張 石,陳富朋,董 岳,李 靖,邱 澄

(1.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357;2.中鐵十局集團(tuán)第一工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000;3.山東省樂陵市交通運(yùn)輸局,山東 德州 253699)

1 引 言

發(fā)展地下空間資源是當(dāng)前建筑行業(yè)主要前進(jìn)方向,基坑也越挖越大、越深、越復(fù)雜[1]。許多學(xué)者對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和周邊土體位移進(jìn)行研究。O'Rourke等[2]在現(xiàn)有基坑變形研究基礎(chǔ)上,通過對(duì)不同土質(zhì)基坑支撐位移進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊土體位移的關(guān)系;Clough等[3]使用有限元軟件模擬實(shí)際工程,總結(jié)了支護(hù)結(jié)構(gòu)本體位移、地表沉降和底部隆起變形三者之間的關(guān)聯(lián);Mangushev等[4]對(duì)既有建筑物基坑進(jìn)行研究,分析了建筑物在基坑開挖過程中出現(xiàn)沉降變形的原因等?；娱_挖對(duì)周邊環(huán)境影響具有明顯的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng),所以支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)是否合理規(guī)范是建筑主體與地下部分安全影響最大的因素[5,6]。所以設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)使用加大圍護(hù)樁樁徑、增加嵌固深度等措施來進(jìn)行加固支護(hù),這樣雖然能保證基坑支護(hù)體系的安全穩(wěn)定,但也會(huì)大大增加工程的造價(jià),耗費(fèi)更多的時(shí)間與人力物力?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是在保證安全的前提下,利用新技術(shù)、新工藝、新方法做到物盡其用,使支護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化[7,8]。

2 基坑支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

以鄒平貨運(yùn)鐵路專用線翻車機(jī)房基坑工程為例,周邊地貌為洪積平原,地形較為開闊,起伏不大,地勢(shì)比較平坦,相對(duì)高差很小,基坑四周較為空曠,周邊無建筑物及地下管線,基坑所在地層以雜填土、黏土和粉土構(gòu)成,穩(wěn)定性較差。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,基坑采用明挖順作法施工,安全等級(jí)為二級(jí),開挖最大深度約為16.27 m,寬度為28.6 m?；硬捎孟确牌麻_挖再垂直開挖的方式,選用鉆孔灌注樁圍護(hù)+內(nèi)支撐作為支護(hù)結(jié)構(gòu),內(nèi)支撐有兩道,一道為混凝土支撐,一道為鋼支撐?；炷林魏弯撝螢榕R時(shí)構(gòu)件,灌注樁冠梁參與主體結(jié)構(gòu)抗浮,為永久結(jié)構(gòu)。

基坑原支護(hù)結(jié)構(gòu)為“圍護(hù)樁+混凝土支撐+鋼支撐”形式,通過分析施工監(jiān)測(cè)過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬計(jì)算得到的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較小,又考慮到安裝鋼支撐后基坑開挖深度較淺,開挖的土體對(duì)基坑影響較小,為減少施工工序,降低施工成本,將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為“圍護(hù)樁+混凝土支撐”形式。當(dāng)基坑開挖到底時(shí),通過有限元模擬的方式,將各項(xiàng)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性。

3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比分析

為驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性,重點(diǎn)對(duì)比分析優(yōu)化前后的地表沉降、圍護(hù)樁深層水平位移、混凝土支撐軸力、樁頂豎向位移和樁頂水平位移的數(shù)據(jù)變化情況,判斷基坑是否安全穩(wěn)定,符合規(guī)范要求。

本工程將施工過程分為以下幾個(gè)主要工況,具體如表1所示。

表1 基坑施工工況模擬

3.1 地表沉降對(duì)比

基坑開挖會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會(huì)引起基坑周圍土體位移,所以地表沉降是判斷基坑是否穩(wěn)定的重要標(biāo)準(zhǔn),也是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中必不可少的一項(xiàng)。

如圖1所示,優(yōu)化前后地表沉降曲線變化趨勢(shì)大致相同,隨著距坑邊距離增加都呈現(xiàn)為先增大后減小的凹槽型沉降變化趨勢(shì)。

圖1 優(yōu)化前后工況六地表沉降max值對(duì)比圖

如圖2所示,工況二由于開挖面積大,開挖深度深,所以周邊地表沉降數(shù)值較大,有鋼支撐模擬地表沉降最大值為-13.2 mm,實(shí)測(cè)最大值為-14.6 mm,兩者相差1.4 mm;工況五地表沉降量進(jìn)一步增大,有鋼支撐模擬地表沉降值最大為-15.3 mm,實(shí)測(cè)最大值為-16.8 mm,兩者相差1.5 mm;工況六地表沉降到達(dá)峰值,有鋼支撐模擬得到的最大值為-15.9 mm,實(shí)測(cè)最大值為-17.6 mm,兩者相差1.7 mm。

圖2 優(yōu)化前后各工況地表沉降max值對(duì)比圖

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前的實(shí)際監(jiān)測(cè)最大值要比模擬最大值的變化大,且兩者之間差值隨著工況的進(jìn)展變得越來越大。分析出現(xiàn)該情況的原因有兩點(diǎn):(1)真實(shí)的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比模擬的環(huán)境更加復(fù)雜,土質(zhì)情況也有一定偏差;(2)現(xiàn)場(chǎng)的大型施工機(jī)械行駛也會(huì)或多或少影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),導(dǎo)致地表沉降變大。

通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)由于模擬有無鋼支撐的前期施工進(jìn)程基本類似,所以前期地表沉降最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六有鋼支撐時(shí)地表沉降最大值為-15.9 mm,無鋼支撐時(shí)最大值為-16.5 mm,可以發(fā)現(xiàn)去除鋼支撐后地表沉降量?jī)H增大了0.6 mm,兩者均未超過預(yù)警值,滿足規(guī)范要求。

3.2 圍護(hù)樁深層水平位移對(duì)比

監(jiān)測(cè)圍護(hù)樁深層水平位移可以反映出圍護(hù)樁墻隨基坑開挖深度的變形情況,可以判斷基坑圍護(hù)樁變形是否在安全范圍內(nèi)。

如圖3所示,優(yōu)化前后的圍護(hù)樁變形趨勢(shì)大體相同,都是隨著圍護(hù)樁深度的增加深層水平位移先變大后變小。

圖3 優(yōu)化前后工況六深層水平位移max值對(duì)比圖

如圖4所示,通過對(duì)不同工況下某一測(cè)斜孔深層水平位移對(duì)比圖分析可以看出,工況四由于開挖深度較淺,冠梁和混凝土支撐對(duì)圍護(hù)樁起到一定支撐作用,圍護(hù)樁變形不明顯,有鋼支撐模擬深層水平位移最大值是0.53 mm,實(shí)測(cè)最大值為0.64 mm,兩者差距較小;工況五圍護(hù)樁發(fā)生了一定程度的變形,有鋼支撐模擬深層水平位移最大值是3.59 mm,實(shí)測(cè)最大值為4.41 mm,兩者相差0.82 mm;工況六基坑開挖至最大開挖深度16.27 m,圍護(hù)樁變形進(jìn)一步加劇,有鋼支撐模擬深層水平位移最大值是4.26 mm,實(shí)測(cè)最大值為4.96 mm,兩者相差0.8 mm。

圖4 優(yōu)化前后各工況深層水平位移max值對(duì)比圖

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際監(jiān)測(cè)最大位移值要比有限元模擬最大位移值變化大,考慮該情況發(fā)生的原因有三點(diǎn):(1)在進(jìn)行有限元模擬時(shí)土層設(shè)置過于理想化,軟件無法做到完美模擬當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件;(2)模擬時(shí)沒有考慮在實(shí)際開挖過程中伴有不確定的降水和行駛大型機(jī)械產(chǎn)生的荷載會(huì)對(duì)圍護(hù)樁變形造成一定影響;(3)實(shí)際開挖時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)不是一瞬間就施工完成的,在支撐、冠梁養(yǎng)護(hù)期間,鋼支撐安裝期間圍護(hù)樁也會(huì)發(fā)生一定的變形。

通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)由于模擬有無鋼支撐的前期施工進(jìn)程基本類似,所以前期圍護(hù)樁深層水平位移最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六有鋼支撐時(shí)深層水平位移最大值為4.26 mm,無鋼支撐時(shí)最大值為5.09 mm,可以發(fā)現(xiàn)去除鋼支撐后深層水平位移最大值增大了0.6 mm,說明去除鋼支撐的優(yōu)化方法對(duì)圍護(hù)樁深層水平位移有一定的影響,但遠(yuǎn)小于預(yù)警值24 mm,不會(huì)對(duì)基坑施工安全造成影響。

3.3 混凝土支撐和鋼支撐軸力對(duì)比

監(jiān)測(cè)內(nèi)支撐軸力變化能夠最直接反映支護(hù)受力變化情況,內(nèi)支撐軸力的變化情況決定了基坑圍護(hù)的穩(wěn)定性,對(duì)內(nèi)支撐軸力的監(jiān)測(cè)是基坑監(jiān)測(cè)重要的一環(huán)。

(1)混凝土支撐軸力對(duì)比

如圖5所示,優(yōu)化前后各工況混凝土支撐軸力對(duì)比圖變化趨勢(shì)大致相同,都是基坑開挖越深,混凝土軸力越大。工況四軸力變化不大,工況五混凝土支撐軸力不斷加大,有鋼支撐模擬軸力最大值為408.8 kN,實(shí)測(cè)最大值為446.5 kN,兩者相差37.7 kN;由工況五到工況六進(jìn)展,期間隨著基坑進(jìn)一步開挖,混凝土軸力也進(jìn)一步變大,有鋼支撐模擬軸力最大值為499.3 kN,實(shí)測(cè)最大值為545.1 kN,兩者相差45.8 kN。

圖5 優(yōu)化前后各工況混凝土支撐軸力max值對(duì)比圖

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前實(shí)測(cè)的最大軸力值要大于有限元模擬的最大軸力值,考慮發(fā)生該情況的原因有兩個(gè):(1)有限元模擬時(shí)支撐是在一瞬間完成的,能夠有效對(duì)基坑變形做出反映,但實(shí)際施工時(shí),加撐并不是同步進(jìn)行的,會(huì)導(dǎo)致支撐受力出現(xiàn)差異;(2)由于溫度變化對(duì)支撐軸力的影響突出,整個(gè)基坑開挖過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),實(shí)際測(cè)量時(shí)溫度無法保證每次都是相同的,所以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)差異。

通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)由于模擬有無鋼支撐的前期施工進(jìn)程基本類似,所以前期混凝土支撐軸力最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六有鋼支撐時(shí)混凝土支撐軸力最大值為499.3 kN;無鋼支撐時(shí)最大值為668.9 kN,去除鋼支撐后混凝土軸力增大了169.6 kN。整體來看,去除鋼支撐后混凝土軸力有所增大,但增大后的軸力峰值仍遠(yuǎn)小于預(yù)警值1 946 kN,說明去除鋼支撐后混凝土支撐軸力變化仍然在安全范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)基坑施工的安全造成影響。

(2)鋼支撐軸力對(duì)比

如圖6所示,鋼支撐軸力變化與混凝土軸力類似,隨著基坑開挖,鋼支撐軸力不斷變大。到工況六有限元模擬最大軸力為426.8 kN,實(shí)測(cè)最大值為465.1 kN,兩者相差38.3 kN。

圖6 優(yōu)化前后各工況鋼支撐軸力max值對(duì)比圖

鋼支撐現(xiàn)場(chǎng)采集的軸力同樣也大于有限元模擬的軸力,同樣因加撐不同步和溫度變化影響支撐軸力導(dǎo)致。

3.4 樁頂水平、豎向位移對(duì)比

基坑開挖時(shí),隨著土體的轉(zhuǎn)移,通常會(huì)影響初始地應(yīng)力平衡,引起水土壓力變化,圍護(hù)樁則因要承受新的壓力而發(fā)生變形,監(jiān)測(cè)樁頂豎向、水平位移值的變化可以反映出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況。

(1)樁頂豎向位移對(duì)比

如圖7所示,支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樁頂豎向位移變化趨勢(shì)大體相同,基坑開挖深度越大,樁頂豎向位移值越大。工況四樁頂豎向位移值變化不大;工況五鋼支撐施工期間由于基坑沒有開挖,樁頂豎向位移變化很小,此階段有鋼支撐樁頂豎向位移模擬最大值為5.4 mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)最大值為5.8 mm,兩者相差0.4 mm;工況六有鋼支撐模擬豎向位移最大值為7.9 mm,實(shí)測(cè)最大值為8.4 mm,兩者相差0.5 mm。

圖7 優(yōu)化前后各工況樁頂豎向位移max值對(duì)比圖

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前實(shí)測(cè)的樁頂豎向位移最大值要比有鋼支撐模擬樁頂豎向位移最大值變化大,考慮發(fā)生這種情況原因也是因?yàn)槟M時(shí)土層情況過于理性化和具有不確定性的降水及機(jī)械荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)模擬有無鋼支撐的前期施工進(jìn)程基本類似,所以前期樁頂豎向位移最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六基坑開挖到底部,有鋼支撐樁頂豎向位移最大值為7.9 mm,無鋼支撐樁頂豎向位移最大值為7.93 mm,去除鋼支撐后樁頂豎向位移僅增大了0.03 mm,說明去除鋼支撐對(duì)樁頂豎向位移的影響較小,不會(huì)對(duì)基坑施工的安全造成影響。

(2)樁頂水平位移對(duì)比

如圖8所示,隨著基坑開挖深度的不斷增加,樁頂水平位移不斷增大。工況四中冠梁和混凝土支撐施工完成,有鋼支撐樁頂水平位移模擬值為0.5 mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)值為0.6 mm,兩者相差0.1 mm;工況五中基坑開挖至14 m,有鋼支撐水平位移模擬值為2.0 mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)值為2.2 mm,兩者相差0.2 mm;工況六基坑開挖到最大開挖深度16.27 m,有鋼支撐水平位移模擬值為2.99 mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)值為3.28 mm,兩者相差0.33 mm。通過有限元模擬開挖的整個(gè)過程中得出圍護(hù)樁樁頂水平位移累計(jì)最大值為2.4 mm,實(shí)際監(jiān)測(cè)樁頂水平位移累計(jì)變化2.68 mm,未超過設(shè)計(jì)規(guī)范中的預(yù)警值,整個(gè)基坑開挖期間圍護(hù)樁樁頂水平位移值的變化滿足規(guī)范要求。

圖8 各工況樁頂水平位移max值對(duì)比圖

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前實(shí)測(cè)的樁頂水平位移最大值要比有鋼支撐模擬樁頂水平位移最大值變化大,原因與樁頂豎向位移變化原因一致。

通過對(duì)比還發(fā)現(xiàn)模擬有無鋼支撐的前期施工進(jìn)程基本類似,所以前期樁頂豎向位移最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六基坑開挖到底部,有鋼支撐時(shí)樁頂水平位移最大值為2.99 mm;無鋼支撐時(shí)最大值為3.02 mm,均小于預(yù)警值。去除鋼支撐后樁頂水平位移僅增大了0.03 mm,說明去除鋼支撐對(duì)樁頂水平位移影響較小,不會(huì)對(duì)基坑施工的安全造成影響。

4 結(jié) 論

(1)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化趨勢(shì)均符合基坑支護(hù)及土體變形發(fā)展規(guī)律,各工況有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致,由于現(xiàn)實(shí)施工中多存在一些不確定的環(huán)境或人為因素會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,使得模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果略有差距,但數(shù)值相差不大。整體來看,隨著工況的推進(jìn),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)雖有些許變化,但都未超過設(shè)計(jì)規(guī)范中的預(yù)警值,說明有限元模擬的數(shù)據(jù)變化對(duì)于實(shí)際工程施工具有一定的參考價(jià)值。

(2)對(duì)內(nèi)支撐形式進(jìn)行了優(yōu)化,將“圍護(hù)樁+混凝土支撐+鋼支撐”形式優(yōu)化為“圍護(hù)樁+混凝土支撐”的支護(hù)形式,通過有限元模擬對(duì)比后發(fā)現(xiàn)“圍護(hù)樁+混凝土支撐”的支護(hù)形式相比原支護(hù)結(jié)構(gòu)可以在確?；邮┕ぐ踩€(wěn)定的前提下,減少了施工鋼支撐的步驟,降低了工程造價(jià),加快了施工進(jìn)程,證明了優(yōu)化方案的可行性。

(3)今后將對(duì)采用優(yōu)化方案的基坑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),整理實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證優(yōu)化方案可達(dá)到的降低施工成本的目的。