陳亞新，吳劍波

(1.無錫市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 無錫 214001；2.蘇州英格瑪服務(wù)外包股份有限公司，江蘇 蘇州 212004）

0 前言

隨著對周邊環(huán)境保護(hù)要求的增高，深基坑支護(hù)工程越來越多地采用排樁-支撐支護(hù)體系。其中支撐系統(tǒng)計(jì)算目前多簡化為平面框架后施加圍壓計(jì)算，要求施工過程中周邊土體圍壓盡可能保持均衡以確保實(shí)際受力與計(jì)算工況一致。這也是基坑工程反復(fù)強(qiáng)調(diào)對稱均衡開挖及周邊超載控制的原因之一。

但是對于臨近山坡的基坑工程，由于地勢起伏必然存在基坑開挖后臨山一側(cè)高度很大而遠(yuǎn)山一側(cè)高度較小這種情況，此時(shí)如采用支撐方案則其兩側(cè)因土壓力差異將承受不均衡土壓力，支撐系統(tǒng)可能存在整體向一側(cè)位移情況，從而增加了樁撐體系設(shè)計(jì)計(jì)算的難度，稍有不慎可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大偏差甚至帶來巨大安全隱患。對此進(jìn)行深入研究勢在必行。

然而對于此類不均衡土壓力對支撐系統(tǒng)的影響及支撐系統(tǒng)的計(jì)算分析目前尚未見相關(guān)深入研究，更遑論納入規(guī)范規(guī)程，亟待進(jìn)行系統(tǒng)性研究分析以指導(dǎo)生產(chǎn)。

本文以蘇南某臨近山體處于半山腰的基坑工程為例，初步探討了不均衡土壓力下基坑工程支護(hù)樁的變形性狀，簡要總結(jié)了此類基坑工程的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，可為后續(xù)同類工程的實(shí)施提供參考，具有一定的示范及借鑒價(jià)值。

1 工程概況

某擬建總部大樓為辦公建筑，地上1- 7 層，層層退臺以實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)效果，地下設(shè)一層地下室，建筑功能為停車庫和設(shè)備用房。

本項(xiàng)目基坑呈不規(guī)則長條形，地下室底板面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為- 5.50m，局部位置消防水池、設(shè)備用房降板區(qū)域底板面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為- 6.60m。地下室頂板標(biāo)高- 0.80m，局部位置地庫頂板為- 1.80m。

擬建項(xiàng)目地勢自西向東逐漸抬高，其西側(cè)道路路面相對標(biāo)高0.5m 左右；東側(cè)道路路面相對標(biāo)高為3.50m 左右，即東側(cè)比西側(cè)高出3m 左右，坡度約為5%，項(xiàng)目總圖如圖1 所示。

圖1 基坑工程總平面圖

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

擬建場地20.00m 深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)沉積物，自上而下各土層特征如下：

①填土：灰黃、雜色，很濕～飽和，松散，以黏性土為主，上部主要是耕植土。填土年代大于10 年，高壓縮性，擬建場地表層淺部有碎石填土，粒徑約3～6cm。層厚0.50～3.70m，層底標(biāo)高3.39～8.22m。土質(zhì)不均，欠固結(jié)，全場地分布。

②粉質(zhì)黏土：黃褐色，飽和，可～硬塑，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)，含鐵錳結(jié)核，中等壓縮性。層厚 3.00～6.00m， 層 底 標(biāo) 高 - 0.21～3.31m。全場地分布。

③粉質(zhì)黏土：灰黃色，飽和，可塑，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)，中等壓縮性。層厚3.30～5.50m，層底標(biāo)高- 4.49～- 1.25m。

④粉質(zhì)黏土：黃褐色，飽和，可～硬塑，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)，中等壓縮性，夾碎石透鏡體，粒徑約3～5cm，分布較為隨機(jī)，無明顯規(guī)律。層厚1.70～14.50m，層底標(biāo)高- 18.51～- 3.85m。

⑤粉質(zhì)黏土夾碎石：棕紅色、黃褐色，可塑偏硬塑，夾有粒徑1～5cm 碎石，碎石含量在15%左右，其以角礫為主，主要成分為砂巖。層厚1.00～16.90m，層底標(biāo)高- 24.66～- 5.39m。

⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖：棕紅色、灰白色，巖石風(fēng)化成碎塊狀，原巖結(jié)構(gòu)破壞，有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，巖體破碎，不均勻，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。層底標(biāo)高- 33.66～- 17.69m。

⑦中風(fēng)化砂巖：灰白、紫紅色，多呈短柱狀，少呈碎石狀，裂隙發(fā)育。錘擊聲較脆，不易擊碎，進(jìn)尺慢。單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為21.49MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，巖芯采取率在60～80%，RQD=30～50。本層未揭穿，全場地分布。

2.2 地下水情況

根據(jù)地勘報(bào)告，本場地地下水情況如下。

①潛水：潛水含于第（1）層填土，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、向近河滲透等方式排泄，水位隨晴雨天氣變化。量測得地下水的穩(wěn)定水位深度為0.50 ～1.40m。豐水期與枯水期地下水穩(wěn)定水位變化幅度在0.50～1.00m；

②微承壓水：承壓水埋藏于第（5）層粉質(zhì)黏土夾碎石及（6）強(qiáng)風(fēng)化砂巖中。該層水具弱承壓性。根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告，該層水位標(biāo)高為6.93～7.20m（85 國家高程基準(zhǔn)）。

擬建場地工程地質(zhì)剖面如圖2 所示。

圖2 擬建場地工程地質(zhì)剖面圖

3 基坑支護(hù)方案選型分析

本基坑工程主要有如下特點(diǎn)：

①地質(zhì)條件較好，地層物理力學(xué)指標(biāo)較高；

②場地地勢高差較大，東西向存在3m 高差，也就是土壓力相差接近60kPa，不同于常規(guī)基坑。

根據(jù)上述特點(diǎn)分析，本基坑支護(hù)方案最優(yōu)技術(shù)方案為樁錨支護(hù)，錨索可提供較大錨固力并且可針對不同基坑側(cè)壁高差分開設(shè)計(jì)，處理靈活。但是由于錨索超出用地紅線因此不被允許，最終確定采用內(nèi)支撐體系。

對于內(nèi)支撐體系目前多用鋼支撐和混凝土支撐兩種。鋼支撐施工速度快、造價(jià)低，并且其可重復(fù)回收利用因此具有綠色節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)。但是本基坑因東西側(cè)高差較大，西側(cè)開挖后樁撐體系可能出現(xiàn)向地勢較低的西側(cè)整體位移趨勢，使得西側(cè)圍護(hù)樁樁頂存在后仰現(xiàn)象，導(dǎo)致此處鋼支撐節(jié)點(diǎn)可能產(chǎn)生拉應(yīng)力進(jìn)而帶來支撐脫落風(fēng)險(xiǎn)。

不均衡土壓力下樁撐體系變形示意圖如圖3 所示。

圖3 不均衡土壓下樁撐體系變形示意圖

混凝土支撐由于鋼筋與圍護(hù)樁壓頂梁通過鋼筋互相錨固，其節(jié)點(diǎn)可承受拉、壓、彎、剪等復(fù)雜工況，對于不均衡土壓力下受力情況復(fù)雜的支撐體系來說比較適用，因此最終確定采用混凝土支撐方案。

混凝土支撐常規(guī)可采用環(huán)形或者對撐+ 角撐布置，環(huán)形支撐雖然可充分發(fā)揮混凝土材料抗壓性能高這一優(yōu)點(diǎn)但是同樣需要受力均衡才能確保環(huán)形支撐的均勻壓縮，本基坑考慮到土壓力的復(fù)雜性，最終采用對撐+ 角撐體系，基坑?xùn)|西向支護(hù)斷面如圖4 所示。

圖4 基坑?xùn)|西向支護(hù)斷面圖

4 支撐系統(tǒng)計(jì)算與設(shè)計(jì)

4.1 支撐計(jì)算及不均衡土壓問題

樁撐系統(tǒng)計(jì)算原理在現(xiàn)行國家規(guī)程[有明確規(guī)定，即圍護(hù)樁按照彈性支點(diǎn)法、支撐體系采用平面框架有限元進(jìn)行內(nèi)力分析，對于作用于支撐系統(tǒng)的土體圍壓，可先采用增量法模擬開挖過程進(jìn)行單元計(jì)算獲取。

混凝土材料包括圍護(hù)樁及支撐均按照線彈性本構(gòu)模型，材料計(jì)算參數(shù)包括其彈性模量及泊松比根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)等級選??；坑外土壓力采用朗肯土壓力；坑內(nèi)采用被動(dòng)土壓力。

根據(jù)單元計(jì)算結(jié)果，分別獲得本基坑支撐周邊圍壓結(jié)果如表1 所示。

可見，由于地勢高差原因?qū)е轮ёo(hù)結(jié)構(gòu)不同位置的土體圍壓相差接近4倍。隨著基坑開挖支撐系統(tǒng)開始受力后，由于兩側(cè)土壓力差異，支撐系統(tǒng)必然會(huì)有向地勢較低一側(cè)位移趨勢，進(jìn)而使得支撐實(shí)際的受力既非濟(jì)慈路一側(cè)的較高土壓力也非青山路一側(cè)的較低土壓力，因此簡單地選擇不同的土壓力取值都無法模擬真實(shí)的受力工況。

4.2 不均衡土壓下的支撐有限元計(jì)算

為進(jìn)一步研究不平衡土壓下支撐系統(tǒng)的實(shí)際內(nèi)力情況，有必要采用有限元方法建立土體- 排樁- 支撐模型進(jìn)行整體分析，建立有限元模型如圖5 所示。

有限元建模及計(jì)算原理如下：

圖5 不均衡土壓力有限元計(jì)算模型

①有限元計(jì)算模型尺寸根據(jù)基坑開挖深度外擴(kuò)至5 倍開挖深度以外，左右邊界采用豎向自由法向約束，底部邊界采用豎向約束水平自由邊界以模擬地層實(shí)際受力工況；

②各土層本構(gòu)模型采用HSS 小應(yīng)變模型，該本構(gòu)模型可以較為精確模擬基坑開挖卸載過程，混凝土結(jié)構(gòu)包括圍護(hù)樁和支撐選擇線彈性模型，圍護(hù)樁與土體之間設(shè)置古德曼虛擬單元模擬樁土界面受力工況，地層計(jì)算參數(shù)按照地勘報(bào)告建議值選取，如表2 所示；

③模擬計(jì)算采用增量法，共分以下四個(gè)工況進(jìn)行分析。

工況一：地應(yīng)力平衡分析，進(jìn)行位移置零模擬初始應(yīng)力狀態(tài)；

工況二：支護(hù)樁施工，通過激活板單元模擬支護(hù)樁施工；

工況三：表層土開挖至第一道支撐，然后施工第一道混凝土支撐；

工況四：開挖到坑底。

有限元計(jì)算得到基坑開挖后土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移如圖6、圖7 所示。

從圖6、圖7 可以看出，由于基坑?xùn)|西側(cè)地勢不同，地勢較高的東側(cè)開挖后圍護(hù)樁向坑內(nèi)位移，最大位移量為8.82mm；而西側(cè)圍護(hù)樁由于其被動(dòng)土壓力較小，圍護(hù)樁表現(xiàn)為樁身向坑內(nèi)位移，但是其量值很小，只有2.41mm，樁頂則向坑外位移，量值約1.2mm，整體圍護(hù)樁變形表現(xiàn)出明顯的不均衡土壓特征。

圖6 基坑開挖后水平位移云圖

圖7 不同側(cè)壁圍護(hù)樁水平位移曲線

基坑支撐系統(tǒng)不同位置土體圍壓結(jié)果 表1

地層計(jì)算參數(shù)一覽表 表2

此外，有限元計(jì)算得到支撐軸力為每延米209kN，與套用規(guī)范方法相比，得到計(jì)算結(jié)果相差較大，其原因可能是前者是基于經(jīng)典土壓力理論，不能反映土體受力變形后的彈塑性變化，因此土壓力偏小。

從前述分析可見，不均衡圍壓下如采用常規(guī)規(guī)范方法進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，無論圍護(hù)樁的位移或者支撐的內(nèi)力均與實(shí)際情況差別較大，因此應(yīng)引起高度重視。

4.3 不均衡土壓下的支撐體系布置及設(shè)計(jì)

如前所述，由于混凝土材料具有其可設(shè)計(jì)性，因此支撐體系布置具有高度靈活性，可采用圓形、對撐等多種布置形式?？紤]到基坑土壓力不均衡，采用環(huán)形支撐可能導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力進(jìn)而影響支撐體系的可靠性，故支撐體系采用傳力簡潔直接的對撐+ 角撐+ 邊桁架體系，支撐布置平面如圖8 所示。

圖8 支撐體系布置圖

在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，最終根據(jù)有限元模擬結(jié)果，考慮到實(shí)際工況的復(fù)雜性，采用規(guī)范法和有限元結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)思路，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠安全度。

實(shí)際基坑支撐情況如圖9 所示。

5 變形實(shí)測結(jié)果分析

圖9 基坑實(shí)際支撐布置情況

基坑開挖前預(yù)先在圍護(hù)樁內(nèi)埋設(shè)深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)，并且在開挖期間每天進(jìn)行監(jiān)測，基坑開挖到底后圍護(hù)樁深層水平位移曲線如圖10 所示。

實(shí)測地勢較高的東側(cè)圍護(hù)樁最大深層水平位移為9.1mm，地勢較低的西側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移為3.8mm，與有限元分析計(jì)算結(jié)果基本一致。圍護(hù)樁變形曲線表現(xiàn)為中部凸出，與單支點(diǎn)樁撐體系變形趨勢一致。

同時(shí)也注意到西側(cè)圍護(hù)樁樁頂水平位移要小于東側(cè)，說明西側(cè)圍護(hù)樁在不均衡土壓下抵消了一部分樁頂向坑內(nèi)變形的趨勢；同時(shí)看到樁頂實(shí)際向坑外位移量比有限元計(jì)算結(jié)果要小，表明支撐- 圍護(hù)樁系統(tǒng)形成復(fù)雜的剛性受力體系，存在一定的內(nèi)力再調(diào)整過程。

圖10 實(shí)測圍護(hù)樁深層水平位移曲線

6 結(jié)語

總體而言，不均衡土壓下的樁撐結(jié)構(gòu)支護(hù)目前相關(guān)的研究尚不多見，類似的工程實(shí)例也報(bào)道較少，本次以實(shí)際工程為例進(jìn)行了有意義的探討與實(shí)踐，取得了如下寶貴經(jīng)驗(yàn)：

①不均衡土壓力下采用樁撐體系的深基坑工程如疊加外側(cè)超載、分區(qū)開挖進(jìn)度后可能實(shí)際受力工況更為復(fù)雜，應(yīng)高度重視其潛在風(fēng)險(xiǎn)，決不可簡單等同于常規(guī)基坑設(shè)計(jì)，建議采用規(guī)范方法并結(jié)合有限元必要時(shí)采用三維有限元進(jìn)行模擬分析以確定其受力情況；

②不均衡土壓下樁撐體系設(shè)計(jì)，圍護(hù)樁應(yīng)充分考慮土壓較小一側(cè)圍護(hù)樁可能出現(xiàn)頂部向外側(cè)位移而中間向坑內(nèi)位移這種變形特征，盡可能選擇延性材料如現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁或者鋼樁，對于高強(qiáng)預(yù)制樁等應(yīng)慎用；

③不均衡土壓力下應(yīng)重視支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，建議支撐盡可能選擇混凝土材料并加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)錨固，以防止出現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀況后發(fā)生節(jié)點(diǎn)破壞；

④底支撐形式建議盡量采用受力明確傳力路徑簡潔的角撐及對撐體系，并且盡可能采用桁架體系提高結(jié)構(gòu)冗余度；

⑤基坑開挖過程中應(yīng)嚴(yán)格控制外側(cè)堆載，特別是地勢較高土壓力較大一側(cè)堆載，避免進(jìn)一步增大不均衡土壓；

⑥應(yīng)重視基坑土方的開挖工作，確保對撐區(qū)域均衡對稱，同時(shí)加強(qiáng)基坑監(jiān)測，做好應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)工況外變形立即采取措施進(jìn)行處理。