魏云霞

(甘肅省公路交通建設(shè)集團有限公司, 甘肅 蘭州 730050)

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展及基礎(chǔ)建設(shè)的增多,工程建設(shè)的可用地范圍不斷縮減.現(xiàn)如今很多基坑工程臨近既有建(構(gòu))筑物,限制了諸如放坡開挖等一系列較為經(jīng)濟的支護結(jié)構(gòu)的使用,也對基坑開挖過程中周邊環(huán)境的響應(yīng)做出了嚴格要求.為了保證在基坑開挖過程中周邊既有建(構(gòu))筑物的安全,避免在基坑開挖過程中產(chǎn)生生產(chǎn)安全事故,研究基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物在基坑開挖過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、變形等一系列響應(yīng)勢在必行.

國內(nèi)外專家學(xué)者就該問題進行了大量的研究,Liyanapathirana等[1]通過有限元模擬研究了基坑開挖時臨近的樁與周圍土體的相互作用；Zheng等[2]研究了開挖深度、支護結(jié)構(gòu)水平位移對現(xiàn)有臨近隧道的影響,提出了一種預(yù)估臨近隧道變形的半經(jīng)驗方法.丁智等[3]分別從理論研究、模型試驗、數(shù)值模擬和工程實測四個方面分析闡述了基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向.韓健勇等[4]基于臨近淺基礎(chǔ)建筑物的基坑實例,通過運用Plaxis的不同本構(gòu)模型建立模型進行模擬研究,研究了鄰近建筑物基礎(chǔ)位置和地基附加應(yīng)力對樁錨支護結(jié)構(gòu)基坑與鄰近建筑物本身的影響規(guī)律.施成華等[5]在考慮樁基剪切情況下,建立了計算基坑開挖時臨近單樁的力學(xué)響應(yīng)模型.李輝[6]基于有限元模擬和實際工程現(xiàn)場監(jiān)測分析了臨近兩個基坑同步進行開挖時各自的響應(yīng).劉念武等[7]基于實際工程的現(xiàn)場監(jiān)測,分析了基坑開挖過程中周邊土體及既有建筑的變形.冉啟仁等[8]基于室內(nèi)模型試驗,研究了基坑開挖過程中臨近建筑物樁基的力與位移變化情況.康志軍等[9]基于現(xiàn)場實測與有限元模擬,分析了圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生最大側(cè)移深度對周邊土體位移場的影響.王浩然[10]改進了上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》中預(yù)估基坑開挖過程中周邊建筑變形的方法,使得改進后的預(yù)估方法能較好地估計上海地區(qū)基坑開挖過程中周邊環(huán)境的變形.王志杰等[11]通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法,得出了在車站群基坑單側(cè)開挖時既有車站的變形響應(yīng)情況.

由以上研究可知,現(xiàn)有的研究大多針對單一圍護結(jié)構(gòu)或單一的周邊既有建筑,單獨取出基坑圍護結(jié)構(gòu)或臨近建筑樁基礎(chǔ)進行分析；對多種圍護結(jié)構(gòu)作用以及臨近建筑整體變形的研究分析較少.本文基于西北某市實際基坑工程,分析了復(fù)合土釘墻及樁錨協(xié)同支護下的圍護結(jié)構(gòu)變形的空間效應(yīng),對比分析了復(fù)合土釘墻及樁錨支護體系的支護效果,也分析了圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境既有建筑物的變形.可對類似工程起到一定的借鑒、指導(dǎo)作用.

1 工程概況

1.1 基坑概況

本文所述基坑位于西北某市區(qū)十字路口處,西側(cè)和北側(cè)近鄰馬路,馬路距基坑北側(cè)1.3 m,距基坑西側(cè)2.1 m；東側(cè)和南側(cè)臨近既有建筑物,既有建筑距基坑最近處僅3.7 m.基坑南北長約70 m,東西長約80 m,基坑開挖深度10 m.基坑平面布置及周邊概況如圖1所示.

圖1 基坑平面布置圖Fig.1 Layout plan of foundation pit

1.2 支護結(jié)構(gòu)概況

根據(jù)本工程特點及場地周圍的具體情況,同時考慮經(jīng)濟效益等因素,確定西側(cè)和北側(cè)采用復(fù)合土釘支護(如圖2a所示),東側(cè)和南側(cè)采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿支護(如圖2b所示).

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Profile of foundation pit support structure

1.3 工程地質(zhì)概況

工程場地地處黑河沖洪積細土平原區(qū),場地內(nèi)地形平坦,地貌類型單一.地基土在工程勘探深度范圍內(nèi)自上而下分為2層,其巖性特征分述如下：

第①層：雜填土.結(jié)構(gòu)松散,在場地內(nèi)分布較穩(wěn)定,層厚0.5 m～2.1 m,力學(xué)強度低,為季節(jié)性凍土.

第②層：卵石.中密～密實,厚度較大,分布穩(wěn)定,重型動力觸探錘擊數(shù)平均為21.57擊,力學(xué)強度較高.

1.4 水文條件概況

根據(jù)本次工程勘察及區(qū)域水文資料,工程場地地下水屬第四系松散巖類孔隙潛水,地下水主要賦存于卵石層中,地下水補給來源主要為大氣降水及側(cè)向徑流補給,由南西向北東方向徑流.側(cè)向流出及人工開采是地下水的主要排泄方式.

勘察期間場地地下水位埋深0.7 m～1.5 m,據(jù)地下水動態(tài)觀測資料,地下水位年變幅1.0 m～2.0 m.雜填土滲透系數(shù)k=5.2 m/d,卵石層滲透系數(shù)k=190 m/d.

2 建模與計算

2.1 計算模型

分析軟件采取巖土工程專用有限元軟件Plaxis3D.為了更好地模擬工程實際情況,將基坑及其周邊環(huán)境進行適當簡化后采用與實際尺寸1∶1的比例建立相應(yīng)的有限元模型；為了消除模型邊界效應(yīng),模型整體尺寸為230 m×185 m×48 m(長×寬×高).建立的基坑及其周邊環(huán)境模型如圖3所示,其中基坑圍護結(jié)構(gòu)模型如圖4所示.

圖3 基坑及其周邊環(huán)境模型Fig.3 Foundation pit and surrounding environment model

圖4 基坑圍護結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Model of foundation pit support structure

2.2 計算參數(shù)

土體采用硬化土本構(gòu)模型進行模擬,土體參數(shù)如表1所示.

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

周邊既有建(構(gòu))筑物中,公路寬度12 m,采取12 kN/m2面荷載進行模擬；磚混結(jié)構(gòu)建筑物統(tǒng)一使用條形基礎(chǔ),采用板單元進行模擬；磚混結(jié)構(gòu)建筑物統(tǒng)一使用樁基礎(chǔ),采用Embedded樁+梁單元+板單元進行模擬.建筑層高統(tǒng)一為3 m,周邊既有建筑物參數(shù)如表2所示.

表2 周邊既有建筑參數(shù)Tab.2 Surrounding existing building parameters

基坑圍護體系中,圍護樁采用板單元進行模擬,采用剛度等效原則(式(1))等效成厚度為0.532 m的板單元；錨桿自由段采用點對點錨桿進行模擬；土釘墻土釘及錨桿錨固段采用Embedded樁單元進行模擬.圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示.

表3 圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Foundation pit support structure parameters

(1)

式中：D為支護樁直徑；d0為支護樁中心距；h為板樁厚度.

2.3 邊界條件

模型邊界條件為位移約束邊界條件,具體約束為：上表面自由、下表面約束3個方向位移、4個側(cè)面約束法向位移.

2.4 計算工況

整個模擬過程包含1個初始狀態(tài)和13個施工工況；由于本文研究基坑開挖對周邊環(huán)境的影響,故在既有建筑以及灌注樁、冠梁施工結(jié)束后所有位移及應(yīng)力清零.每次開挖前坑內(nèi)水位面降至開挖面以下1.5 m處,采用穩(wěn)態(tài)地下水滲流模式計算孔壓.模型計算工況如表4所示.

表4 模型工況Tab.4 Model calculation condition

3 模擬結(jié)果

由于本文模型為與實際尺寸1∶1的三維模型,得出的變形數(shù)據(jù)是空間變形；為了方便分析,取具有代表性的幾個剖面進行分析,剖面位置如圖5所示.

圖5 剖面位置Fig.5 Profile location

主要從基坑頂部土體水平位移、坑外土體豎向沉降、土體深層水平位移、錨桿力的變化和臨近道路、周邊建筑的變形幾個方面分析基坑開挖對基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響.

3.1 模型合理性驗證

由于本文所模擬基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏,參照類似工程監(jiān)測結(jié)果對本文模擬結(jié)果進行驗證.根據(jù)基坑深度、支護形式、地層參數(shù)等選取上海軌道交通9號線隧道基坑A區(qū)[12]、杭州市上城區(qū)某基坑[13]、成都地鐵17號線鳳溪站[14]作為參考對象,3個車站與本文所模擬基坑深度均為9～11 m,圍護結(jié)構(gòu)相似.

本文模擬結(jié)果如表5所示,與所選3個車站實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比可知,針對錨桿(內(nèi)撐)軸力、支護樁變形以及地表沉降三方向結(jié)果,本文模擬所得結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果較為接近.其中地表沉降數(shù)據(jù)本文模擬結(jié)果是上海軌道交通9號線隧道基坑A區(qū)、成都地鐵17號線鳳溪站的3倍左右,這是因為本文地表沉降受臨近建筑以及降水影響,沉降影響范圍大、沉降值高.

表5 結(jié)果對照Tab.5 Results comparison

3.2 基坑頂部土體水平位移

選取基坑四周頂部適當位置的土體水平位移進行分析,基坑頂部剖面1～剖面6土體水平位移數(shù)據(jù)如圖6a所示；基坑頂部剖面7～剖面9、剖面16～剖面18土體水平位移數(shù)據(jù)如圖6b所示；基坑頂部剖面10～剖面15土體水平位移數(shù)據(jù)如圖6c所示；圖6中土體水平位移數(shù)據(jù)皆以向坑內(nèi)位移為正.

圖6 土體水平位移Fig.6 Horizontal displacement of soil mass

剖面1～剖面6為復(fù)合土釘墻支護段,故需要研究從工況1至工況11所有施工步.從圖可以看出,隨著基坑的不斷開挖、支護,復(fù)合土釘墻頂部土體水平位移呈不斷增大的趨勢.而由于剖面位置的不同,不同剖面最終的頂部土體水平位移也不同；其中剖面2、剖面5位于復(fù)合土釘墻支護段中間位置,受土釘墻兩側(cè)陰角影響最小,故最終的頂部土體水平位移值最大；剖面3、剖面4位于兩段土釘墻相交而形成的陰角附近,受基坑陰角的影響,最終的頂部土體水平位移值比剖面2、剖面5小；剖面1、剖面6位于復(fù)合土釘墻與灌注樁相交形成的陰角附近,由于灌注樁剛度比復(fù)合土釘墻大,故陰角對土體變形的限制作用也很大,從而使得剖面1、剖面6最終的頂部土體水平位移值最小.

可以看到在工況8時坑頂水平位移無變化,這是因為工況8是在樁錨支護段對第二層錨桿施加預(yù)應(yīng)力的步驟,此時復(fù)合土釘墻支護段的受力狀態(tài)與工況7保持一致,故坑頂水平位移也保持不變.

剖面7～剖面18為樁錨支護段所取剖面,只需要重點關(guān)注工況2、工況3、工況7、工況8和工況11.從圖6b、圖6c可以看出樁錨支護段基坑頂部水平位移總體呈現(xiàn)出增大的趨勢,但在工況3、工況8表現(xiàn)出無增長或減小的狀態(tài),這是由于工況3、工況8中在錨桿上施加預(yù)應(yīng)力的原因；錨桿上所施加的預(yù)應(yīng)力使得錨桿錨固段有向坑內(nèi)移動的趨勢,使得錨固體與土體之間產(chǎn)生向基坑外部的摩阻力,這種摩阻力經(jīng)過錨桿自由段傳遞到錨頭,表現(xiàn)為作用在樁體上向坑外的力,這個力抵消了部分甚至全部的主動土壓力,故坑頂土體水平位移在工況3、工況8呈現(xiàn)無增長或減小的狀態(tài).圖6b、圖6c中各個剖面坑頂土體水平位移大小產(chǎn)生差距的原因也是由于各個剖面剖切位置不同.剖面10、剖面15取自基坑陽角附近,剖面12、剖面13取自基坑陰角附近,剖面11、剖面14取自支護段中間位置.由圖6c可知,基坑陽角相比支護段中間部位坑頂土體水平位移大,基坑陰角相比支護段中間部位坑頂土體水平位移小.

3.3 基坑外土體豎向沉降

圖7為模型豎向位移云圖,從圖中可以看出距離基坑近的地方地表沉降受基坑變角、臨近建筑影響出現(xiàn)不規(guī)則形狀；而距離基坑、既有建筑較遠處的地方,地表沉降云圖大致形成了以基坑為中心向外擴展的圓.其中,主要影響區(qū)(地表沉降10～18.5 mm)形成的圓大致半徑50 m,次要影響區(qū)(地表沉降5～10 mm)大致半徑80 m.在離基坑邊線80 m遠外(超出次要影響區(qū)),隨著距離基坑越遠地表沉降越小,至模型邊緣處(距基坑邊線95 m)沉降已減小至2.3 mm.

圖7 模型豎向變形云圖(mm)Fig.7 Model vertical deformation cloud map(mm)

3.4 深層水平位移

以剖面2(復(fù)合土釘墻支護段)、剖面11(樁錨支護段)為例說明圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移.圖8a～8k為剖面2深層土體水平位移；圖9為樁錨支護段剖面11深層水平位移.

圖8 復(fù)合土釘墻深層土體水平位移(mm)Fig.8 Horizontal displacement of deep soil of composite soil nailing wall(mm)

圖9 剖面11灌注樁深層水平位移Fig.9 Horizontal displacement of deep layer of cast-in-place pile in profile 11

如圖8所示,基坑開挖、支護引起的深層土體水平位移的影響范圍在不斷地加深、擴大,最大水平位移也從3 mm增大到17 mm.從變形規(guī)律來看,施工步1～施工步3在土釘墻范圍內(nèi)的深層土體水平位移變形規(guī)律一直為“上部大、下部小”,從施工步4往后變形從上到下表現(xiàn)出“大-小-大”的規(guī)律；這是因為施工步3之前支護形式豎向分布為“土釘-錨桿”,施工步之后變?yōu)椤巴玲?錨桿-土頂”的緣故；由于錨桿在施加預(yù)應(yīng)力后土體未發(fā)生變形前就已經(jīng)對土體起到主動約束作用,而土釘需要在土體發(fā)生一定位移之后才被動得對土體產(chǎn)生約束作用,故錨桿相對土釘對于土體位移約束作用要好得多,最終形成錨桿處土體深層水平位移小、土釘處土體深層水平位移大的變形規(guī)律.

以剖面11說明樁錨支護段的土體深層水平位移.從變形規(guī)律來看,未對錨桿施加預(yù)應(yīng)力前(施工步2)的變形為典型的懸臂結(jié)構(gòu)(上大下小)的變形規(guī)律,最大水平變形1.32 mm,位于圍護樁頂；在對第一排錨桿施加預(yù)應(yīng)力后(施工步3),由于此時開挖深度不太大(3 m),此時圍護結(jié)構(gòu)上所受主動土壓力較小,此時錨桿上施加的預(yù)應(yīng)力比主動土壓力大,故在錨桿預(yù)應(yīng)力的作用下灌注樁上部變形減小,呈現(xiàn)“上小下大”的變形規(guī)律,最大變形0.90 mm,位于灌注樁底部；在之后的施工步,灌注樁表現(xiàn)出樁錨結(jié)構(gòu)典型的“大肚子”變形規(guī)律,施工步7、施工步11的最大水平位移分別為4.10 mm和9.97 mm,最大變形位置分別為開挖面以上0.7 m和2.1 m；施工步8為對第二層錨桿施加預(yù)應(yīng)力,相對施工步7最大水平位移減小了0.42 mm,最大變形位置向下移動0.35 m.

以本文模擬基坑為例，錨桿支護處土體水平變形11～12 mm,土釘支護處土體水平變形16～17 mm，可見錨桿比土釘?shù)闹ёo效果優(yōu)秀30%左右.土釘墻深層土體水平位移最大值16～17 mm,樁錨支護段深層水平位移13～14 mm，樁錨支護效果比土釘墻支護效果優(yōu)秀20%左右.

3.5 錨桿力的變化

取每一施工步同一批錨桿自由段上最大的力進行分析,如圖10所示.由圖10分析可知,同樣的工況,灌注樁段錨桿上的力大于土釘墻段.這是因為同樣的開挖深度下復(fù)合土釘墻段有土釘分擔(dān)圍護結(jié)構(gòu)上的主動土壓力的緣故.除了土釘墻段第一排錨桿在施工步6、灌注樁段第一排錨桿在施工步8時錨桿上的力減小以外,錨桿上的力都是隨著基坑開挖而增大；這是因為在施工步6、施工步8時分別施加了第二排錨桿預(yù)應(yīng)力的緣故,在未施加第二排錨桿預(yù)應(yīng)力之前,圍護結(jié)構(gòu)上的主動土壓力主要由第一排錨桿(和土釘)承擔(dān),施加第二排錨桿預(yù)應(yīng)力之后,第二排錨桿分擔(dān)了一部分第一排錨桿(和土釘)上的力,故第一排錨桿上的力減小了.相比第一排錨桿,第二排錨桿上的力增長更為迅速,最終值也更大.這是因為圍護結(jié)構(gòu)上主動土壓力呈上小下大的類三角形分布,故越靠下的錨桿所需要承擔(dān)的主動土壓力也越多.

圖10 錨桿自由段軸力變化Fig.10 Variation of axial force in free section of anchor

3.6 臨近道路變形

以基坑支護段中部受開挖影響最嚴重的剖面2、剖面5的地面沉降說明基坑臨近馬路的變形.圖11為剖面2、剖面5地面沉降.

圖11 地面沉降值Fig.11 Ground subsidence value

如圖11所示,除施工步3、施工步6、施工步8以外,地面沉降一直呈現(xiàn)增大的趨勢.這是因為這幾個施工步是對錨桿施加預(yù)應(yīng)力,坑內(nèi)外土體狀態(tài)與上下施工步土體狀態(tài)相同.從施工步1～施工步9,部分道路顯示出向基坑外部傾斜的狀態(tài).這是因為在基坑剛開挖時(施工步1)坑內(nèi)土體卸荷回彈帶動坑邊土體向上位移,而距離坑邊稍遠的土體產(chǎn)生向坑內(nèi)運動的趨勢(如圖12),這兩種不同的運動趨勢使得在其上部的道路產(chǎn)生了向坑外傾斜的趨勢.隨著基坑的繼續(xù)開挖,道路臨近基坑下方土體由卸荷回彈引起的向上、向外的變形逐漸轉(zhuǎn)變成因為基坑開挖引起的向下、向內(nèi)的變形；故道路最高點由臨近基坑側(cè)逐漸像遠離基坑的地方移動；道路傾斜方向先由向坑外方向傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚩觾?nèi)、坑外兩個方向傾斜,后進一步變成完全向坑內(nèi)傾斜.

圖12 土體位移矢量圖Fig.12 Soil displacement vector illustration

道路最大沉降值為14.7 mm,位于基坑開挖到底后剖面5距離基坑邊緣最近處(1.3 m)；這是因為此處道路距離基坑邊緣最近且處于基坑支護段的中間位置,遠離基坑支護段兩側(cè)陰角,受基坑開挖影響最大,受基坑陰角影響最小的緣故.道路向坑外最大傾斜度0.19‰,發(fā)生在施工步8；向坑內(nèi)最大傾斜度0.49‰,發(fā)生在施工部11.最大沉降值和最大傾斜值都發(fā)生在剖面5,這是因為剖面5處馬路離基坑邊緣最近,受基坑開挖影響最大.

3.7 周邊建筑變形

以周邊既有建筑的底板豎向沉降作為建筑沉降、傾斜的標準,各個既有建筑的主要變形數(shù)據(jù)如表6所示.

表6 既有建筑變形Tab.6 Deformation of existing buildings

周邊建筑最大沉降值位于磚2建筑靠近基坑支護段中部的位置,沉降值13.97 mm；這是因為此處距離基坑邊緣不足4 m,且位于支護段中部,受陰陽角影響小.最小沉降位于磚6(2)遠離基坑邊緣的位置,沉降值3.21 mm；這是因為此處距離基坑邊緣55 m,為既有建筑離基坑邊緣最遠的位置.周邊建筑物傾斜度為0.15‰～0.22‰不等,房屋傾斜度遠小于規(guī)范規(guī)定值,建筑物處于安全狀態(tài).

4 結(jié)論

本文以西北某實際基坑為工程背景,分析了基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的內(nèi)力和變形,得到了以下結(jié)論：1) 基坑圍護結(jié)構(gòu)變形為空間變形,距離基坑陰陽角越近,受空間效應(yīng)影響越明顯.2) 錨桿的支護效果比土釘好30%左右,樁錨支護的效果比復(fù)合土釘墻支護效果好20%左右.3) 對下排錨桿施加預(yù)應(yīng)力會減小相應(yīng)上排錨桿上的力,下排錨桿所承擔(dān)的主動土壓力大于上排錨桿.4) 隨著基坑開挖深度的增大，道路變形由向坑外傾斜變化為向坑內(nèi)傾斜,沉降最大處也由遠離基坑邊緣變化至靠近基坑邊緣.5) 樁錨支護對臨近建筑的支護效果較好,建筑物最大沉降13.97 mm,最大傾斜度0.22‰,皆在規(guī)范允許范圍內(nèi).