謝 晟

（廣東省地質建設工程集團公司 廣州 510060）

關鍵字：深基坑；深厚軟土地層；邊坡；內(nèi)插木樁；三維有限元

0 引言

隨著基建行業(yè)的快速發(fā)展，深大基坑工程的建設量逐年上升，而受周圍環(huán)境因素的影響，深基坑支護穩(wěn)定性逐漸成為研究學者的研究焦點［1-3］。放坡支護由于具有施工進度快、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，在深基坑工程中有廣泛的應用［4-6］。然而，采用放坡支護對施工場地和土質條件有很高的要求，尤其是深厚軟土地區(qū)的深基坑工程，為滿足文獻［7］對放坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求，放坡的坡率往往需要小于1∶4，導致基坑開挖和回填的土方量大，工程造價高。木樁憑借其便捷的施工、低廉的成本，使得木樁與其他支護形式相結合的復合支護體系在軟土基坑支護中得到較多應用，例如：李建元等人［8］通過理論計算和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，分析了內(nèi)插木樁對復雜條件下邊坡的穩(wěn)定性的影響規(guī)律；戴菊英等人［9］采用橋梁博士計算軟件，獲取了內(nèi)插木樁水平抗力的大小，完善了木樁對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律的計算理論；鄭堅等人［10］通過一個應用實例，證明內(nèi)插木樁可有效提高邊坡的穩(wěn)定性；李潤等人［11］利用Plaxis有限元程序分析了木樁在軟土基坑支護中的支護效果及其加固機理；高秀琴［12］通過現(xiàn)場實測分析，指出內(nèi)插松木樁可有效地控制邊坡的水平位移；彭定新［13］分析了木樁對邊坡的加固機制并給出了內(nèi)插木樁邊坡的設計方法。雖然上述研究成果已初步分析了木樁在邊坡支護中的應用，但內(nèi)插木樁+放坡的組合支護體系在深厚軟土地層中深度超過10 m的基坑工程的應用效果及其加固機理仍未見報告。

為此，本文以廣州亞運城某10.1 m 深的基坑支護工程項目為依托，研究大面積放坡+內(nèi)插松木樁的支護形式在深厚軟土地層的應用效果，基于塑性應變能判據(jù)［14-15］，利用Midas/GTS 有限元軟件模擬和預測松木樁的長度及間距，對深厚軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響規(guī)律，同時將現(xiàn)場監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果進行對比，以期為廣州深厚軟土地區(qū)其他類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

廣州亞運城某基坑支護工程位于廣州市番禺區(qū)石樓鎮(zhèn)廣州亞運城東側，基坑開挖深度為10.10～15.10 m，基坑周長約1 251 m?；觽缺诎踩燃墸簴|側F～M 段為三級，其余區(qū)段為一級?；颖眰葹闃费蚵?，地下室邊線距道路邊線約為4 m?；訓|側空地，項目施工期間可使用?；幽蟼葹榕d亞三路，地下室邊線距道路邊線約為4 m，距離地下室邊線約92 m 外為裕豐涌。基坑西側為亞運大道，地下室邊線距道路邊線約8 m。

1.2 水文地質概況

場地質相對復雜，由上到下依次為2.5～7.3 m雜填土層、3.5～14.8 m 淤泥層、0.6～11.1 m 粉質粘土層、0.9～5.3 m淤泥質土層、0.8～5.7 m殘積土層、0.8～9.9 m全風化砂層、0.5～26.1 m強風化砂層，地層分布不均。基坑開挖范圍主要為雜填土、淤泥、粉質粘土、淤泥質土等?；涌拥字饕獮榉圪|粘土，局部為淤泥?；余徑佑浚娱_挖前，在基坑周邊設置φ800@600的攪拌樁作為止水帷幕?；拥闹饕ёo形式為：東北角、西南角和西北角采用樁撐支護，東側采用大面積放坡支護，其余采用樁錨支護，基坑支護結構平面布置如圖1 所示，其中東側的放坡支護，其開挖深度范圍的土層為1.8 m的雜填土和8.31 m的淤泥，對開挖邊坡的穩(wěn)定性有嚴格的要求，放坡支護的典型剖面如圖2所示。

圖1 基坑支護結構平面布置Fig.1 Plan of Foundation Pit Support Structure（mm）

圖2 放坡區(qū)段基坑支護結構剖面Fig.2 Slope Release Section Profile（mm）

2 三維有限元模型的建立

2.1 基本情況

基坑東側為預留用地，位置開闊，因此，這一側采用放坡支護，基坑放坡開挖深度10.1 m，坡率1∶2.5，坡面噴80 mm 厚C20 混凝土掛φ6@250 mm×250 mm 鋼筋網(wǎng)，坡頂、中間平臺和坡腳分別設置1排、2排和4排φ800@600的水泥攪拌樁，同時，為提高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，擬在邊坡坡面打插直徑100～200 mm 的松木樁，基坑放坡區(qū)段的典型支護結構剖面分別如圖2 所示。有限元數(shù)值模擬分別分析松木樁長度和間距對支護效果的影響規(guī)律。三維有限元模型取130 m×15 m×30 m（長×寬×高）的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側邊限制對應方向的水平位移，三維有限元模型如圖3所示。

圖3 Midas/GTS有限元模型Fig.3 Midas/GTS Finite Element Model

2.2 基本假定

該模型建立的基本假定主要如下：①土體本構模型采用莫爾-庫侖本構模型，支護結構體系本構模型采用線性彈性模型，各材料的物理力學參數(shù)如表1 所示；②假定各土層都為成層均質水平分布；③不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響；④邊坡穩(wěn)定性分析采用有限元強度折減法。

表1 有限元模型各材料物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Material in the Finite Element Model

3 數(shù)值模擬結果與分析

3.1 模擬結果

3.1.1 松木樁長度對軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

在Midas/GTS 有限元模型中，分別設置松木樁的長度為2 m、4 m、6 m 和8 m。松木樁長度對軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響結果如圖4?所示。

3.1.2 松木樁間距對軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

在Midas/GTS 有限元模型中，分別設置松木樁的間距為0.75 m×0.75 m、1.50 m×1.50 m、2.25 m×2.25 m以及3.00 m×3.00 m。松木樁間距對軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響結果如圖4?所示。

圖4 松木樁長度及間距對軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響Fig.4 Effect of Pine Pile Length and Spacing on Safety Factor of Soft Soil Slope Stability

3.2 結果分析

3.2.1 松木樁長度的影響分析

由圖4?可知，軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁長度的增加而增加，但隨木樁間距的不同而表現(xiàn)出不同的趨勢，當木樁間距＞2.25 m 時，打插木樁對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻不大，對于木樁間距＝3.00 m 時，即使木樁長度達到8.0 m，穩(wěn)定安全系數(shù)僅增加0.1（10%）；對于木樁間距＜2.25 m 的情況，例如s=0.75 m 和1.50 m 時，打插木樁對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻較大，當木樁長度為6.0 m 時，穩(wěn)定安全系數(shù)增加0.3（30%），因此，建議打插的木樁長度不宜＜6 m。不同木樁長度對應的軟土邊坡的廣義塑性應變分布如圖5 所示，由圖5 可知，當不打插木樁時，邊坡的最大廣義塑性應變集中在坡腳位置且延展范圍較大，邊坡穩(wěn)定土層的抗剪強度得不到充分調用，其穩(wěn)定安全系數(shù)較?。⊿F=1.01）；當邊坡打插木樁后，邊坡的最大廣義塑性應變集中在坡頂位置且延展范圍很窄，隨著木樁的長度增加，塑性區(qū)的開展范圍增加，總塑性應變能增加，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)增加，與華成亞等人［14-15］的研究結論一致。

圖5 不同松木樁長度軟土邊坡的塑性應變分布（s=1.5 m）Fig.5 Plastic Strain Distribution of Soft Soil Slopes with Different Pine Pile Lengths（s=1.5 m）

3.2.2 松木樁間距的影響分析

由圖4?可知，軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁間距的增加而減小，尤其值得關注的是，對于木樁長度大于5.0 m的情況，當木樁間距＞1.5 m時，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)迅速降低，對于木樁長度為5.0 m的情況，木樁間距增加至3.0 m 時，安全系數(shù)較s=0.75 m 時降低0.22。因此，建議打插的木樁間距不宜小于1.5 m。不同木樁間距對應的軟土邊坡的廣義塑性應變分布如圖6所示，由圖6可知，不同木樁間距條件下，邊坡的塑限區(qū)延展范圍大致相同，但相應的最大廣義塑性應變分布位置不同，對于木樁間距較大，如s=2.25 m和s=3.00 m的情況，邊坡的最大廣義塑性應變集中在坡腳位置，與不打插木樁的情況相似，因此當木樁間距大于2.25 m 時，打插木樁對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響不明顯；對于木樁間距較小，如s=0.75 m 和s=1.50 m 的情況，邊坡的最大廣義塑性應變集中在滑動面中部木樁底部的位置，說明木樁起到有效調整廣義塑性應變分布的效果，進而實現(xiàn)木樁與土體的協(xié)調變形［16］，提高邊坡的安全系數(shù)。

圖6 不同松木樁間距軟土邊坡的塑性應變分布（L=6.0 m）Fig.6 Plastic Strain Distribution of Soft Soil Slopes with Different Pine Pile Spacing（L=6.0 m）

4 數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果比較

根據(jù)上述分析，亞運城項目自編號F地塊F1分區(qū)基坑支護工程東側采用放坡支護，其中坡率為1∶2.5，內(nèi)插長度L=6.0 m，間距1.5 m×1.5 m的φ150～200松木樁，坡面噴80 mm厚C20混凝土掛φ6@250 mm×250 mm鋼筋網(wǎng)，坡頂、中間平臺和坡腳分別設置1排、2排和4排φ800@600 的水泥攪拌樁，項目對該放坡區(qū)段做了土體深層水平位移監(jiān)測（測斜），基坑的具體監(jiān)測方案和典型監(jiān)測結果分別如圖7～圖8所示。其中圖8給出了Midas/GTS有限元模擬結果與監(jiān)測結果的對比。

圖7 基坑監(jiān)測平面布置Fig.7 Foundation Pit Monitoring Plan Layout

由圖8 可知，邊坡的實測深層水平位移最大值為83 mm，小于文獻［7］限定的水平位移控制值100 mm，同時，邊坡土體深層水平位移的監(jiān)測值與有限元模擬結果具有良好的一致性。目前項目已完工，基坑東側的內(nèi)插木樁放坡支護應用效果良好，本文的研究成果可為廣州深厚軟土地區(qū)其他類似工程提供參考。

圖8 計算結果與監(jiān)測結果對比Fig.8 Comparison of Numerical Results and Monitoring Results

5 結論

廣州亞運城某基坑支護工程的工程場地地層復雜，地質條件差，地下水豐富，基坑開挖深度大，對基坑的支護結構選型提出了較高的要求，其中，基坑東側采用大面積放坡+內(nèi)插松木樁的支護形式，確保了基坑工程的順利實施，并有效地節(jié)約了成本和工期，得到的主要結論如下：

⑴從支護性能方面來看，大面積放坡+內(nèi)插松木樁的支護形式在廣州地區(qū)深厚軟土地層深基坑支護中的應用是可行的。

⑵軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁長度的增加而增加，但隨木樁間距的不同而表現(xiàn)出不同的趨勢，當木樁間距＞2.25 m 時，打插木樁對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻不大；對于木樁間距＜2.25 m 的情況，打插木樁對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻較大。

⑶軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁間距的增加而減小，對于木樁長度較大的情況，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨木樁間距的增加迅速降低。

⑷當不打插木樁時，邊坡的最大廣義塑性應變集中在坡腳位置且延展范圍較大，其穩(wěn)定安全系數(shù)較?。划斶吰麓虿迥緲逗?，邊坡的最大廣義塑性應變集中在坡頂位置且延展范圍很窄，隨著木樁的長度增加，塑性區(qū)的開展范圍增加，總塑性應變能增加，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)增加。隨著木樁間距的減小，邊坡的最大廣義塑性應變由集中于坡腳轉變?yōu)榧杏诨瑒用嬷胁磕緲兜撞康奈恢?，說明木樁起到有效調整廣義塑性應變分布的效果，進而實現(xiàn)木樁與土體的協(xié)調變形，提高邊坡的安全系數(shù)。