移

3.3.2 基坑邊坡變形分析

為分析施工過程中邊坡的變形規(guī)律和穩(wěn)定性,在基坑有限元模型邊坡坡頂、坡中、坡腳各布置一個測點,布點情況如圖5所示。通過提取數(shù)值模型測點處的結果,得到各測點在不同工況下的表面位移,結果如圖6所示。

圖5 邊坡變形監(jiān)測點布置

圖6 邊坡變形結果

由圖6可知,不同施工階段中,坡腳的水平位移最大,坡頂水平位移最小,初始階段,坡頂發(fā)生背離基坑方向的水平位移。隨著邊坡和基坑內部土體的開挖,邊坡水平位移不斷增大,增大速率坡頂最快,坡腳最慢,最終指向坑內的坡腳水平位移為18 mm,坡頂為12.1 mm,符合規(guī)范要求。發(fā)生上述現(xiàn)象的原因主要是由于放坡,坡頂所受的土壓力小于坡腰和坡腳,所以水平位移最小、增大的速率最小。豎直位移方面,坡腳沉降最大,坡頂最小。并且在咬合樁施工之前,邊坡各點沉降量都不斷增大,咬合樁施工之后,沉降量逐漸減小,最終坡頂沉降為4.8 mm,坡中沉降為8 mm,坡腳沉降為11.4 mm。

邊坡土體變形由坡頂向坡腳逐漸增強,所以在施工時應該對坡腳區(qū)域重點監(jiān)測并加強支護。

3.3.3 咬合樁變形及力學特征分析

咬合樁是該工法的重點結構,為保障基坑工程開挖的安全性,需要通過數(shù)值模擬對其水平位移、軸力、彎矩等力學特性進行預分析。咬合樁X方向位移分布如圖7所示。

圖7 咬合樁X向變形隨施工階段的變化規(guī)律

由圖7可看出,隨著樁身埋設深度增加,水平變形逐步增加,速率降低。樁體剛剛灌注完成時,樁體存在0.1 mm量級的輕微位移,在開挖了第1層土后,樁體變形迅速增大,樁身呈拋物線形分布,最大位移為6 mm；在第2層土體開挖后,樁頂位移增大了約2.2 mm；第3層土體開挖后,樁頂位移增大了約3.5 mm。兩次變形增量比值約等于第2層土和第3層土厚度的比值,因此土體位移增量與開挖土層厚度有關。施工完成后的咬合樁軸力和彎矩分布如圖8所示。

圖8 咬合樁樁身力學特征分布

由圖8可知,咬合樁軸力主要為土壓力,從樁頂?shù)綐兜拙€性增大。對應的軸應力分別是1.592 kPa、439.709 kPa。由于軸力和軸應力隨樁深線性增大,可認為樁體軸力主要受其自重的影響。樁體彎矩對稱,最大值發(fā)生在樁頂和樁底處,約為370 kPa、383 kPa,在樁體中點處,彎矩值約為0。各樁的彎矩與樁的位置有關,每條邊中點附近的樁體彎矩值偏大。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

采用上部1∶1放坡+土釘支護,下部咬合樁+鋼筋混凝土內支撐的施工方案。基坑開挖時,咬合樁原有的受力狀態(tài)發(fā)生了改變,樁承受被動土壓力,向基坑內側產(chǎn)生位移。當設置支撐后,樁體在支撐點處的位移受到了較大的限制,大大約束了咬合樁的位移。為探明咬合樁的位移變形特征和分布規(guī)律,并與數(shù)值模擬結果進行對比分析,驗證設計的準確性,進一步指導施工,因此有必要對基坑進行現(xiàn)場監(jiān)測。

4.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測內容包括坑外土體地表沉降、基坑邊坡表面位移、咬合樁水平位移。地表沉降采用水準儀,精度為1 mm,坡面變形采用全站儀,精度為1 mm。基坑施工是一個動態(tài)的過程,因此在不同的施工階段,其所對應的監(jiān)測頻率會有所不同。通常,在基坑剛剛進行開挖的時候,其監(jiān)測頻率較低；隨著施工的進行,基坑開挖深度逐漸加大,此時監(jiān)測頻率應當相應提高；在基坑底板完成施工以后,如果監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度和范圍較小或其趨于穩(wěn)定,則監(jiān)測頻率可適當降低。

4.2 監(jiān)測結果分析

4.2.1 坑外地表沉降分析

選取16個地表沉降觀測點,分別位于基坑的四周,每邊布置4個測點,分別距基坑坑壁2、5、9、14 m,點位布置如圖9所示。為了便于敘述和分析,表9給出了基坑施工各工況的施工內容,各施工步驟都用工況代替。

圖9 坑外土體地表位移監(jiān)測點布置

現(xiàn)場監(jiān)測結果如圖10所示。在S1測點處,前4個工況后,地表由于邊坡開挖導致了四周土體應力釋放發(fā)生隆起。隨后地表開始沉降,最大值為5.8 mm,隆起量隨著與邊坡之間的距離增大而逐漸減小。在S2測點處,最大沉降量同樣發(fā)生在開挖第3層基坑土體后,為5.65 mm。S3、S4測點規(guī)律相同,可推斷出施工對基坑周圍地表變形的影響范圍在9 m以內。

4.2.2 基坑邊坡變形分析

選取每個坡面坡頂、坡腰和坡腳3個監(jiān)測點。以基坑南側的坡頂AS1、坡腰AS2、坡腳AS3三個位置處的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行邊坡水平和豎直位移分析,監(jiān)測結果如圖11所示。邊坡各點的水平位移總體趨勢相同,坡頂在開挖第1層結束前發(fā)生了背離基坑方向的位移,其余各點都發(fā)生朝向基坑內部的位移。坡頂和坡腰的水平位移隨施工步驟的變化較大。豎向位移方面,各測點位置都發(fā)生隆起位移,趨勢一致,隨著施工進行而減少。

表9 基坑施工工況Fig.9 Foundation pit construction conditions

圖10 坑外土體地表位移

圖11 邊坡位移監(jiān)測結果

4.2.3 咬合樁水平位移分析

在基坑四周沿著基坑中軸線的咬合樁各布置3個測點。選取基坑北側某樁進行樁體水平位移分析,監(jiān)測結果如圖12所示。

圖12 樁身水平位移監(jiān)測結果

從圖12可知,隨著施工的進行,樁身水平位移總體呈增大趨勢。雖然樁體在水平方向發(fā)生了一定程度的位移,但和普通的單樁相比,咬合樁的水平變形明顯較小。咬合樁的“咬合”作用,使得各樁形成整體,類似于地下連續(xù)墻結構,因此變形比普通的單樁要小。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析

地表位移對比結果、邊坡位移監(jiān)測結果與數(shù)值模擬對比結果、樁身水平位移監(jiān)測結果與數(shù)值模擬對比結果分別如圖13、圖14、圖15所示。

圖13 地表位移對比結果

圖14 邊坡AS2監(jiān)測和數(shù)值模擬位移結果對比

圖15 樁身水平位移監(jiān)測和數(shù)值模擬結果對比

由圖13、圖14、圖15可知,地表沉降、邊坡位移、樁身位移的數(shù)值模擬與監(jiān)測水平位移結果相差較小,且變化趨勢基本一致,可較好地反映基坑開挖過程受力結構變形特征發(fā)展規(guī)律。地表沉降和邊坡位移監(jiān)測值略大于模擬值,其原因是施工過程中基坑內外受到了人為、車輛、施工機械和時空效應的影響。樁頂實際水平位移偏小,是因為咬合樁在實際施工過程中形成了整體結構,而數(shù)值分析中尚未能夠模擬出這一過程,導致數(shù)值模擬結果偏大?？傮w來說,數(shù)值模擬的模型建立及參數(shù)選取合理。

5 結論

以京滬高速改擴建3#鋼筋加工廠深基坑支護項目為依托,闡述了常用的基坑支護結構和方案設計,并通過模糊理論進行對比選型,隨后采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法研究了基坑施工過程中的土體和支護結構力學變形特性,并進行對比分析研究得出以下主要結論。

(1)采用多目標層次分析和模糊綜合評判方法進行基坑支護方案選型,建立多指標評價體系,通過綜合評分值給出選型建議。最后提出基坑支護采用上部1∶1放坡+土釘支護,下部咬合樁+鋼筋混凝土內支撐的方案。經(jīng)數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結果驗證,該選型方案合理、可靠。

(2)隨著土體開挖和支護的進行,土體地表沉降隨距基坑的距離程先減小后增大的趨勢,最大沉降為5.2 mm,距基坑邊坡5 m,坑外土體穩(wěn)定。邊坡變形值隨著咬合樁的出現(xiàn)而降低,且最大變形值出現(xiàn)在坡腳,施工時應重點關注坡腳區(qū)域。

(3)咬合樁樁體最大位移位置隨著開挖的進行逐漸下移,基本上處于基坑開挖面附近位置,兩次豎直位移的增量比約等于相鄰土層厚度的比值。咬合樁軸主要受自重影響,樁體彎矩對稱,樁身彎矩與樁的位置有關,每條邊中點附近的樁體彎矩值偏大。

(4)通過對京滬高速改擴建3#鋼筋加工廠深基坑支護項目的現(xiàn)場監(jiān)測,并將坑外土體地表沉降、基坑邊坡表面變形、咬合扎樁樁身變形與有限元分析數(shù)據(jù)結果進行對比,建立了能較好反應實際工程的力學模型,該模型的建立以及參數(shù)的選取合理。