趙芳甫

(中國葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司 西安 710000)

在城市建設(shè)發(fā)展中,為實(shí)現(xiàn)有限空間和土地資源的充分利用,高層建筑和地下空間不斷涌現(xiàn),使得基坑工程向“縱深”發(fā)展。深基坑工程穿越地層類型多、變化大、水文條件復(fù)雜、周邊構(gòu)筑物及地下管線情況復(fù)雜,危險(xiǎn)源較多,因此在復(fù)雜環(huán)境下確保基坑,尤其是深基坑開挖施工時的安全性具有重要的意義。

在基坑工程中,由開挖引起的空間效應(yīng)成為國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究課題。李大鵬等[1]指出:空間效應(yīng)的本質(zhì)為坑周土體中的拱效應(yīng)對支護(hù)土正應(yīng)力和變形等特性的影響,研究空間效應(yīng)時采用基坑長深比較為合理。Ou C.Y.等[2]研究了臺北地區(qū)基坑的變形特性,提出了平面應(yīng)變比的概念。李濤等[3]引入k值定量描述空間效應(yīng)影響,推導(dǎo)出空間效應(yīng)影響下狹長深基坑周邊地表沉降的三維預(yù)測計(jì)算方法。結(jié)果表明,空間效應(yīng)影響范圍主要受基坑開挖深度及土體內(nèi)摩擦角影響,在空間效應(yīng)范圍外,k值可近似為1,在空間效應(yīng)范圍內(nèi),k值隨著距基坑端部距離增大呈非線性增長。付紅梅[4]的研究表明,相比二維數(shù)值模擬,三維數(shù)值模擬能得到更合理的結(jié)果,尤其對于幾何形狀復(fù)雜或施工工藝復(fù)雜的深基坑,其空間效應(yīng)現(xiàn)象更突出,影響因素更復(fù)雜。劉念武等[5]結(jié)合實(shí)際工程中的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù),得出內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)對于基坑側(cè)向變形的空間效應(yīng)具有一定的抑制作用。莫品強(qiáng)等[6]基于彈性抗力法對復(fù)雜支護(hù)條件下的支護(hù)樁進(jìn)行分析,考慮冠梁、支撐和支護(hù)樁的變形協(xié)調(diào)關(guān)系,得到冠梁和支護(hù)樁的內(nèi)力和變形數(shù)值解。以上研究均表明基坑開挖存在明顯的空間效應(yīng),且影響因素眾多。

隨著基坑支護(hù)形式的發(fā)展,樁錨支護(hù)體系在工程中越來越常見,但目前對土釘墻+樁錨支護(hù)體系空間效應(yīng)的研究,無論是從理論上還是從有限元模擬上都相對欠缺。本文依托西安某住宅小區(qū)深大基坑,基于PALXIS 3D大型有限元軟件,采用摩爾-庫侖模型,研究西安地區(qū)深大基坑工程樁錨支護(hù)體系的空間變形特征,以期為支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支撐,積累地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程背景

某城市綜合體擬建場地位于西安市高新區(qū),其基坑支護(hù)長度約為530 m,南北方向?yàn)?32 m,東西方向?yàn)?33.2 m,總支護(hù)面積約為9 100 m2。本基坑支護(hù)體系采用樁錨支護(hù)體系,以圍護(hù)樁為主體,基坑上部側(cè)壁設(shè)置土釘墻支護(hù),高度為6 m,共2排,上、下排間距為2.5 m,下部采用樁錨聯(lián)合支護(hù),基坑每開挖一次,對圍護(hù)樁表面噴射混凝土,防止樁間土體坍塌。圍護(hù)樁及樁頂冠梁混凝土等級為C30,冠梁高度為5 m,圍護(hù)樁樁徑為0.8 m,其中基坑北面AB段和CD段圍護(hù)樁樁長22 m,BC段圍護(hù)樁樁長為20.5 m。在基坑下部設(shè)置4排端部預(yù)應(yīng)力錨索,錨索上、下間距為2.5 m,并對錨索施加300 kN的預(yù)應(yīng)力,連接各錨索的腰梁采用雙排槽鋼。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)巖土工程地質(zhì)詳勘,基坑擬建場地呈西北高、東南低地勢,地貌屬于皂河I級階地,主要由黏性土及砂土組成,土層呈水平向分布。在勘察深度90.20 m深度范圍內(nèi),場地土從上到下按其地質(zhì)沉積年代、成因類別及物理性質(zhì)可分為7個土層:①素填土、②黃土狀粉質(zhì)黏土、③中砂、④粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粗砂、⑦粉質(zhì)黏土。各土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層力學(xué)性質(zhì)

2 深基坑空間有限元模型

2.1 三維有限元模型

采用PLAXIS 3D軟件進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。該開挖基坑近似正方形,開挖深度H為18.3 m,考慮該基坑開挖面積較大,選取1/2部分的開挖面積進(jìn)行三維模型構(gòu)建。圍護(hù)樁后4倍開挖深度范圍、坑底以下2倍挖深范圍是基坑開挖的影響區(qū),鑒于本文擬通過研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形揭示深大基坑的坑角效應(yīng),故模型長度選為150 m、寬度為125 m、深度為40 m,基坑支護(hù)體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基坑支護(hù)體系結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)體系中,圍護(hù)樁根據(jù)抗彎剛度等效原則等代為墻,采用板單元模擬,腰梁使用梁單元,錨索注漿段采用embeded beam row材料模型,材料參數(shù)見表2。網(wǎng)格單元采用10節(jié)點(diǎn)劃分,其中土體單元數(shù)為83 184,節(jié)點(diǎn)數(shù)為141 746,單元平均大小為3.595 m。固定模型底部,頂部為自由邊界,側(cè)向邊界約束法向位移,基坑網(wǎng)格單元劃分見圖2。

表2 基坑結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 基坑網(wǎng)格單元劃分

本基坑工況模擬見表3。

表3 基坑施工工況

2.2 模型有效性驗(yàn)證

圖3為基坑開挖完成后圍護(hù)樁數(shù)值仿真結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比圖。1號樁位于基坑北側(cè),距離西北坑角A點(diǎn)34.5 m,2號樁位于基坑北側(cè),距離西北坑角66 m。由圖3可見,數(shù)值模擬基坑開挖過程中的水平位移與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合,說明模型能較好地反映該基坑的變形特性。另外,2號樁實(shí)測最大位移約20 mm,在深度5.5 m處,數(shù)值模擬的最大位移約17 mm,位于深度6 m處,且樁底部分的位移曲線與模擬所得的位移曲線有一定偏差,原因可能為圍護(hù)樁混凝土凝固未完成,即開始進(jìn)行監(jiān)測,導(dǎo)致測斜管測得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)多個拐點(diǎn)。

圖3 圍護(hù)樁隨深度變化的側(cè)向位移圖

3 坑角效應(yīng)影響分析

3.1 影響系數(shù)

坑角效應(yīng)是指在基坑或坑后土體在三維數(shù)值模擬分析過程中基坑土體的位移與二維平面應(yīng)變條件下土體位移之間的關(guān)系,其表達(dá)可采用平面應(yīng)變比(PSR):通過計(jì)算基坑中心位置附近處樁身或坑后土體位移的平均值,以此作為平面應(yīng)變狀態(tài)下的樁身或坑后土體位移值。PSR值小于1,表示基坑受到坑角效應(yīng)的影響;PSR值等于1,表明基坑不受坑角效應(yīng)的影響。結(jié)果表明,基坑長度超過100 m時,在距離坑角30 m以外的范圍,其坑角效應(yīng)不明顯,PSR接近于1.00,呈現(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài)。本研究中基坑長度為133 m,超過坑角效應(yīng)的理論長度值,可以認(rèn)為基坑中心這一范圍內(nèi)基坑不受坑角效應(yīng)影響。

為了深入研究基坑中特定位置的PSR值,用該點(diǎn)與基坑角點(diǎn)之間的相對距離來表達(dá),具體的計(jì)算公式為

PSR=n/m

(1)

式中:n為距離基坑nm的冠梁在垂直基坑方向上的側(cè)向位移;而m為圍護(hù)墻中心冠梁的側(cè)向位移的平均值。

3.2 圍護(hù)墻坑角效應(yīng)分析

距坑角不同位置處的樁身位移圖見圖4。根據(jù)圖4的觀察結(jié)果,初次開挖基坑時,坑角位置處幾乎沒有側(cè)向位移,不同處的最大側(cè)向位移均發(fā)生在冠梁上,樁土的錨定效應(yīng)最強(qiáng),位移曲線中,圍護(hù)樁呈“懸臂型”變形。繼續(xù)開挖至冠梁頂端以下5.0 m時,坑角5 m范圍內(nèi)圍護(hù)樁最大水平位移下移,距離冠梁頂部約8.0 m。橫向上隨坑角相對距離的增大,其最大水平位移增加,且位置向上移動,此時基坑中部的位置的墻體變形仍然呈現(xiàn)“懸臂型”,而坑角處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)“內(nèi)凸形”。隨基坑深一步的開挖和支護(hù),圍護(hù)墻體的水平位移逐漸增大,最終圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形基本上呈現(xiàn)“內(nèi)凸形”。此外,坑角位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小,基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最大,表現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)。

圖4 距坑角不同位置處的樁身位移圖

圍護(hù)墻坑角效應(yīng)圖見圖5。由圖5可見,初始開挖時,距離坑角20 m范圍內(nèi)基坑平面應(yīng)變比PSR值幾乎無變化,之后迅速增大,約40 m處速率變緩,在距離坑角50 m處接近于1;基坑開挖深度增加,PSR速率隨之增大,20 m范圍內(nèi)數(shù)值變化明顯,且PSR值接近于1的位置離坑角越近,到達(dá)最終開挖步時,其位置在距離坑角約45.0 m位置,影響范圍變小。

圖5 圍護(hù)墻坑角效應(yīng)圖

3.3 墻后地表分析

為進(jìn)一步研究樁錨深基坑的坑角效應(yīng),分別從橫向和縱向的地表沉降開展分析,圖6所示為基坑開挖至不同階段時,墻后1 m土體在橫向上的地表沉降圖。沉降曲線呈現(xiàn)凹槽形,與文獻(xiàn)[2]得出的土體沉降變化模式較為相同,存在明顯的空間效應(yīng)。分析AF面的沉降分布特征。

圖6 地表橫向沉降累計(jì)圖

由圖6可見,坑角處墻后地表沉降受到坑角的約束作用,沉降幾乎為0,隨坑角相對距離的增大,地表最大沉降增大,在到達(dá)一定距離時,土體的沉降不再受到坑角效應(yīng)的影響。

初次開挖時,距離坑角20 m處達(dá)到最大沉降的80%,即PSR值達(dá)到0.8,基坑中部最大沉降為7.5 mm;基坑開挖越深,周圍土體沉降越大,空間效應(yīng)越明顯,但最大沉降的位置沒有變化,都位于基坑中部處,開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高時,地表最大沉降約為23 mm,在距離坑角0～35 m范圍內(nèi),坑角效應(yīng)引起的地表沉降變化率較大,PSR值在35 m處達(dá)到0.8,當(dāng)距離達(dá)到45 m(2H)時,該距離基本不受坑角效應(yīng)的影響,PSR值為1,與基坑中間沉降一致,為平面應(yīng)變狀態(tài),由此可見,PSR和基坑的開挖深度對土體沉降的影響較大;基坑在達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時,橫向地表沉降的坑角影響范圍與圍護(hù)樁的坑角影響范圍基本一致。

地表沉降在縱向上也存在明顯的空間效應(yīng),圖7表示縱向上地表最大沉降在坑角不同范圍內(nèi)PSR的變化情況,由圖可知距離坑角10 m范圍內(nèi)為顯著影響區(qū),PSR快速增加至0.8,在10～30 m范圍內(nèi),PSR值由0.8增加至0.9,這個范圍為坑角效應(yīng)的次要影響區(qū),之后坑角的影響效應(yīng)逐漸減弱,距離坑角35 m左右,PSR增加至1,該距離不受坑角作用的影響。判定縱向上地表沉降坑角效應(yīng)的影響范圍為1.5H。

圖7 地表縱向沉降的坑角效應(yīng)圖

4 結(jié)論

本文對深基坑進(jìn)行三維數(shù)值建模,通過分析基坑北側(cè)圍護(hù)樁的樁身側(cè)向位移,研究其坑角效應(yīng),得出以下結(jié)論。

1) 基坑首次開挖時,圍護(hù)樁的變形呈“懸臂型”,隨著基坑的開挖和支護(hù),樁體最大位移向下移動,逐漸演變?yōu)閮啥溯^小、中間較大的形態(tài),呈現(xiàn)出“內(nèi)凸形”。

2) 對于深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,可以看到明顯的空間效應(yīng),觀察1號和2號圍護(hù)樁的位移曲線,可以發(fā)現(xiàn)越靠近坑角的圍護(hù)樁,其最大側(cè)向位移越小,最大側(cè)向位移發(fā)生在基坑中部處。

3) 基坑初步開挖20 m范圍內(nèi)坑角效應(yīng)最明顯,且挖深越大,其影響范圍越小,從50 m(2.3H)到45 m(2H),總體來說變化范圍不大。故可以在開挖深度范圍內(nèi)減少支護(hù)強(qiáng)度,保護(hù)基坑穩(wěn)定的同時節(jié)約工程成本。

4) 圍護(hù)樁后土體沉降,其在橫向上的坑角影響范圍與圍護(hù)樁的坑角影響范圍基本一致,為2H,主要影響區(qū)為0～1.5H;縱向上的坑角影響范圍為1.5H,主要影響區(qū)為1.4H。