鄧小仕

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司，四川 成都610041）

0 引 言

目前，深基坑工程還處于在實(shí)踐中摸索的階段。在工程實(shí)踐中主要用理論導(dǎo)向，經(jīng)驗(yàn)判斷，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控三者結(jié)合的方法來(lái)指導(dǎo)深基坑的設(shè)計(jì)和施工，尚缺乏成熟的規(guī)范技術(shù)。在深基坑的設(shè)計(jì)施工中，圍護(hù)樁與土體間由于側(cè)摩阻力相互作用，如果不注意土體應(yīng)力釋放引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，則會(huì)對(duì)基坑的施工和設(shè)計(jì)安全造成不利影響，同時(shí)給基坑工程實(shí)際的監(jiān)控測(cè)量點(diǎn)的確定帶來(lái)影響。采用有限元數(shù)值模擬和分析，得出基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)樁的變形受力規(guī)律，以及圍護(hù)樁受力最薄弱的部位等，對(duì)促進(jìn)深基坑的設(shè)計(jì)與施工有著積極的意義。

本文以重慶軌道交通6 號(hào)線江北城車站43 m深基坑為依托工程展開研究，對(duì)該基坑采用逆作法施工的過(guò)程進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬分析，得出不同開挖步序下圍護(hù)樁的受力變形規(guī)律，并跟工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為類似工程施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

重慶市軌道交通六號(hào)線一期工程江北城站設(shè)計(jì)為六號(hào)線與九號(hào)線的地下?lián)Q乘站。基坑深約43 m，下部巖質(zhì)邊坡及暗洞仰坡采用錨桿加噴混凝土支護(hù)，上部土層采用樁板擋墻支護(hù)?；娱_挖采用逆作法，自上而下，隨挖隨支。圍護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)為東側(cè)為圓樁，其他三側(cè)為方樁。

地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)填土層、殘坡積層和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組沉積巖層。各層巖土分別為素填土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)泥巖、砂巖?；铀幍貙哟蟛糠譃樯皫r地層。

2 數(shù)值模型及開挖工序

2.1 參數(shù)及模型選取

本模型計(jì)算邊界條件確定：基坑的尺寸為42 m×66 m，水平邊界一般取基坑尺寸的3～5 倍，取142 m×166 m，基坑的開挖深度為43 m，上下邊界一般取開挖深度的3～5 倍，下邊界取120 m。水平邊界取水平約束，下邊界取豎直約束，上邊界為自由邊界。有限元模型單元數(shù)159 926，節(jié)點(diǎn)數(shù)169 187。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型圖

計(jì)算中，土體采用實(shí)體單元，樁采用梁?jiǎn)卧?，錨索采用桿單元。錨索預(yù)應(yīng)力的施加采用降溫法實(shí)現(xiàn)。

2.2 開挖步驟

根據(jù)深基坑工程具體特點(diǎn)以及場(chǎng)地的具體情況，開挖原則根據(jù)每層錨索高度進(jìn)行分層高度開挖，回填土層每層開挖高度不大于1 m，巖質(zhì)邊坡待該層邊坡支護(hù)完成后再進(jìn)行下一層土石方開挖。車站基坑逆作法施工程序：施工支護(hù)排樁，基坑頂部第一層開挖支護(hù)（開挖土體，樁間土層錨噴C25 混凝土，鉆孔施工第一層預(yù)應(yīng)力支護(hù)錨索），依次往下分8 層開挖支護(hù)。開挖至第一道錨索標(biāo)高為第一步，施作第一道錨索為第二步，依次，直到施作第八道錨索為第十六步，因此模型計(jì)算共考慮16 步。

3 圍護(hù)樁應(yīng)力位移分布情況分析

基坑的開挖過(guò)程中的主要變形為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，基底隆起和地表沉降。

基坑逐步向下開挖時(shí)，土體應(yīng)力釋放，基坑周圍土體的初始應(yīng)力發(fā)生改變使地層產(chǎn)生位移。圍護(hù)樁內(nèi)側(cè)土體的開挖導(dǎo)致的荷載不平衡使圍護(hù)樁發(fā)生位移和變形，圍護(hù)樁的變形又引起地層移動(dòng)，地表沉降，使基坑外側(cè)的塑性區(qū)增大，因而使基坑外圍土體向基坑內(nèi)側(cè)擠壓致使基坑底部隆起。圍護(hù)樁外側(cè)受主動(dòng)土壓力，內(nèi)側(cè)部分受被動(dòng)土壓力。

取基坑開挖第一步和施作預(yù)應(yīng)力錨索第一步進(jìn)行分析，研究開挖支護(hù)后圍護(hù)樁的位移應(yīng)力分布情況。

3.1 開挖第一步

（1）樁位移分析

從圖2、圖3 中可以看出開挖第一步后樁南北側(cè)的最大水平位移為13.5 mm，發(fā)生在基坑北側(cè)短樁的樁頂，方向?yàn)橄蚧油鈧?cè)方向。樁東西側(cè)的最大水平位移為13.7 mm，發(fā)生在基坑?xùn)|側(cè)的圓樁。

圖2 圍護(hù)樁南北方向的位移云圖

圖3 圍護(hù)樁東西方向的位移云圖

由此可見，基坑開挖的過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移一般發(fā)生在基坑長(zhǎng)邊的跨中部位，短邊位移相小于長(zhǎng)邊位移。

（2）樁應(yīng)力分析

從圖4、圖5 中可以看出開挖第一步后樁的最大第一主應(yīng)力為7.01 MPa, 發(fā)生在基坑北側(cè)的短樁中上部。最小第三主應(yīng)力為-10.7 MPa，發(fā)生在東側(cè)圓樁下部。

圖4 圍護(hù)樁第一主應(yīng)力圖

圖5 圍護(hù)樁第三主應(yīng)力圖

3.2 支護(hù)第八步

位移分析：

從圖6、圖7 看出，深基坑開挖至底部后，支護(hù)樁最大水平位移增大到15.7 mm，滿足規(guī)范要求，不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。支護(hù)樁的最大位移向下發(fā)展，發(fā)生在樁深度29 m 左右，約為基坑開挖深度的2/3 處，圓樁嵌固在泥巖中的樁底的水平位移很小，可以忽略。樁所受應(yīng)力增大，最大應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖6 圍護(hù)樁南北方向的位移云圖

圖7 圍護(hù)樁東西方向的位移云圖

3.3 不同開挖步序?qū)兜氖芰τ绊懛治?/h3>

3.3.1 單樁的水平位移

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移是判斷基坑穩(wěn)定的重要依據(jù)。由于基坑的開挖，基坑外圍的主動(dòng)土壓力使圍護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)。土體開挖尚未施作預(yù)應(yīng)力錨索，圍護(hù)樁上部類似于懸臂狀態(tài)，土體應(yīng)力急速釋放，樁頂變位明顯增加。圍護(hù)樁水平位移規(guī)律很明顯，隨著基坑的開挖有明顯變化。為說(shuō)明單樁的水平位移變化情況，現(xiàn)取基坑?xùn)|側(cè)圓樁中部的一個(gè)樁，在上面定義一路徑，圖8 給出該路徑上第一、三、五、八步開挖時(shí)水平位移曲線。

圖8 不同步序下單樁水平位移

基坑開挖過(guò)程是土體應(yīng)力釋放的過(guò)程。當(dāng)開挖第一步時(shí)，挖深較淺，還未施加預(yù)應(yīng)力錨索，此時(shí)圍護(hù)樁樁頂位移最大，向著基坑內(nèi)側(cè)變位，當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力錨索后其樁頂位移有緩解趨勢(shì)向基坑外側(cè)移動(dòng)。隨著開挖深度的增加，基底土體隆起，圍護(hù)樁向內(nèi)側(cè)的變位逐漸恢復(fù)，有向外移動(dòng)的趨勢(shì)，樁腹部向基坑內(nèi)側(cè)突起。

3.3.2 基底隆起量

在基坑向下豎直開挖時(shí)，破壞了土體的初始應(yīng)力，由于土體的自重應(yīng)力的解除，基坑周邊土體向坑內(nèi)擠壓，基底土體水平應(yīng)力增加，使圍護(hù)樁產(chǎn)生水平位移。卸載后土體為了保持荷載的平衡產(chǎn)生回彈，致使基底土體向上隆起，隆起量分布為中間最大向兩側(cè)逐漸減小。整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍出現(xiàn)一定的塑性區(qū)，并出現(xiàn)一定的地表沉降。隨著開挖深度的增加，隆起量和基坑周圍地表沉降呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。由于開挖后對(duì)基底采取及時(shí)灌漿處理，隆起量在合理范圍內(nèi)。如圖9 所示，取基底中部三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行隆起量分析。

圖9 不同步序下基底隆起量

3.3.3 樁的應(yīng)力

由圖10 中看出，圍護(hù)樁受力的最大工序在基坑第八層土的開挖，圍護(hù)樁受的最大主壓應(yīng)力值為15.7 MPa。最大主拉應(yīng)力值為8.26 MPa。均滿足規(guī)范要求。隨著開挖深度的增加，圍護(hù)樁的最大拉壓應(yīng)力都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，及時(shí)的施作預(yù)應(yīng)力錨索可以使這種增大趨勢(shì)減緩。

圖10 不同步序下一、三主應(yīng)力

3.4 數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

數(shù)值分析僅是理論上的一種計(jì)算，取到完全符合實(shí)際的地層參數(shù)存在較大困難，不可能考慮很多其它施工影響因素。該工程有大量的監(jiān)控量測(cè)的科研監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在這里，選取圍護(hù)樁樁頂幾個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的水平位移值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖11 給出基坑西側(cè)中部一樁頂水平位移的監(jiān)控實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算模擬值。

圖11 單樁水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖12 為基坑底部一點(diǎn)豎向位移的監(jiān)控實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算模擬值的對(duì)比。

圖12 基坑底部豎向位移模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

從圖11 可以看出第一次開挖樁頂水平位移最大，隨著開挖深度的增加，樁頂向內(nèi)側(cè)的變位逐漸恢復(fù)。每一次支護(hù)后水平位移有所減小。單樁水平位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化規(guī)律基本一致，但計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，主要原因?yàn)?深基坑的三維空間效應(yīng)的存在使實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值；實(shí)際施工中圍護(hù)樁樁頂施作了頂梁，而數(shù)值模型中沒有考慮頂梁；開挖過(guò)程中地下水位的變化。從圖12 可以看出基坑底部豎向位移兩者較為接近，且變化趨勢(shì)相同，隨著開挖深度的增加，底部豎向位移呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，由于合理支護(hù)位移在合理范圍內(nèi)。因此本文所建立模型能夠反映真實(shí)情況。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)江北城車站43 m 深基坑的數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）基坑開挖時(shí)，圍護(hù)樁的變形是導(dǎo)致周圍地層移動(dòng)的主要原因，施工時(shí)重點(diǎn)監(jiān)控圍護(hù)樁的樁頂水平位移。第一步是土體應(yīng)力變化最劇烈的一步，因此必須控制好第一步開挖對(duì)圍護(hù)樁的變形影響或及時(shí)采取支護(hù)措施；

（2）對(duì)于超深基坑，基坑的水平方向的三維空間效應(yīng)顯著。越靠近基坑坑壁邊界，空間效果越明顯，越靠近基坑跨中中部范圍，空間效果越弱。表現(xiàn)為跨中水平位移明顯大于坑壁邊界的水平位移；

（3）模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都表明在圍護(hù)樁上及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力錨索，能夠有效的遏制基坑變形的進(jìn)一步發(fā)展。若基坑開挖迅速形成大面積臨空面，地層應(yīng)力重分布使結(jié)構(gòu)劣化，需要合理的施工工序和正確的支護(hù)結(jié)構(gòu)才可很好控制變形；

（4）將采用ANSYS 有限元分析軟件計(jì)算的單樁水平位移值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，兩者較為接近，且變化趨勢(shì)相同，反映了本文所確立的有限元分析思路以及數(shù)值模型方法的準(zhǔn)確性。