杜思思

(深圳市大升高科技工程有限公司，廣東 深圳 518027)

1 引言

在東南沿海地區(qū)的城市建設(shè)中，為了節(jié)約土地資源，為了滿足城市發(fā)展對(duì)土地資源的需求，不斷地在海岸線進(jìn)行大規(guī)模填海造地。高層建筑的基坑開挖深度也越來越大，而且呈現(xiàn)多層開發(fā)的趨勢，城市地下工程建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。然而回填原材料、方法及技術(shù)的差異，給后期基坑支護(hù)工程造成了不少麻煩[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，東南沿海填海區(qū)發(fā)生基坑破壞的主要原因?yàn)榛又ёo(hù)設(shè)計(jì)不合理。近些年東南沿海的建設(shè)者們跟隨時(shí)代發(fā)展的腳步不斷探索填海區(qū)深基坑的新型設(shè)計(jì)方法，但是，對(duì)于新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)理論計(jì)算還在沿用傳統(tǒng)的計(jì)算理論及方法，導(dǎo)致內(nèi)力分析及變形控制不合理，甚至出現(xiàn)了較大的計(jì)算誤差。因此，需要用非傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)新型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。但目前巖土工程設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)計(jì)算采用的是理正深基坑7.0軟件，此方法在新型支護(hù)結(jié)構(gòu)建模簡化中存在較多缺陷。

對(duì)比前人的各種研究成果及方法：

李東海，王夢恕等[11]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的方法對(duì)某基坑工程進(jìn)行研究，通過對(duì)支護(hù)樁樁身深層水平位移、坑頂水平及豎向位移進(jìn)行對(duì)比分析，并由對(duì)比分析結(jié)果進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的方案優(yōu)化。

林鵬，王艷峰等[12]運(yùn)用數(shù)值模擬的研究方法對(duì)雙排樁和單排樁進(jìn)行研究，通過雙排樁與單排樁的內(nèi)力及變形結(jié)果對(duì)比，得出雙排樁相比單排樁具有彎矩小、剛度大的優(yōu)點(diǎn)。

孫濤，劉俊巖[13]通過數(shù)值模擬分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的排距，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析樁身水平位移及彎矩，得出了在2～4倍的樁距時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)控制變形的效果最佳。

古良[14]運(yùn)用有限元對(duì)雙排樁在基坑不同開挖工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出前排樁的水平位移大于后排樁，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比證明數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合。

周進(jìn)，王子涵[15]通過在不同開挖工況下運(yùn)用有限元對(duì)雙排樁擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了在開挖過程中，前排樁的水平位移及彎矩最大，并分析了樁間土壓力的分布特點(diǎn)。

本文采用MIDAS軟件對(duì)基坑的實(shí)際施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。模型采用莫爾-庫倫Mohr-Coulomb彈理想塑性模型，以深圳市Z大廈基坑支護(hù)工程為例，此工程場地回填年限較短，填石層較厚且不均勻，回填土來源復(fù)雜、工程性質(zhì)差異大，原地層存在淤泥軟弱地層，并且場地地下水位受潮汐的影響，埋深較淺，增加了深基坑工程開挖以及降排水的技術(shù)難度；為提高設(shè)計(jì)結(jié)果的精度，保證基坑周邊環(huán)境以及支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖階段的安全；用有限元數(shù)值模擬分析得出結(jié)果并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到基坑開挖過程中本項(xiàng)目選用的衡重式雙排樁受力特性、變形規(guī)律以及對(duì)坑外地面的變形影響情況；最后通過數(shù)值模擬分析排距、后排樁樁徑及坑頂荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，對(duì)今后該類深基坑工程具有借鑒價(jià)值。

2 工程概況

Z大廈項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)深灣地鐵站南側(cè)，北側(cè)毗鄰白石四道、地鐵9號(hào)線、11號(hào)線和深灣地鐵站，南側(cè)毗鄰濱海大道及輔路，西側(cè)深灣四路，東側(cè)毗鄰深灣五路，內(nèi)部現(xiàn)狀正在進(jìn)行基坑支護(hù)。本項(xiàng)目地塊分南北兩個(gè)基坑，基坑坑底標(biāo)高為-6.0 m，基坑最大開挖深度約11.0 m。南側(cè)基坑周長約為693 m，總面積約30435 m2，位于地鐵9號(hào)線50 m范圍線外，附近無重要管線及建筑；北側(cè)基坑，周長約為472 m，總面積約10670 m2，位于地鐵9號(hào)線、11號(hào)線50 m范圍保護(hù)線內(nèi)，基坑側(cè)壁距離地鐵9號(hào)線車站通道結(jié)構(gòu)最近約5 m，距離地鐵隧道11號(hào)線結(jié)構(gòu)外邊線最近約10.5 m?；又ёo(hù)平面監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)平面監(jiān)測點(diǎn)布置

本基坑較深，基坑支護(hù)段基坑深度約11.0 m，場地內(nèi)填石層較厚，場地東側(cè)、西側(cè)基坑支護(hù)安全等級(jí)定為二級(jí)，其中北側(cè)3-3剖面靠近地鐵隧道基坑支護(hù)安全等級(jí)定為一級(jí)。本工程將基坑分為南北兩地塊,其中南地塊先施工。南地塊基坑周長約為693 m，總面積約30452 m2，根據(jù)周邊環(huán)境及地質(zhì)條件，基坑主要采用雙排樁支護(hù)型式，基坑北側(cè)分兩級(jí)放坡采用土釘墻支護(hù)。北地塊基坑周長約為572 m，總面積約10670 m2，基坑主要采用咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式(圖2)。

圖2 南側(cè)基坑支護(hù)2-2斷面

考慮到施工造價(jià)和施工難易程度，基坑支護(hù)形式創(chuàng)新采用了前后雙排樁設(shè)計(jì)，基坑內(nèi)側(cè)一排咬合樁(299條Ф1200@1800 mm葷樁、300條Ф1200@1800 mm素樁)，基坑外側(cè)一排分布支護(hù)樁(150條Ф1200@3600 mm)。

雙排樁頂設(shè)有500 mm厚鋼筋混凝土壓板；壓板基坑側(cè)設(shè)有300 mm厚鋼筋混凝土擋板，內(nèi)側(cè)回填土方，坑頂護(hù)欄，坑頂/坑底水溝，集水井，樁間噴錨。

3 基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境影響的數(shù)值分析方法

3.1 有限元分析模型

采用巖土和隧道有限元分析軟件midas GTS NX對(duì)Z大廈基坑開挖項(xiàng)目進(jìn)行建模分析，土體采用三維土工有限元軟件在不考慮水的影響(土水合算)的條件下模擬設(shè)計(jì)工況基坑開挖、支護(hù)過程，用以計(jì)算基坑開挖土體應(yīng)力釋放造成基坑周邊環(huán)境變形。

3.2 材料本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

基坑內(nèi)支撐采用一維彈性桿單元模擬，基坑圍護(hù)、樓板撐，各土層則假設(shè)為彈塑性體，材料的破壞準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則，本構(gòu)模型選用修正摩爾-庫倫模型。分析模型以3～5倍的基坑深度距離為模型邊界，模型底面為基坑底以下中風(fēng)化巖，模型共有節(jié)點(diǎn)62731個(gè)，單元376960個(gè)。為了簡化計(jì)算，本次模型模擬截取了南側(cè)地層最不利一段進(jìn)行建模分析(圖3、圖4)，模型外尺寸為11 m×40 m×31 m；基坑支護(hù)腰梁和支撐構(gòu)件均采用一維梁單元，其截面形狀和尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)完全相同；基坑支護(hù)樁采用等剛度代換后采用二維板單元代替，支護(hù)錨索采用一維植入式桁架單元。

圖3 2-2’剖面段基坑建模模型

3.3 邊界條件及荷載

計(jì)算模型中各垂直邊邊界條件為水平鉸支約束，模型底面為豎向位移約束。各計(jì)算施工階段邊界條件不變。場地初始豎向應(yīng)力場為土體自重σz+基坑邊3.6 m處固定附加應(yīng)力20 kp，水平向應(yīng)力σx，按下式確定：

σx=K0(σz+20)

(1)

式(1)中，K0為靜止土壓力系數(shù)，全風(fēng)化巖取0.35，強(qiáng)風(fēng)化巖取0.18，中風(fēng)化巖取0.1，其它土按下式計(jì)算：

K0=1-sinφ

(2)

3.4 基坑內(nèi)地層條件

本場區(qū)地層自上而下土層分別為：第①層填石層，填石層平均層厚8.27 m，進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)6.2 m，擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值8.0擊；第②層淤泥質(zhì)黏土平均層厚1.97 m，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)21次，擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值2.0擊；第③1層粉質(zhì)黏土，平均層厚2.28 m，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)8次，標(biāo)準(zhǔn)值13.0擊；第③2礫砂，平均層厚1.60 m，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)6次，標(biāo)準(zhǔn)值14.7擊；第④層礫質(zhì)黏性土，平均層厚13.2 m，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)110次，標(biāo)準(zhǔn)值24.3擊；第⑤層為燕山期花崗巖(γK1)，根據(jù)其風(fēng)化程度可分為4個(gè)風(fēng)化帶：第⑤-1全風(fēng)化花崗巖層、第⑤-2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、第⑤-3中等風(fēng)化層和第⑤-4微風(fēng)化層。典型地質(zhì)剖面圖見圖5。

圖5 南側(cè)區(qū)域基坑邊線地質(zhì)剖面

3.5 建模時(shí)巖土體和構(gòu)件材料強(qiáng)度參數(shù)取值

巖土體參數(shù)取值見表1。

表1 土體參數(shù)取值

3.6 有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比分析

模型選取了4個(gè)階段的成果進(jìn)行分析：第一階段，開挖2.7 m；第二階段，開挖6.3 m；第三階段，開挖9 m；第四階段，開挖10.8 m。

模型的土層情況自上而下分別為：①2填石6.3 m，②淤泥質(zhì)黏土2.7 m，③1粉質(zhì)黏土3.6 m，④礫質(zhì)黏性土12.6 m，⑤1全風(fēng)化12.6 m，⑤2強(qiáng)風(fēng)化16.2 m。

針對(duì)SP20點(diǎn)進(jìn)行模型模擬，從圖6～圖10可以得出土體水平位移變形結(jié)果：

(1)隨著基坑開挖深度的增加，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力不斷增大，坑外土體便向坑內(nèi)移動(dòng)，因此土體水平方向的位移逐漸增大。

(2)隨著開挖深度的增加，坑頂水平變形的影響范圍在變大。

(3)本項(xiàng)目坑頂?shù)淖畲笏轿灰瓢l(fā)生在基坑開挖第四階段，大小約為34.85 mm，未超過坑頂水平位移允許值。

(4)模擬值與監(jiān)測實(shí)際值基本一致。

從圖11～圖15可以得出模型模擬土體豎向位移變形結(jié)果：

(1)隨著基坑開挖深度的增加，坑頂周圍的土體向坑內(nèi)移動(dòng)的過程中產(chǎn)生地表沉降，沉降量伴隨開挖深度增加和坑外超載的雙重作用，坑頂周圍的土體的最大沉降量在坑頂超載處。

(2)本項(xiàng)目坑頂?shù)淖畲笪灰瓢l(fā)生在基坑開挖第四階段，大小約為5.8 mm，未超過坑頂豎向位移允許值。

(3)模擬值與監(jiān)測實(shí)際值基本一致。

從圖16～23可以看出模型模擬前排樁彎矩值：模型模擬后排樁彎矩值：

(1)前后排樁的反彎點(diǎn)位置不相同，前排樁反彎點(diǎn)位置在基坑底以下約1 m處，后排樁反彎點(diǎn)位置剛好在基坑底處。

(2)前排樁最大正彎矩值發(fā)生在坑頂以下7.8 m處，約為基坑開挖深度的2/3，而后排樁最大正彎矩值發(fā)生在樁頂處；前排樁最大負(fù)彎矩位置在基坑底以下約4.0 m處，后排樁最大負(fù)彎矩位置在基坑底以下5.0 m處；前后排樁樁端彎矩大小都為零。

(3)前排樁所受到的最大正負(fù)彎矩值比較接近，大小分別約1103 kN·m和984 kN·m；由于后排樁的樁距是前排樁的兩倍，導(dǎo)致后排樁的正負(fù)彎矩相差較大，大小分別約為1960 kN·m、790 kN·m。

(4)由于衡重臺(tái)的作用，前排樁的正負(fù)彎矩大小較接近，后排樁的正彎矩與負(fù)彎矩相差較大，前后排樁的樁身彎矩分布規(guī)律總體上出現(xiàn)較大差異。

4 結(jié)論

本文利用MIDAS GTS NX軟件在對(duì)Z總部基地基坑?xùn)|南側(cè)2-2剖面建立三維模型，在建立模型過程中，對(duì)模型尺寸、土體材料本構(gòu)模型及強(qiáng)度參數(shù)、邊界條件及荷載作出合理的簡化、假設(shè)及選取，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，解決了理正深基坑7.0對(duì)衡重式雙排樁計(jì)算存在的缺陷問題。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)基坑開挖過程中雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩、深層水平位移以及坑頂水平與豎向位移的變化進(jìn)行分析。

(1)本文通過有限元分析的手段解決了理正深基坑7.0在設(shè)計(jì)計(jì)算建模中對(duì)衡重臺(tái)、后排樁樁距及嵌固深度無法布置的問題，從而提高了設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的精度。通過對(duì)本項(xiàng)目地質(zhì)條件及基坑?xùn)|南側(cè)的2-2剖面進(jìn)行研究，得出了：由于衡重臺(tái)的作用，前排樁的正負(fù)彎矩大小較接近，后排樁的正彎矩與負(fù)彎矩相差較大，前后排樁樁身彎矩分布規(guī)律總體上出現(xiàn)較大差異。前后排樁樁頂和樁底均有一定的水平側(cè)移，總體上前后排樁的變形為傾覆式變形。由于衡重臺(tái)水平板的約束作用，前后排樁的樁身深層水平位移最大值基本相等，變形規(guī)律基本一致。支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、坑頂水平以及豎向位移最大值均在樁頂位置。

(2)通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征及變形規(guī)律對(duì)比分析中，得出了有限元分析結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本吻合。說明了本文采用的監(jiān)測方案、有限元計(jì)算模型及選取參數(shù)均是正確的。