陳修和 ，董閣 ，汪東林

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088 ；3.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

基坑土體開(kāi)挖過(guò)程中，可分層、分段、分區(qū)域分步開(kāi)挖，通常先挖除基坑中部的土方，后逐步開(kāi)挖至坑壁。在對(duì)坑壁土體開(kāi)挖過(guò)程中，在不影響后續(xù)施工空間的前提下，也盡可能地少開(kāi)挖、晚開(kāi)挖，預(yù)留一部分土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成反壓，可達(dá)到節(jié)省內(nèi)支撐、降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、提高施工過(guò)程圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的目的。

目前對(duì)基坑預(yù)留土反壓的計(jì)算方法尚不成熟，各類計(jì)算方法尚不統(tǒng)一，顏敬等對(duì)常用的四類計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析；鄭剛等結(jié)合天津市一些工程經(jīng)驗(yàn)，建立了考慮反壓土影響時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行比較分析；劉暢等基于有限元計(jì)算分析了反壓土寬度、高度、坡度、放坡級(jí)數(shù)、面積等截面特征，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)反壓土高度為0.5～0.6倍基坑開(kāi)挖高度時(shí)效果最佳。這些研究增強(qiáng)了人們對(duì)預(yù)留土反壓的認(rèn)識(shí)。

基于巖土工程的復(fù)雜性，已有的研究結(jié)果可能具有一定的適用范圍。如雙排樁與單排懸臂樁存在較大區(qū)別，應(yīng)分開(kāi)討論。為此，本文基于有限元法，對(duì)單排懸臂樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖進(jìn)行了分析，考察了預(yù)留土不同參數(shù)對(duì)排樁變形的影響，以便深入了解基坑工程中預(yù)留土反壓的效果，促進(jìn)其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

1 有限元計(jì)算模型

現(xiàn)針對(duì)某一典型基坑工程中的單排懸臂樁進(jìn)行分析。樁徑為600mm，樁中心距2000mm，樁頂設(shè)置冠梁。樁長(zhǎng)15.0m，基坑開(kāi)挖深度6.8m。通過(guò)施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量使圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留一定的反壓土，以提高基坑的穩(wěn)定性，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 基坑預(yù)留反壓土示意圖

根據(jù)地勘報(bào)告，從上至下各土層可分為①黏土、②粉質(zhì)黏土、③粉土、④粉土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土，采用Mohr-Coulomb模型對(duì)土體進(jìn)行模擬，土層的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。圖2給出了一種工況的網(wǎng)格劃分情況。

數(shù)值計(jì)算按平面應(yīng)變問(wèn)題考慮，樁等效為板單元，等效后排樁的軸向剛度EA=1.01E7 kN/m，抗彎剛度EI=9.57E4 kN·m/m。挖方工程的計(jì)算步驟：原土體自重應(yīng)力平衡、激活樁單元、分層開(kāi)挖(殺死開(kāi)挖面處的土體單元、保留預(yù)留土部分)、開(kāi)挖至底(殺死預(yù)留土單元)。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比計(jì)算，得到了預(yù)留土高度z、頂寬 b、坡率 z：c 不同取值情況下，土體變形與樁體內(nèi)力情況。

土層計(jì)算參數(shù) 表1

2.1 預(yù)留土高度z的影響

預(yù)留土頂寬b=2.0m、坡率1：1情況下，不同高度z取值情況下土體的水平位移最大值如圖3所示。

z=2.0m時(shí)土體水平位移最大值為35.3mm，z=3.6m時(shí)土體水平位移最大值為9.2mm。可見(jiàn)，預(yù)留土高度越大，土體的水平位移越小，預(yù)留土高度的增加對(duì)減小土體水平位移效果明顯。但預(yù)留土高度越大，其寬度也越大，占地越多，基坑開(kāi)挖可能無(wú)足夠的空間提供給預(yù)留土。故預(yù)留土的高度應(yīng)根據(jù)實(shí)際空間關(guān)系選擇合理的高度。

圖3 預(yù)留土高度對(duì)土體水平位移最大值的影響

計(jì)算還表明，不設(shè)置預(yù)留土(z=0.0m)即基坑開(kāi)挖至底時(shí)，土體水平位移最大值為89.6 mm?？梢?jiàn)，設(shè)置一定高度的預(yù)留土，能大大減小土體的水平位移，提高了施工過(guò)程中基坑的安全性，故施工過(guò)程中盡可能地預(yù)留一定的土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反壓。

樁身范圍內(nèi)的水平位移分布如圖4所示，可見(jiàn)，預(yù)留土頂寬b=1.5m、坡率1：1、高度z=3.6m時(shí)抗滑樁水平位移最大值為11.75mm，開(kāi)挖至底(即無(wú)預(yù)留土)時(shí)樁體水平位移最大值為85.5mm。懸臂抗滑樁的最大水平位移發(fā)生在樁頂處，設(shè)置預(yù)留土對(duì)減小樁體水平位移具有較大作用。

圖4 排樁沿深度范圍的水平位移分布

預(yù)留土頂寬b=2.0m、坡率1：1情況下，不同高度z取值情況下圍護(hù)樁的彎矩最大值如圖5所示。z=2.0m時(shí)抗滑樁彎矩最大值為92.2 kN·m/m，z=3.6m 時(shí)抗滑樁彎矩最大值為29.8 kN·m/m。可見(jiàn)，預(yù)留土高度越大，抗滑樁的彎矩越小，預(yù)留土高度的增加對(duì)減小抗滑樁的彎矩效果明顯。抗滑樁的彎矩越小，其水平位移必然越小，這與土體的變形規(guī)律是一致的。

圖5 預(yù)留土高度對(duì)排樁最大彎矩的影響

樁身范圍內(nèi)的彎矩分布如圖6所示，可見(jiàn)，預(yù)留土頂寬b=1.5m、坡率1：1、高度z=3.6m時(shí)抗滑樁彎矩最大值為34.8kN·m/m，開(kāi)挖至底(即無(wú)預(yù)留土)時(shí)樁體彎矩最大值為193.4 kN·m/m，設(shè)置預(yù)留土對(duì)減小樁體彎矩具有較大作用。

2.2 預(yù)留土頂寬b的影響

預(yù)留土高度z=3.6m、坡率1：1情況下，不同頂寬b取值情況下，土體的水平位移最大值如圖7所示。b=0.0m時(shí)土體水平位移最大值為28.6mm，b=4.0m時(shí)土體水平位移最大值為5.7mm?？梢?jiàn)，預(yù)留土頂寬越大，土體的水平位移越小。但預(yù)留土頂寬b＞1.5m后，其對(duì)減小土體水平位移的作用逐漸降低。且預(yù)留土頂寬越大，占地越多，影響坑內(nèi)的施工作業(yè)。故預(yù)留土的頂寬應(yīng)根據(jù)實(shí)際空間關(guān)系選擇合理值。

預(yù)留土高度z=3.6m、坡率1：1情況下，不同頂寬b取值情況下圍護(hù)樁的彎矩最大值如圖8所示。b=0.0m時(shí)抗滑樁彎矩最大值為75.7 kN·m/m，b=4.0m時(shí)抗滑樁彎矩最大值為34.6kN·m/m?？梢?jiàn)，預(yù)留土頂寬越大，抗滑樁的彎矩越小。同樣，預(yù)留土頂寬b＞1.5m后，其對(duì)減小樁體彎矩的作用逐漸降低。

2.3 預(yù)留土坡率的影響

圖6 排樁沿深度范圍的彎矩分布

圖7 預(yù)留土頂寬對(duì)土體水平位移最大值的影響

圖8 預(yù)留土頂寬對(duì)排樁最大彎矩的影響

預(yù)留土頂寬b=2.0m、高度z=3.0m情況下，不同坡率取值情況下土體水平位移最大值及樁體彎矩最大值見(jiàn)表2所示?？梢?jiàn)，預(yù)留土坡度越緩，土體水平位移最大值及樁體彎矩最大值均越小。但預(yù)留土坡度越緩占地越大，影響坑內(nèi)的施工作業(yè)。故預(yù)留土坡率應(yīng)根據(jù)實(shí)際空間關(guān)系選擇合理值。

預(yù)留土坡率的影響分析(b=2.0m,z=3.0m） 表2

特別是預(yù)留土邊坡屬于臨時(shí)性邊坡，破壞后果不嚴(yán)重，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，安全等級(jí)應(yīng)屬于三級(jí) (高度一般不超過(guò)10.0m)，安全系數(shù)應(yīng)大于1.15。若預(yù)留土高度小于5m，硬塑黏性土坡率不小于1：1；若預(yù)留土高度大于5m，硬塑黏性土坡率不小于1：1.25。即預(yù)留土邊坡設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求，避免預(yù)留土邊坡在極端條件下，發(fā)生破壞而造成不必要的損失。

3 結(jié)語(yǔ)

基于有限元法，考察了預(yù)留土不同參數(shù)對(duì)基坑抗滑樁的影響，計(jì)算結(jié)果表明：設(shè)置預(yù)留土反壓對(duì)減小土體水平位移與樁體彎矩效果明顯，實(shí)際工程中應(yīng)盡可能地設(shè)置預(yù)留土。預(yù)留土頂寬越大，其對(duì)減小土體水平位移具有一定作用，但當(dāng)頂寬超過(guò)一定范圍后，該作用越來(lái)越不明顯。預(yù)留土坡率的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。預(yù)留土的設(shè)置應(yīng)根據(jù)基坑實(shí)際空間關(guān)系選擇合理參數(shù)。