劉春峰，朱懷龍，，胡文韜

（1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013；3.江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330013）

傾斜樁可以實現(xiàn)基坑無水平支護(hù)，具有顯著的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益［1-5］。長短樁可以通過減小樁長達(dá)到節(jié)約造價的目的，得到了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注［6-9］。近年來，坑中坑工程是當(dāng)今基坑設(shè)計研究的一個熱點［10］?？又锌庸こ痰膬?nèi)坑一般具有深度較淺、空間相對較小、圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度較大、基坑整體變形較小等特點。鑒于此，本文以某坑中坑工程為依托，從內(nèi)坑支護(hù)樁的樁長和角度考慮，提出了3種優(yōu)化方案，并借助數(shù)值軟件，探討優(yōu)化方案的可行性。

1 工程概況

擬建項目為坑中坑工程，上部為外坑，下部為內(nèi)坑。外坑寬30 m、深度11.9 m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻支護(hù)，墻體埋深30 m；內(nèi)坑寬15 m，開挖深度約8 m，設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑0.8 m鉆孔灌注樁，樁長16 m，外坑和內(nèi)坑的第一道支撐為砼支撐（間距為9 m），其余支撐為鋼支撐（間距為3 m）?；訃o(hù)橫斷面見圖1。

圖1 基坑圍護(hù)橫斷面（單位：mm）

2 數(shù)值模型

2.1 計算參數(shù)

土體采用考慮小應(yīng)變剛度的HSS模型。在結(jié)合地質(zhì)勘查資料以及既有南昌硬化土參數(shù)研究［11］的基礎(chǔ)上，確定了如表1所示的有限元計算參數(shù)。考慮到HSS模型本構(gòu)主要針對的是土體卸荷作用，將砂巖這類卸荷影響較小的材料本構(gòu)選定為傳統(tǒng)的MC本構(gòu)。

表1 土層參數(shù)

地下連續(xù)墻模擬為板單元；砼支撐、鋼支撐模擬為定錨桿；內(nèi)坑支護(hù)樁模擬為梁單元。板單元、錨桿單元、梁單元均按線彈性材料考慮，具體參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)參數(shù)

2.2 幾何模型與邊界條件

采用Plaxis 3D有限元軟件進(jìn)行建模分析?？紤]到模型結(jié)構(gòu)左右對稱，為精簡計算成本，只建立一半模型。為消除邊界效應(yīng)，基坑模型的幾何尺寸確定為55 m（長）×36 m（寬）×56 m（高）（大于3～5倍基坑深度），計算模型見圖2。模型四周以及底部施加約束，僅頂部自由。

圖2 有限元計算模型

2.3 計算工況

數(shù)值分析的工況如表3所示。

表3 三維施工模擬主要計算工況

2.4 模型驗證

為了驗證數(shù)值模型和土層參數(shù)取值的合理性，將內(nèi)外坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的模擬值和實測值進(jìn)行對比，如圖3所示。由圖3可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬與實測總體變化規(guī)律較為接近，且幅值相差較小，證實本文建立的模型合理可靠。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移模擬值與實測值對比

根據(jù)規(guī)范所述［12］，基坑位移監(jiān)測預(yù)警值為30 mm，大于6.30 mm（支護(hù)樁水平位移最大實測值），故該基坑設(shè)計方案存在一定優(yōu)化空間。

3 優(yōu)化方案

3.1 傾斜樁支護(hù)

相較常規(guī)支護(hù)（等長樁＋支撐），傾斜樁支護(hù)無需水平支撐，基坑施工空間較大、施工進(jìn)度較快。根據(jù)既有研究［4］，就支護(hù)效果而言，內(nèi)斜直樁效果較好，外斜直樁次之，純斜樁較差，故本文選取內(nèi)斜直樁與外斜直樁作為優(yōu)化方案，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化方案示意圖

根據(jù)數(shù)值模型分析結(jié)果可得開挖至內(nèi)坑坑底時支護(hù)樁位移變化規(guī)律如圖5所示。將圖5中各種工況的最大位移匯總，如表4所示。

表4 傾斜樁最大水平位移匯總

由圖5可知，傾斜角較小時（如－10°），樁頂部位移較大，此時樁的位移變化趨勢與懸臂支撐類似。隨著傾角增大，樁的位移變化趨勢逐漸變?yōu)榕c原方案類似的“鼓肚子”形狀，這主要是因為傾斜樁相當(dāng)于對土體進(jìn)行一定角度的放坡，且斜樁相當(dāng)于斜撐，對直樁起到一定支撐作用。

圖5 傾斜樁位移變化情況

由表4可知，兩種不同類型的傾斜樁位移與傾角成反比，且當(dāng)傾斜角度由－10°變?yōu)椋?5°時，外斜直樁位移發(fā)生突變，傾斜角度由15°變?yōu)?0°時，內(nèi)斜直樁位移發(fā)生突變。因此外斜直樁的傾角盡量不小于15°，當(dāng)樁的位移較大時，可設(shè)置傾角不小于20°的內(nèi)斜直樁來減小位移。

圖6為開挖至內(nèi)坑坑底時，支護(hù)樁彎矩變化規(guī)律圖。將圖6中各種工況的最大彎矩匯總，如表5所示。

圖6 傾斜樁彎矩變化情況

表5 傾斜樁最大彎矩匯總

由圖6可知，原方案彎矩為典型的水平支護(hù)樁變化趨勢，坑底上部彎矩較大、下部較小，且在支撐處彎矩會向內(nèi)凹進(jìn)去；圖中坑底的彎矩變化趨勢不一致，呈“凹”形，這是因為樁側(cè)相鄰?fù)翆樱▓A礫層和強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖）模量相差過大。相較于傳統(tǒng)樁，傾斜樁彎矩分配合理，最大正負(fù)彎矩的比值接近1，且最大正負(fù)彎矩值所處位置上移，這是因為傾斜樁存在“自撐效應(yīng)”。

由圖6及表5可知，兩種不同類型傾斜樁的最大彎矩與傾角成正比，且直樁最大彎矩值在－15°時發(fā)生突變，因此設(shè)計優(yōu)化方案時，從彎矩考慮，外斜直樁的傾角盡量不小于15°。

由圖7可知，外坑水平位移變化主要發(fā)生在墻體埋深12～20 m處，該位置恰好是內(nèi)坑所處位置，因此可認(rèn)為外坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變化范圍僅與內(nèi)坑深度有關(guān)，與內(nèi)坑支護(hù)形式無關(guān)。傾斜支護(hù)均比原方案產(chǎn)生的外坑地連墻位移大，且在相同支護(hù)情況下，傾角越大，位移越小。

圖7 傾斜樁支護(hù)地連墻位移變化情況

盡管內(nèi)坑支護(hù)形式的變化會對外坑支護(hù)水平位移造成影響，但變化幅度較小，故設(shè)計優(yōu)化方案時，優(yōu)先考慮內(nèi)坑支護(hù)樁位移。

圖8為坑中坑開挖至內(nèi)坑坑底時，內(nèi)坑坑底隆起變化曲線。

圖8 傾斜樁支護(hù)內(nèi)坑坑底隆起情況

由圖8可知，傾斜樁增加內(nèi)坑坑底隆起，且在相同支護(hù)情況下，傾角越大，隆起越小。相較原方案，僅傾角－10°的傾斜樁坑底隆起發(fā)生了較大變化，其余傾斜樁均無大變化，故設(shè)計優(yōu)化方案時，優(yōu)先考慮內(nèi)坑支護(hù)樁位移，且不宜設(shè)置傾角－10°的外斜直傾斜樁。

考慮到內(nèi)斜直樁的施工成本大于外斜直樁的施工成本，且內(nèi)斜直樁會減小內(nèi)坑尺寸，優(yōu)化方案為外斜直樁傾角－15°支護(hù)。

3.2 長短樁支護(hù)

長短樁支護(hù)具體方案見表6。

表6 長短樁設(shè)計工況

根據(jù)長短樁數(shù)值模型分析結(jié)果，可得開挖至內(nèi)坑坑底時支護(hù)樁位移變化規(guī)律如圖9所示。將圖9中各種工況的最大位移匯總，如表7所示。

由圖9及表7可知，隨著樁長減小，支護(hù)樁的水平位移逐漸增大，且當(dāng)短樁嵌巖時，改變短樁長度，位移幾乎無變化，因此在設(shè)計長短樁優(yōu)化方案時，盡可能縮短短樁嵌巖深度。減小長樁或短樁樁徑會增大支護(hù)樁水平位移，且減小短樁樁徑對短樁影響較大，同時減小長樁和短樁樁徑，樁的位移出現(xiàn)較大幅度增長，且這種增長趨勢隨著樁徑減小而遞增。

圖9 長短樁位移變化情況

表7 長短樁最大水平位移匯總

減小樁長和樁徑均會使樁的位移增大，但幅度較小，當(dāng)長樁嵌巖長度不小于3 m且周圍土質(zhì)為砂層時，可減小部分樁長或樁徑以達(dá)到節(jié)約造價的目的，其中短樁可不嵌巖。

基于工業(yè)4.0、中國制造2025、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展背景，江銅貴冶正在開展智能工廠一期建設(shè)，計劃用兩年時間初步建成一套具有自動化、數(shù)字化、模型化、集成化、智能化等特征的銅冶煉智能工廠?；诖髷?shù)據(jù)、云平臺、統(tǒng)計分析模型等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建企業(yè)的智能決策、智能生產(chǎn)管理、智能執(zhí)行與感知體系，打造從管理決策到執(zhí)行反饋的閉環(huán)管控結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)制造效率、成本、質(zhì)量、過程管控等資源的優(yōu)化配置。在未來，江西銅業(yè)將會進(jìn)一步加大對企業(yè)智能化的建設(shè)，開發(fā)出更多具有江銅特色的數(shù)據(jù)深度分析模型，為中國銅冶煉行業(yè)發(fā)展作出更多的貢獻(xiàn)。

圖10為開挖至內(nèi)坑坑底時，支護(hù)樁彎矩變化規(guī)律。將圖10中各種工況的最大彎矩匯總，如表8所示。

由圖10及表8可知，長短樁和等長樁的彎矩整體變化趨勢一致，且減小樁長和樁徑均會降低樁的最大彎矩，其中樁徑的影響更大。

圖10 長短樁彎矩變化情況

表8 長短樁支護(hù)傾斜樁最大彎矩匯總

根據(jù)長短樁數(shù)值模型分析結(jié)果，可得開挖至內(nèi)坑坑底時內(nèi)坑坑底最大隆起如表9所示。

表9 長短樁支護(hù)內(nèi)坑坑底隆起量

由表9可知，減小樁徑和樁長均會增大內(nèi)坑最大隆起量，但與規(guī)范的20 mm相比，仍存在一定的安全空間。長短樁支護(hù)雖然會增大基坑的各項位移，但幅度較小，仍在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，基于經(jīng)濟合理的目的，長短樁支護(hù)的適宜參數(shù)為短樁樁長10 m、樁徑0.6 m。

3.3 傾斜長短組合樁支護(hù)

傾斜長短組合樁工況見表10。

表10 傾斜長短組合樁設(shè)計工況

根據(jù)傾斜長短組合樁數(shù)值模型分析結(jié)果，可得開挖至內(nèi)坑坑底時支護(hù)樁位移與彎矩變化規(guī)律如圖11～12所示。

圖11 傾斜長短組合樁水平位移變化情況

由圖11可知，減小直樁或斜樁樁長，均會使樁的位移增大，且減小直樁樁長造成的影響更大。

減小樁徑會增大樁的位移，其中只增加直樁或斜樁樁徑，對直樁位移幾乎無影響。因此設(shè)計時可通過減小樁徑以達(dá)到節(jié)約造價的目的。增大斜短樁的配比會大幅度增加樁的位移，故設(shè)計時不宜過多增加斜短樁配比。總體而言，斜短樁的配比對傾斜長短組合樁的位移影響較大，樁長次之。

由圖12可知，支護(hù)樁整體彎矩隨著樁長與樁徑減小以及斜短樁配比增大而減小，但變化幅度較小。

圖12 傾斜長短組合樁彎矩變化情況

基于經(jīng)濟合理的目的，傾斜長短組合樁的適宜參數(shù)為：短樁（斜樁）樁長10 m、長樁（直樁）樁長16 m、長樁和短樁樁徑0.6 m、長短樁配比1∶1。

3.4 方案對比

將3種優(yōu)化方案的最優(yōu)解匯總?cè)绫?1所示，其中材料用量（樁用量、支撐數(shù)量）以基坑100 m為例。

表11 方案對比

根據(jù)表11可知，從支護(hù)效果來看，長短樁＞傾斜樁＞傾斜長短樁；從工程效益考慮，傾斜長短樁＞長短樁＞傾斜樁?？傮w而言，3種優(yōu)化方案的最大位移僅7.89 mm，故選用優(yōu)化方案應(yīng)首先考慮工程效益。

4 結(jié) 論

以某坑中坑工程為依托，借助數(shù)值模擬手段，對原有的設(shè)計方案進(jìn)行分析研究，提出了3種優(yōu)化方案。通過研究不同優(yōu)化方案在實際工程中的變形與受力特性，探討實施的可行性，得到以下主要結(jié)論：

1）計算及實測表明原設(shè)計方案安全可靠，且存在優(yōu)化空間。

2）相較于原方案，本文提出的3種優(yōu)化方案均可行；從支護(hù)效果來看，長短樁＞傾斜樁＞傾斜長短樁；從工程效益考慮，傾斜長短樁＞長短樁＞傾斜樁?？傮w而言，優(yōu)化方案應(yīng)優(yōu)先考慮工程效益。

3）傾斜樁外斜直樁傾角盡量不小于15°，當(dāng)樁的位移較大時，可設(shè)置傾角不小于20°的內(nèi)斜直樁來大幅度減小位移。

4）長短樁樁徑對支護(hù)樁的位移影響較大，樁長次之；其中當(dāng)短樁嵌巖時，樁長的改變對位移幾乎無影響。

5）當(dāng)長樁嵌巖長度不小于3 m且周圍土質(zhì)為砂層時，可減小部分樁長或樁徑節(jié)約造價，其中短樁可不嵌巖。

6）傾斜長短組合樁的斜短樁配比對樁的位移影響較大，樁長次之，可減小部分樁徑節(jié)約造價。