崔澤海，樊鵬鵬，胡發(fā)旺，李新強(qiáng)，欒 蔚

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司，甘肅 蘭州730030）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，基坑開挖技術(shù)也隨之迅速發(fā)展，越來(lái)越多的規(guī)模大、基礎(chǔ)深、環(huán)境復(fù)雜的基坑工程被建設(shè)。基坑開挖施工的過(guò)程中，會(huì)打破原有的土體結(jié)構(gòu)平衡，對(duì)周圍的基礎(chǔ)進(jìn)行擾動(dòng)，導(dǎo)致變形或塌陷，近年來(lái)因基坑開挖不當(dāng)引起的工程事故頻發(fā)。為了保證開挖時(shí)基坑自身及周邊環(huán)境的穩(wěn)定，采用合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)體系十分重要。

當(dāng)前，基坑支護(hù)有著多種形式，常見(jiàn)的有排樁支護(hù)［1］、地下連續(xù)墻支護(hù)［2］、錨桿支護(hù)［3］和擋墻＋支撐［4］等多種組合支護(hù)形式，SWM 工法樁＋內(nèi)支撐［5］是近年來(lái)興起并被廣泛應(yīng)用的新支護(hù)形式，SMW 工法樁是在三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入H 型鋼，形成的復(fù)合圍擋結(jié)構(gòu)，具有擋土、止水、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。王占生［6］研究了SMW 工法樁在施工期間對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，彭國(guó)東［7］闡述了SMW 工法樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中的應(yīng)用，表明其具有一定優(yōu)勢(shì)。

SMW 工法樁既可以單獨(dú)使用，也可與內(nèi)支撐或錨桿等共同進(jìn)行支護(hù)，伍麗珍［8］研究了鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索與SMW 工法樁聯(lián)合在黃土地區(qū)中基坑支護(hù)，證明了該支護(hù)形式的優(yōu)越性。內(nèi)支撐支護(hù)具有剛度大、控制基坑變形能力強(qiáng)、且利于施工等特點(diǎn)，包含正交撐、角撐、圓環(huán)撐［9］等支護(hù)形式。曾運(yùn)平［10］介紹了角撐體系在中國(guó)尊的超大型基坑土方開挖中的應(yīng)用，賀振昭［11］利用有限元程序模擬分析了不同內(nèi)支撐數(shù)量對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。而圓環(huán)支撐［12］是將支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置成圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，這樣土體側(cè)壓力通過(guò)圍護(hù)墻傳遞給內(nèi)支撐，從而集中傳遞至圓環(huán)，受力的性能較好，適用于較大面積的基坑工程，也是眾多學(xué)者的重要研究對(duì)象。王春艷［13］對(duì)圓環(huán)支撐體系水平剛度系數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了解析式的推導(dǎo)，提出了圓環(huán)支撐體系水平剛度系數(shù)的簡(jiǎn)易計(jì)算方法； 龔昕［14］論述了雙圓環(huán)形支撐在基坑工程中的布置原則，分析了其受力合理性及工程適用性。以上學(xué)者多從理論層面進(jìn)行了研究，并未有結(jié)合具體工程建立模型而進(jìn)行的數(shù)值模擬［15－16］，且無(wú)法直觀展示應(yīng)力規(guī)律。

本文基于有限差分程序FLAC 3D［17］，依托某工廠基坑工程的實(shí)際案例，建立有限元數(shù)值模型，分析了SMW 工法樁與內(nèi)環(huán)型支撐體系的聯(lián)合作用效果，及基坑開挖過(guò)程中的土體變形和支護(hù)樁的受力特征分析，不僅一定程度上證實(shí)了理論，更可為實(shí)際工程提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況及數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 地質(zhì)概況及模型

基于某廠房一期深基坑工程，選取1 號(hào)基坑的局部作為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的地質(zhì)資料，各土層的參數(shù)如表1 所示。圖1 為建立的相應(yīng)數(shù)值模型。模型橫向長(zhǎng)度211.5 m，縱向208 m，高度為50 m?；悠矫娉叽鐬?11.5 ×108 m，開挖最大深度為6.45 m。頂部為1m 的1： 1 放坡，共劃分9 個(gè)地層。在模型中考慮基坑邊緣放坡，SMW工法樁支護(hù)，環(huán)形內(nèi)支撐體系，考慮聯(lián)合支護(hù)作用下的基坑降水和開挖導(dǎo)致的土體沉降和支護(hù)體系的變形特征。

圖1 網(wǎng)格劃分后的分層模型Fig.1 The hierarchical model after meshing

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Indexes of physical and mechanical properties of each soil layer

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐

采用三軸深層攪拌樁內(nèi)插H 型鋼的SMW 法作為基坑開挖的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)插H700×300×13×24型鋼，頂部冠梁將工法樁連接成整體，環(huán)形內(nèi)支撐內(nèi)撐交接處設(shè)置立柱，材料參數(shù)如表2 所示。

表2 支撐體系參數(shù)Table 2 The parameters of support system

支撐平面布置見(jiàn)圖2，采用1 道鋼筋混凝土環(huán)形支撐，周邊輔以聯(lián)系撐，環(huán)形支撐直徑97 m，立柱結(jié)構(gòu)采用組合鋼格構(gòu)柱4∠140 mm×14 mm，斷面為450 mm×450 mm，圍護(hù)樁采用p800 mm 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)24 m，建立了如圖3 所示的支護(hù)模型。

圖2 人員危險(xiǎn)行為監(jiān)控示意圖Fig.2 Plane of enclosure and support system

圖3 圍護(hù)及支撐體系模型建立Fig.3 Establishment of enclosure and support system model

2 基坑開挖過(guò)程分析

基坑開挖共分為四層，第一層開挖0.9 m，第二層開挖1.9 m，第三層開挖1.9 m，第四層開挖1.55 m，在第一層開挖后，開始進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)的施加。

2.1 基坑降水

模擬基坑開挖作用之前，首先要將基坑模型在降水之后求解至平衡，之后要將降水后的位移清除，進(jìn)一步求解開挖工況，因?yàn)槌跏嫉牡叵聢?chǎng)地水位偏高，開挖之前要進(jìn)行降水，以便于基坑的順利開挖，F(xiàn)LAC 3D 模擬降水作用，一般按照浮重度建立模型，之后在土體自重下達(dá)到平衡。

降水后整體位移結(jié)果如圖4 所示，圖5 為橫向基坑中心處半截面示意圖。由于基坑降水后水位下降，土體含水率下降，可見(jiàn)土體出現(xiàn)一定的沉降，更多集中在基坑內(nèi)部和邊緣范圍，外部影響不大，中心處達(dá)到最大的沉降約為3.14 cm，邊緣處沉降較小，大都為1 cm 左右，由內(nèi)部向外部沉降逐漸減小，邊緣25 m 外的土體沉降值基本為0。

圖4 降水后基坑整體沉降Fig.4 The overall settlement after foundation pit dewatering

圖5 橫向中心截面基坑沉降Fig.5 The settlement of foundation pit with transverse central section

2.2 基坑底部土體隆起分析

隨著開挖的進(jìn)行，對(duì)于基坑內(nèi)的土體來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)卸荷的過(guò)程［18］，開挖深度越深，內(nèi)部土層的應(yīng)力狀態(tài)改變?cè)蕉?，土體應(yīng)力釋放越大，基坑內(nèi)外壓力差增大，坑底土體的回彈值也會(huì)越大，這里對(duì)建立的三維模型進(jìn)行分步開挖，同時(shí)對(duì)基坑內(nèi)的土體位移進(jìn)行分析，這里以縱向中心處的一半橫截面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 分層開挖坑底土體回彈Fig.6 The rebound of bottom soil under layered excavatio

第一層土體開挖后，基坑邊緣處土體發(fā)生輕微沉降，最大值約為7.9 mm，且沉降的輪廓線為圓弧狀，而基坑底部土體發(fā)生回彈，最大值出現(xiàn)在基坑的中心處，約為11 mm，并由中心向邊緣位置減小。邊緣處因?yàn)橛兄ёo(hù)樁的作用，使土體沉降位移較小，表明了支護(hù)樁的作用，開挖結(jié)束后進(jìn)行內(nèi)支撐支護(hù)。第二層土體開挖后，坑底土體回彈值增大，最大回彈值約為27 mm，同樣是位于基坑中心位置，基坑邊緣處土體的沉降值約為5 mm，土體沉降的弧形分界更加明顯。第三層土體開挖后，對(duì)圍護(hù)樁產(chǎn)生影響，樁頂發(fā)生大約為2 mm沉降，基坑底部的土體位移回彈值再一次增大，在基坑中心位置的回彈值達(dá)到44 mm，基坑邊緣處沉降約為6 mm，第四層土體開挖后，基坑底部中心位置處最大回彈達(dá)到45 mm，與第三次開挖相比相差不大，但在基坑邊緣處的土體沉降已達(dá)到9 mm，基坑深處的大部分土體位移基本為零，說(shuō)明逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 基坑周圍土體沉降分析

為研究基坑開挖對(duì)周邊地表沉降的影響，取基坑橫向中心截面，距離基坑邊緣左側(cè)50 m 的地表沉降值進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，四次開挖后的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7 所示。四次開挖的結(jié)果具有一定的共同特征，距離基坑邊緣25 m 之外的地表基本未受到開挖影響而發(fā)生較大沉降，同時(shí)沉降最大位移均發(fā)生在地表位置，土體埋深越大則影響越小，改變關(guān)系基本為線性。第一層土體開挖后，地表處出現(xiàn)最大沉降約為2.2 mm，位置為靠近基坑邊緣處，第二層土體開挖后，最大沉降值位置不變，數(shù)值約為6 mm，第三層土體開挖完成之后，對(duì)周圍土體影響較小，地表沉降改變不大，說(shuō)明周邊地層已經(jīng)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。第四層土體開挖完成之后，土體的最大沉降略有增大，基坑外側(cè)邊緣處地表最大沉降值達(dá)到3.6 mm，且距離基坑20 m外的土體在這時(shí)發(fā)生微弱的沉降，說(shuō)明隨著開挖進(jìn)行到一定深度，土體與圍護(hù)樁之間會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，樁身和土體此時(shí)產(chǎn)生一定的滑移，開挖產(chǎn)生的影響就進(jìn)一步擴(kuò)大，擾動(dòng)到遠(yuǎn)處土體。

圖7 基坑外部土體沉降Fig.7 The settlement of soil outside foundation pit

3 基坑側(cè)壁及支護(hù)樁變形分析

3.1 基坑側(cè)壁位移分析

在土體的開挖過(guò)程中，基坑側(cè)面的土體位移情況最能直觀的反映出支護(hù)效果的好壞，基坑面很容易因變形過(guò)大而發(fā)生坍塌，所以在各個(gè)開挖工況下，對(duì)縱向基坑面和主要支護(hù)樁進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)位置如圖8 所示，深度范圍為從地表至地下15 m 處。

圖8 監(jiān)測(cè)面位置示意Fig.8 The position diagram of monitoring surface

四次開挖后，基坑側(cè)壁的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示，第一層開挖0.9 m 完成之后，基坑側(cè)壁的橫向位移很小，最大值只有約0.63 mm，頂端出現(xiàn)的負(fù)向位移可能是由于內(nèi)部橫撐作用，且位移隨深度變化而變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。第二層開挖1.9 m 完后之后，基坑側(cè)壁頂端負(fù)向位移值增大至4.3 mm，隨著深度的增加橫向位移逐漸增大，在3 m 深度處出現(xiàn)位移的最大值約為2.3 mm，3 m 以下的深度后土體位移開始減小至0.8 mm。第三層開挖1.9 m 完后之后，基坑側(cè)壁的土體位移最大值出現(xiàn)在深度4 m 左右的高度位置，最大的橫向位移約為6 mm，隨著深度的增加，土體的橫向位移逐漸減小至1.1 mm。第四層開挖1.55 m 完后之后，側(cè)壁土體位移的最大值依舊處于4 m 的深度處，橫向位移值增大至18 mm，逐漸減小到基坑底部有大約6 mm 的橫向位移。這說(shuō)明基坑側(cè)壁的最大位移不是發(fā)生在頂端和低端，而是位于開挖面中心深度偏下位置處。

圖9 基坑側(cè)壁土體位移Fig.9 The soil displacement of foundation pit sidewall

3.2 支護(hù)樁位移分析

在基坑的分層開挖下，支護(hù)樁的形變反映了其受力特點(diǎn)和支護(hù)體系的最不利位置，這里對(duì)主要監(jiān)測(cè)樁的樁身的水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10 所示，監(jiān)測(cè)了第四次開挖結(jié)束后的樁頂端至樁底端的橫向位移分布。由圖可見(jiàn)由支護(hù)樁的樁頂部至底部，其形變呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，同時(shí)基坑邊界支護(hù)樁的中心位置處出現(xiàn)最大的形變，端部支護(hù)樁承擔(dān)荷載較少，中部區(qū)域支護(hù)樁承受荷載較大，且越靠近中心處的樁體位移相差越小，均體現(xiàn)了支護(hù)樁的受力機(jī)理。

圖10 1－7＃樁第四次開挖后樁身位移Fig.10 Displacements of 1－7 ＃ piles after the fourth excavation

這里對(duì)典型的1＃樁、2＃樁、7＃樁、8＃樁進(jìn)行主要研究，對(duì)其在四次開挖工況下的樁身位移變化情況進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11 所示，四根樁的位移變化均為從樁頂至樁底先增大后減小，且各支護(hù)樁的頂端由于冠梁和內(nèi)支撐的作用會(huì)產(chǎn)生

圖11 關(guān)鍵樁在分層開挖下樁身位移Fig.11 Displacement of key piles under layered excavation

一定的負(fù)位移，各支護(hù)樁均在第四次開挖工況下達(dá)到位移最大值，且第一次開挖和第二次開挖對(duì)各支護(hù)樁的影響不大，四根樁前兩次開挖導(dǎo)致的樁身位移均在1 mm 以內(nèi)，第四次開挖后1＃樁最大位移達(dá)到5 mm，2＃樁最大位移達(dá)到11 mm，7＃樁最大位移達(dá)到15 mm，8＃樁最大位移也達(dá)到15 mm，可見(jiàn)位于邊界中心的7＃和8＃樁的樁身位移十分接近。

3.3 支護(hù)體系軸力與力矩

基坑四次開挖結(jié)束后，SWM 工法樁＋圓環(huán)內(nèi)支撐的聯(lián)合支護(hù)體系受力情況如圖12 所示，可以很好的觀察出該體系的受力特征，對(duì)于基坑四周的支護(hù)樁，其邊界中心位置的樁身承擔(dān)了更多的荷載，同樣也會(huì)引起更大的變形，并且從樁頂至樁底表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最大軸力主要集中在樁身中心位置。而聯(lián)合支護(hù)體系在基坑開挖過(guò)程中起著限制土體變形，維持基坑穩(wěn)定性的作用，對(duì)于內(nèi)部的圓環(huán)內(nèi)支撐受力相對(duì)均勻，其最容易發(fā)生形變的位置為圓環(huán)內(nèi)撐相交的立柱構(gòu)造處。

圖12 開挖完成后支護(hù)體系受力開挖完成后支護(hù)體系受力Fig.12 The stress of supporting system after excavation

4 結(jié)論

基于典型基坑工程實(shí)例，開展了有限差分?jǐn)?shù)值模擬研究，建立了SMW 工法樁＋環(huán)形內(nèi)支撐聯(lián)合基坑支護(hù)體系，對(duì)降水工況及基坑開挖過(guò)程中土體的位移和支護(hù)樁受力特征進(jìn)行了分析，得到主要結(jié)論如下：

1） 降水工況下，基坑的土體沉降主要集中在開挖范圍內(nèi)及基坑的邊緣處，隨著開挖的進(jìn)行，基坑邊緣處的土體沉降分界線呈圓弧狀，基坑底部土體因卸荷會(huì)產(chǎn)生回彈，對(duì)于開挖深度為6.5 m時(shí)，基坑中心位置會(huì)產(chǎn)生約為4.5 mm 最大回彈值。

2） 基坑開挖過(guò)程中，對(duì)坑邊20 m 范圍內(nèi)的土體影響較大，且表現(xiàn)為從遠(yuǎn)到近、從地表至地下6.5 m 影響程度逐漸減小。基坑側(cè)壁的變形隨開挖加深而增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，側(cè)壁變形最大位移在5 m 深度附近，一般位于靠近邊界中心位置。

3） 對(duì)于基坑周圍支護(hù)樁，在邊界中心位置處的支護(hù)樁變形最大，承受較多的荷載，且開挖至最后階段時(shí)，支護(hù)樁和土體位移改變較大，同時(shí)在基坑平面為規(guī)則的方形、圓形或者橫向縱向尺寸相差不大時(shí)時(shí)，圓環(huán)內(nèi)支撐體系整體受力均勻，研究結(jié)果可為基坑支護(hù)工程提供參考