何飛，穆銳，劉一宏

(1.貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 550006； 2.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401311；3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引 言

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量高層建筑拔地而起。高層建筑下的深基坑穩(wěn)定性問題是巖土工程研究中的重點問題。現(xiàn)階段已有大量學(xué)者對基坑做了相關(guān)的研究工作，具體情況如下：

理論研究方面，基于Winkler彈性地基梁理論,李濤等[1]應(yīng)用分段獨立坐標(biāo)法推導(dǎo)并建立了樁體撓度微分方程，結(jié)合實際工程對其適用性進(jìn)行了驗證；在考慮立柱樁/土相互作用以及分步壓縮施工技術(shù)的情況下，楊開放等[2]提出了立柱樁隆沉的計算模型。數(shù)值模型研究方面，結(jié)合超深基坑的特點，嚴(yán)學(xué)新等[3]利用數(shù)值與多元回歸分析，提出了地面沉降量計算公式；利用有限元數(shù)值模擬軟件，結(jié)合軌道交通、地鐵的深基坑等項目，陳桂香等[4]、施有志等[5]對軌道交通、地鐵的深基坑建立了相應(yīng)的深基數(shù)值模型，分別對深基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了開挖深度對周邊建筑的影響；吳丹紅等[6]基于可拓學(xué)建立了深基坑的綜合評價模型。試驗與施工研究方面。WANG Yibo 等[7]通過模型試驗，得到了加載條件對深基坑雙排樁和土壓力的影響是一致的結(jié)論。監(jiān)控量測研究方面，徐中華等[8]對上海鄰近地鐵隧道的軟土深基坑進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，證明監(jiān)測數(shù)據(jù)控制設(shè)計方案的合理性；在基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)可以對基坑、周圍建筑及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性，同時還可以對基坑設(shè)計方案的合理性等進(jìn)行驗證[9-13]。

從現(xiàn)有研究成果看，深基坑研究主要集中于單階基坑的理論分析和施工監(jiān)測，對于多階深基坑的研究相對較少。鑒于此，本文基于實際工程項目，建立多階深基坑施工過程中的開挖及樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，得到多階深基坑在施工過程中的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力以及基坑周邊地表沉降位移的變化規(guī)律，以期為多階深基坑項目的設(shè)計、施工等提供參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

工程項目為貴陽市內(nèi)某大型深基坑，基坑內(nèi)擬建4棟單體商用建筑，建筑的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計等級為甲級，對差異性沉降較為敏感，場地施工主要包括深基坑開挖和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，存在差異性較大的沉降。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料結(jié)果，可知地下巖層為厚階白云巖夾溶塌角礫巖，巖體節(jié)理較發(fā)育、較為破碎，自上而下巖土層結(jié)構(gòu)依次為第四系覆蓋階雜填土(Qml)、第四系堆積、沖積成因的褐黃色紅黏土(Qel+dl)和下伏基巖三疊系安順組(T1a3)，具體分布情況如圖1所示。

圖1 工程項目地質(zhì)分布情況

1.2 巖土體的力學(xué)參數(shù)

現(xiàn)場鉆芯取樣，對巖土芯樣進(jìn)行基本物理指標(biāo)試驗，得到各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，具體情況如表1所示。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

1.3 支護(hù)體系的采用

綜合地質(zhì)勘察資料及周圍建筑物分布具體情況，深基坑整體采用的支護(hù)形式為樁+錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。但由于上階地基主要為土體、下階主要為巖體，同時巖層力學(xué)性質(zhì)良好且?guī)r層走向與基坑開挖面呈逆向，穩(wěn)定性好，因此，按上、下階進(jìn)行分階支護(hù)，如圖2所示。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：樁徑

圖2 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

1.5 m，樁間距3.5 m；在分階處采用三角形聯(lián)梁連接(900 mm×600 mm)，上階支護(hù)至坡頂?shù)穆访鏄?biāo)高、底端嵌固深度不小于4.5 m，且嵌入中風(fēng)化巖層的深度不小于2.0 m；上階基坑錨索的水平間距3.5 m，豎向間距3.0 m，底排錨索距坡底2.0 m，上階基坑樁間現(xiàn)澆板厚200 mm，與樁植筋相連接，上階樁樁頂設(shè)置的冠梁隨坡頂?shù)匦尉€進(jìn)行澆筑，如圖3所示；下階基坑錨索的水平間距3.5 m，豎向間距3.0 m，底排錨索距坡底2.5 m；下階基坑樁間掛網(wǎng)噴射厚150 mm的混凝土，與樁植筋相連接。深基坑錨固樁樁頂設(shè)置冠梁，冠梁尺寸1 500 mm×900 mm?，F(xiàn)場支護(hù)情況如圖4所示。

2 數(shù)值模型建立

實際工程在開挖施工過程中主要分為2個階段(圖4)，即上部土層基坑的開挖與支護(hù)、下部巖層基坑的開挖與支護(hù)。只有上部土層基坑的開挖與支護(hù)施工完成且支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，在預(yù)留足夠的樁前土體基礎(chǔ)上，才能繼續(xù)對下部穩(wěn)定巖層基坑進(jìn)行開挖。因此，在建立數(shù)值模型過程中，遵循這一特點分階建立三維數(shù)值計算模型。

圖4 現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘察資料和工程現(xiàn)場實際情況，得到最不利地層。通過原位試驗、工程經(jīng)驗等方法確定了雜填土、硬塑紅黏土、可塑紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖數(shù)值模擬選用的參數(shù)值，具體見表2。

2.2 數(shù)值模擬試驗方案

由于基坑的開挖深度較大、地基分層情況復(fù)雜，基坑采用分階支護(hù)的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，分階處設(shè)置了聯(lián)梁，其設(shè)計同1.3節(jié)。在建立模型時充分考慮分階的影響，根據(jù)現(xiàn)場施工工序要求，分別定義上、下階樁施工過程的模擬方案，具體數(shù)值模擬方案見表3。

表2 數(shù)值模擬的材料參數(shù)

表3 數(shù)值模擬試驗步驟

2.3 幾何尺寸與網(wǎng)格劃分

采用Midas GTS NX軟件對基坑邊坡地質(zhì)條件和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，地層分布為上土下巖。因此，在建立數(shù)值模型時采用等密度網(wǎng)格劃分的形式對基坑開挖、樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周圍土體進(jìn)行尺寸控制。

模型底端為固定支座，3個方向均不動，左右邊界限制X方向位移，前后邊界限制Y方向位移。具體情況如下：(1)上階樁錨支護(hù)模型開挖深度11.9 m，總長65.7 m，高43.9 m，共有50 130個單元，54 834個結(jié)點，見圖5；(2)下階樁錨支護(hù)模型開挖深度18.4 m，總長70 m，高43.9 m，共有46 880個單元，51 629個結(jié)點，見圖6；(3)樁+錨支護(hù)模型見圖7。

圖5 上階基坑模型

圖6 下階基坑模型

圖7 樁+錨索支護(hù)模型

2.4 模型合理性的驗證

為驗證所建模型的合理性，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，保證數(shù)值模擬的開挖過程與現(xiàn)場實際開挖過程一致，通過數(shù)值模擬分析，得到深基坑實測的樁頂水平位移與數(shù)值模擬得到的樁頂水平位移，如圖8所示。

由圖8可知，深基坑樁頂水平位移的實測值和數(shù)值模擬值基本一致，變化規(guī)律相同，結(jié)果最大誤差為3.37 mm，在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，說明數(shù)值模型較為真實地反映了開挖施工中深基坑和其樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的實際情況，可采用該數(shù)值模型對深基坑施工過程中的數(shù)值模擬分析。

圖8 樁頂水平位移實測值與模擬值的對比

3 模擬結(jié)果分析

3.1 施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律

3.1.1 彎矩變化規(guī)律

圖9為上階樁、下階樁樁身彎矩分布規(guī)律。由圖9(a)可知，上階樁在開挖過程1和2中，樁身彎矩隨開挖深度先增大后減小，變化幅度不明顯；在開挖過程3，4，5中，樁身彎矩呈先增大后減小，出現(xiàn)反彎點后先增大后減小，最大彎矩達(dá)到-1 662.43 kN·m。由圖9(b)可知，下階樁樁身彎矩0～12 m先增大后減小，在12 m處接近0；樁深度12～24 m，受嵌巖深度及樁身剛度的影響，彎矩變化幅度不明顯；樁身深度6～8 m出現(xiàn)了最大彎矩，最大彎矩-2 140.59 kN·m，不存在反彎點。

圖9 樁身彎矩變化規(guī)律

3.1.2 剪力變化規(guī)律

圖10為上階樁、下階樁樁身剪力分布規(guī)律。由圖10可知，在開挖第一階段，由于上階樁沒有錨索，在側(cè)壓力作用下樁身剪力分布較為均勻，在距離樁頂3.6 m處錨索作用導(dǎo)致剪力發(fā)生在距離樁頂6.6，6.9 m處，同樣有剪力發(fā)生改變，且在整個開挖過程中剪力最大值為1 209.69 kN。類似地，在施工過程中下階樁出現(xiàn)的最大剪力為817.89 kN，由于受到錨索數(shù)量影響，整個過程中剪力變化規(guī)律較為復(fù)雜，是一個不斷變化的過程。

圖10 樁身剪力變化規(guī)律

3.1.3 樁身軸力變化規(guī)律

圖11為上階樁、下階樁樁身軸力的變化規(guī)律。開挖步驟相同時，受錨索和側(cè)向土壓力影響，上階樁、下階樁樁身軸力均隨樁身埋置深度的增大先增大后減小，在樁頂時為0。隨著開挖深度增大，上階樁在錨索作用處發(fā)生突變，樁身軸力的最大值出現(xiàn)在靠近樁底的1/3處。相反，下階樁樁身軸力在錨索作用位置同樣發(fā)生了突變，但由于錨索沒有完全作用，突變幅度較小，在開挖過程7時整個施工過程中的樁身軸力最大。樁身軸力突變位置為錨索布置的位置，因此在開挖過程中，錨索預(yù)應(yīng)力對樁身軸力的影響較大，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)引起重視。

3.2 施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變化規(guī)律

3.2.1 水平位移變化規(guī)律

圖12～13分別為整樁的水平位移變化和樁頂水平位移變化規(guī)律。由圖12可知，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖施工過程中，上階樁在深度方向上樁身水平位移接近線性分布，距基坑底部越遠(yuǎn)，樁身水平位移越大；距基坑底部越近，樁身水平位移越小。即在基坑頂部，樁頂水平位移最大，為12.98 mm，在基坑底部，樁身水平位移最??；下階樁在深度方向上樁身水平位移按非線性分布，且樁身水平位移量總體遠(yuǎn)小于上階樁的，總體變化規(guī)律與上階樁的變化規(guī)律大致相同，但在距離坑底12 m處出現(xiàn)了明顯的拐點，在拐點上段樁身水平位移變化幅度較大，在拐點下段樁身水平位移變化幅度較小，樁頂處水平位移最大，為4.72 mm。產(chǎn)生這種差異的原因：上階樁存在土層中，由于樁身剛度不足，樁頂處受側(cè)壓力影響產(chǎn)生較大的水平位移，隨著嵌固深度增大，樁身剛度逐漸增大，水平位移逐漸減小。下階樁主要存在于巖層中，在受側(cè)壓力影響下，巖層與開挖方向互為逆向，樁身剛度足夠，側(cè)向壓力沒有引起樁體產(chǎn)生較大的水平位移，當(dāng)樁身完全抵抗變形時，出現(xiàn)了明顯的拐點。由圖13可知，無論是上階樁還是下階樁，樁頂水平位移量均隨開挖深度的增大而增大，但支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好，確保了基坑周圍土體的穩(wěn)定性。

3.2.2 樁頂沉降位移變化規(guī)律

由圖14可知，對于上階樁、下階樁而言，樁頂沉降位移均隨開挖步驟的增大而增大，上階樁表現(xiàn)出線性增加，且變化幅度較為明顯；下階樁表現(xiàn)出非線性增加，且變化幅度相對較小。從圖14(a)移增加較小，最后一步開挖引起的沉降量下階樁中主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化白云巖，其巖層性質(zhì)穩(wěn)定性較好，在開挖過程中變形量小。

圖11 樁身軸力變化規(guī)律

可以看出，隨著開挖深度增加，上階樁的樁頂沉降位移明顯增大，從1.28 mm增至5.73 mm，但在允許的變形范圍內(nèi)，增量大致相同；從圖14(b)可以看出，隨著開挖深度增加，上階樁的樁頂沉降位

圖12 樁身水平位移隨開挖步驟的變化規(guī)律

圖13 樁頂水平位移隨開挖步驟的變化規(guī)律

圖14 樁頂沉降位移隨開挖步驟的變化規(guī)律

3.2.3 基坑頂部地表沉降位移變化規(guī)律

由圖15可知，隨開挖深度加大，基坑頂部地表沉降值也增加，在距離基坑頂部4～5 m地表沉降量達(dá)到最大，總體呈先增大后減小的V形分布，但在距離基坑大于15 m時，沉降量變化非常小，可忽略。隨施工過程開挖步驟增加，開挖引起的地表沉降位移也在逐漸增大，在開挖過程5時，距離基坑頂部4 m處的沉降位移達(dá)到10.49 mm。

由圖15可以看出，在基坑施工過程中，開挖對周圍地表有一定影響。在施工過程中，對基坑影響范圍內(nèi)存在地下、地上建(構(gòu))筑物加強(qiáng)監(jiān)測，以防不利因素帶來不良影響。

圖15 基坑頂部地表沉降位移變化規(guī)律

4 結(jié) 論

(1)對比分析現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與本文數(shù)值模型的計算結(jié)果可知，數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果較為接近。因此，采用該數(shù)值模型對多階深基坑進(jìn)行研究是可行的、合理的。

(2)開挖施工過程對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響較為明顯。上階樁彎矩先增大后減小且存在反彎點，剪力先增大后減小，軸力先增大后減小且在錨索作用處發(fā)生突變。下階樁彎矩先增大后減小至0，隨后無明顯變化；剪力先增大后減小至0，隨后反向先增大后減小，軸力先增大后減小，同樣在錨索作用處出現(xiàn)突變，但不明顯。

(3)樁身水平位移距坑底越遠(yuǎn)，數(shù)值越大，但巖層的小于土層的，且上階樁呈線性分布，下階樁呈非線性分布；上階樁和下階樁的樁頂水平位移和樁頂沉降位移均隨開挖過程的推進(jìn)逐漸增大；同時，開挖施工對周圍地表的沉降影響較大，在距基坑邊緣4～5 m影響最為明顯；當(dāng)距離>15 m時，影響不明顯。

(4)研究結(jié)果可為類似多階深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計、施工提供參考。在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮多階深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍建筑物的加固、地表沉降量，合理選擇樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系、樁體配筋、錨索數(shù)量及其相對位置等，從而優(yōu)化設(shè)計。