邢江朋，梁東，張敬東，康文獻(xiàn)，陳泰霖，王安明

（1華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450046；2河南省地礦建設(shè)工程（集團(tuán)）有限公司，河南鄭州 450071；3河南卓越建設(shè)工程有限公司，河南鄭州 450016；4河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450008）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市地下空間利用率和利用水平越來越高，城市中的深基坑工程越來越多。城市中心建筑密集，深基坑工程技術(shù)要求也越來越高。在基坑工程施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到影響基坑穩(wěn)定的事件，由于基坑支護(hù)工程具有臨時(shí)性的特點(diǎn)，因此研究基坑支護(hù)的穩(wěn)定性變化十分重要。本文運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法[1-7]，對(duì)基坑工程中遇到基坑加深情況下的基坑變形情況進(jìn)行了研究。

1 工程概況

該工程位于鄭州市中心地帶，基坑輪廓基本呈矩形，東西長(zhǎng)約230m，南北寬約80m?；釉O(shè)計(jì)深度為9.02m，在基坑開挖至7.97m時(shí)，為增加地下車庫停車位，對(duì)該工程地下車庫深度進(jìn)行調(diào)整，因此基坑深度由9.02m加深至14.37m?；颖眰?cè)鄰近有五幢居民樓，四幢為六層老式磚混居民樓，一幢為16層鋼筋混凝土材料居民樓?；游鱾?cè)呈南北方向排列有三幢三層普通建筑物。基坑?xùn)|南兩側(cè)均為市政道路。工程場(chǎng)地地貌單元所屬為黃河泛濫沖積平原，施工場(chǎng)地地形平坦，基本無起伏，各土層分布及參數(shù)見表1。

表1 各土層分布及參數(shù)

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)

工程原設(shè)計(jì)開挖深度為9.02m，基坑為二級(jí)基坑，采用預(yù)應(yīng)力錨桿加土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，1∶0.3放坡開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.2 變更后支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑深度變更后，基坑等級(jí)由二級(jí)變?yōu)橐患?jí)，新增部分采用雙排微型樁-復(fù)合土釘墻支護(hù)。設(shè)計(jì)方案中采用9.5m長(zhǎng)雙排微型樁，并新增15m預(yù)應(yīng)力錨桿。錨桿以下部分選用三排長(zhǎng)度逐漸遞減的土釘進(jìn)行支護(hù)。變更后基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 變更后基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

本文采用通用巖土有限元計(jì)算軟件PLAXIS3D（CE V20版本）建立3D有限元基坑開挖模型。數(shù)值模擬時(shí)，選取模型的計(jì)算邊界大小對(duì)計(jì)算結(jié)果精確度有很大影響。結(jié)合眾多案例，根據(jù)基坑開挖深度及工程環(huán)境特征，選取北面部分基坑進(jìn)行模擬計(jì)算，建立40m×25m×12m規(guī)則長(zhǎng)方體區(qū)塊的計(jì)算模型。在土體初始應(yīng)力平衡后將基坑開挖分為10個(gè)工況分步計(jì)算：（1）基坑開挖至1.5m，設(shè)置第一排土釘；（2）基坑開挖至3m，設(shè)置腰梁和第一排預(yù)應(yīng)力錨桿；（3）基坑開挖至4.5m，設(shè)置第二排土釘；（4）基坑開挖至6m，設(shè)置第二排腰梁和第二排預(yù)應(yīng)力錨桿；（5）基坑開挖至8m，設(shè)置第三排土釘；（6）基坑開挖至9m，布置冠梁，打入雙排微型樁，設(shè)置腰梁和新增預(yù)應(yīng)力錨桿；（7）基坑開挖至10.5m，設(shè)置新增第一排土釘；（8）基坑開挖至12m，設(shè)置新增第二排土釘；（9）基坑開挖至13.5m，設(shè)置新增第三排土釘；（10）基坑開挖至14.37m，開挖完畢。

模型中土體采用Mohr-Coulomb模型，土體網(wǎng)格采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元。利用板（plane）單元模擬混凝土面層，混凝土厚度為100mm，選用C20混凝土，彈性模量為2.1GPa，泊松比選用0.25。預(yù)應(yīng)力錨桿分為兩段進(jìn)行模擬，其中自由段選用點(diǎn)對(duì)點(diǎn) （Nodeto-node）錨桿單元進(jìn)行模擬，材料類型則為彈性，軸向剛度選用6.5×105kN，錨固段則采用嵌入式樁（Embedded pile）單元進(jìn)行模擬，灌漿體楊氏模量為 3×107kN/m2，重度為24kN/m3。腰梁和冠梁選用梁（beam）單元模擬。土釘和雙排微型樁都采用嵌入式 樁（Embedded pile）單元進(jìn)行模擬。模型整體網(wǎng)格劃分和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)單元設(shè)置如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分及支護(hù)單元布置圖

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 水平位移分析

整體基坑開挖主要分兩個(gè)大階段進(jìn)行：一個(gè)為變更支護(hù)設(shè)計(jì)前，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)開挖至8m；另一個(gè)為變更設(shè)計(jì)后基坑開挖完畢。圖4—圖8為數(shù)值模擬中基坑從開挖到更改設(shè)計(jì)前各工況水平位移云圖，圖9—圖13為變更設(shè)計(jì)后從開挖到結(jié)束各工況水平位移云圖。

（1）原支護(hù)設(shè)計(jì)分析階段。在圖4中，基坑放坡開挖1.5m，可以看出土體應(yīng)力穩(wěn)定性在開挖過程中遭到破壞，邊坡底部應(yīng)力狀態(tài)變化最為明顯，但整體位移量變化較??；在圖5、圖6中，基坑進(jìn)一步開挖至4.5m，隨著預(yù)應(yīng)力錨桿的施加，邊坡應(yīng)力分布出現(xiàn)了明顯的變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)附近應(yīng)力與未設(shè)置錨桿區(qū)域相比變化較小，此時(shí)邊坡位移最大達(dá)到了0.85mm，位于坡頂往下4m左右；圖7和圖8與現(xiàn)場(chǎng)工程施工情況相對(duì)應(yīng)，開挖至8m處，此后現(xiàn)場(chǎng)施工停止一段時(shí)間?？梢钥闯觯S著基坑開挖深度的增加，邊坡最大水平位移位置也隨之向下移動(dòng)，這時(shí)水平位移最大部分位于基坑6m處，達(dá)到2.2mm。

（2）變更支護(hù)設(shè)計(jì)分析階段。圖9中，基坑向下開挖1m，設(shè)置冠梁并新增預(yù)應(yīng)力錨桿，可以看出，此時(shí)應(yīng)力變化并不明顯，水平位移為2.5mm；圖10中基坑繼續(xù)開挖1.5m，水平位移最大部分繼續(xù)向下移動(dòng)，但并不明顯，此時(shí)最大水平位移為3mm；圖11—圖13中，基坑開挖至底部，新增微型樁樁端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，開挖結(jié)束后，可以看出基坑最大水平位移位于9.5m處，達(dá)到了4.9mm?；幼畲笏轿灰莆恢锰幱谛略鲱A(yù)應(yīng)力錨桿下方，由此可以判斷，此處錨桿設(shè)計(jì)遏制了水平位移的變化。

圖4 工況1水平位移云圖

圖5 工況2水平位移云圖

圖6 工況3水平位移云圖

圖7 工況4水平位移云圖

圖8 工況5水平位移云圖

圖9 工況6水平位移云圖

圖10 工況7水平位移云圖

圖11 工況8水平位移云圖

圖12 工況9水平位移云圖

圖13 工況10水平位移云圖

3.2.2 坡頂豎向位移分析

在模擬基坑開挖過程中，通過對(duì)基坑頂部五個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，得出了距離坡頂0m、5m、10m、15m和20m處的豎向位移變化曲線，由圖14可以看出基坑開挖過程中基坑頂部豎向位移變化的特征。

（1）在支護(hù)設(shè)計(jì)變更前（工況一至工況五），坡頂豎向位移隨開挖深度的加大，位移不斷增大，坡頂處豎向位移達(dá)到6mm，距離坡頂越遠(yuǎn)，豎向位移變化越小，距離20m處只有0.4mm。

（2）工況一對(duì)應(yīng)第一排土釘施工，可以看出在第一排土釘施工后，折線斜率變小，豎向位移變化趨勢(shì)得到遏制；工況二、工況三和工況四中兩排預(yù)應(yīng)力錨桿施工完畢，折線斜率進(jìn)一步變小，基坑豎向位移變化進(jìn)一步得到遏制；直到工況五，此部分原支護(hù)設(shè)計(jì)施工完畢，但施工進(jìn)度停止，并未開挖到底，并且此時(shí)基坑閑置一段時(shí)間，可以在圖中看出，此時(shí)豎向位移達(dá)到最大；

（3）工況六這一階段是支護(hù)二次設(shè)計(jì)的施工階段，支護(hù)變?yōu)闃跺^支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以看出，此時(shí)豎向位移變化規(guī)律與上部錨桿混合土釘墻支護(hù)時(shí)完全不同，坡頂豎向位移開始緩慢變小；隨著基坑繼續(xù)開挖直到開挖結(jié)束，基坑頂部豎向位移變化趨于平緩，基本穩(wěn)定。

圖14 各工況基坑頂部豎向位移曲線圖

4 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

4.1 水平位移分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合工程的實(shí)際情況，在基坑開挖過程中對(duì)水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。坡頂位移使用光學(xué)全站儀進(jìn)行測(cè)量，深層水平位移通過埋設(shè)測(cè)斜管，使用測(cè)量?jī)x器XB338-2型測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量。基坑在施工過程中變更支護(hù)設(shè)計(jì)，測(cè)斜管并未重新埋設(shè)，依舊采用原有11m長(zhǎng)測(cè)斜管進(jìn)行測(cè)量。

圖15 深層水平位移與時(shí)間關(guān)系圖

圖15為基坑開挖過程中邊坡水平位移隨時(shí)間變化曲線，圖中選取了施工過程中大部分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯海?）在深度4m和6m處水平位移變化趨勢(shì)得到遏制，此處對(duì)應(yīng)了施工過程中預(yù)應(yīng)力錨桿的布置，與數(shù)值模擬中變化趨勢(shì)基本一致。（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，基坑在開挖至8m時(shí)，水平位移達(dá)到4.3mm，與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值略有差距。（3）基坑在開挖至9m處變更設(shè)計(jì)，變?yōu)榱穗p排微型樁結(jié)合復(fù)合土釘墻的設(shè)計(jì)?？梢栽谖灰魄€中看出，更改后新的支護(hù)設(shè)計(jì)起到了明顯作用。（4）在8m和10m處水平位移幾乎相等，且都為最大水平位移，而數(shù)值模擬中最大水平位移位于9m處，位移數(shù)值也存在部分差距，但整體變形趨勢(shì)較為一致。

4.2 頂部豎向位移分析

選取基坑坡頂位移觀測(cè)點(diǎn)中各工況結(jié)束穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從圖16中可以看出，模擬數(shù)據(jù)比實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)最大值要大一些，兩者數(shù)據(jù)皆在警報(bào)值之內(nèi)。綜合整體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差距不大，且兩者變化趨勢(shì)較為一致。

圖16 監(jiān)測(cè)與模擬豎向位移曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文通過對(duì)某深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)改變前后的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究了基坑頂部豎向位移和基坑水平位移的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）通過PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，模擬數(shù)值和基坑實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值雖有差值存在，但差值較小。并且，在模擬中基坑水平位移和坡頂豎向位移變化趨勢(shì)和實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線趨勢(shì)變化相似，驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的可行性。

（2）在基坑開挖過程中，基坑頂部的豎向位移隨著基坑開挖深度的增加而增加，距離坡頂越遠(yuǎn)，則增加程度越小?；铀轿灰齐S基坑開挖呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速率并非是線性增加?；由顚铀轿灰谱畲笪恢秒S基坑開挖向下移動(dòng)，但并非移動(dòng)到基坑最底部，基坑開挖結(jié)束后，最大水平位移位置位于基坑下部。

（3）設(shè)計(jì)變更后增加的樁（雙排微型樁）錨-復(fù)合土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理有效，可為其他類似基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定參考。