吳 鵬 崔佳浩 羅志春 邱紅勝 周亦輝

(1.湖北省路橋集團有限公司 武漢 430056; 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430070)

在進行深基坑開挖時,勢必會導(dǎo)致基坑周邊土體的應(yīng)力場和位移場發(fā)生改變,繼而對基坑附近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,使臨近結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變形,嚴重時甚至?xí)?dǎo)致臨近結(jié)構(gòu)破壞[1-2]。我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展過程中出現(xiàn)了大量的深基坑工程,深基坑施工影響臨近結(jié)構(gòu)安全性的問題日益突出[3-4]。

梁發(fā)云等[5]使用兩階段法winkler地基模型分析了受基坑開挖引起土體水平位移作用下單樁的受力變形性狀。而使用其求解臨近樁基因基坑開挖所產(chǎn)生的位移時的一個前置條件為:對基坑開挖所產(chǎn)生的滑動面進行分析,得出臨近樁基的邊界條件。因此,對斜直組合樁支護深基坑開挖滑動面進行分析十分必要。

傳統(tǒng)基坑穩(wěn)定性分析常使用圓弧滑動法,認為圓弧滑動法的破壞形式主要為圍護結(jié)構(gòu)繞坑底旋轉(zhuǎn)破壞。但圓弧滑動法不適用于圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度較小的基坑工程,傳統(tǒng)圓弧滑動法中滑動面始終通過樁底這一假定并不合理,圓弧滑動法滑動半徑如何確定也值得研究。

同時,當(dāng)基坑坑底以下為軟土地基時,傳統(tǒng)基坑穩(wěn)定性分析常假定坑底軟土層強度均勻分布,使得分析結(jié)構(gòu)中,破壞面深度過大,且覆蓋整個坑底,與實際情況不符。

本文采用有限元法對軟土地基基坑破壞滑動面進行研究,研究基坑開挖深度、支護結(jié)構(gòu)插入比和土體強度等條件對基坑隆起破壞滑動半徑的變化規(guī)律的影響,以期得到基坑滑動面分析時滑動半徑選取范圍的建議。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

施工場地位于湖北省武漢市某深基坑工程,地貌屬河流沖積平原。基坑開挖10 m,土體分層和各項參數(shù)及取值[6]見表1。

表1 土體參數(shù)及取值

1.2 現(xiàn)場施工方案

本基坑工程在枯水期施工,穩(wěn)定地下水位為14 m,施工期間降水次數(shù)和降雨量較小,基坑排水方法為明溝排水,地下水對基坑工程影響不大,地下水僅改變了土體的有效重度,不考慮水流固結(jié)耦合作用。

根據(jù)施工要求,基坑開挖深度為10 m。一面采用前排傾斜樁加后排直樁的斜直組合支護樁支護,支護方式見圖1～圖3。

圖1 雙排樁示意圖圖2 基坑剖面圖(尺寸單位:mm)

圖3 基坑支護幾何模型

2 數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 模型建立

采用有限元計算軟件midas GTS NX建立45 m×45 m基坑的三維空間模型,模型寬度取3倍基坑寬度,寬度130 m,模型高度取7倍開挖深度。土體模型采用修正劍橋-黏土模型,考慮不排水抗剪強度沿深度線性增長。樁身與連梁冠梁均采用彈性模型,不考慮地下水的影響,建立有限元模型。三維雙排樁系統(tǒng)深基坑開挖模型共劃分57 822個單元,整體模型網(wǎng)格示意圖見圖4;雙排樁系統(tǒng)深基坑開挖模型見圖5。

圖4 三維有限元模型

圖5 深基開挖有限元模型

2.2 位移計算對比分析

根據(jù)排樁位移的監(jiān)控方案,沿樁身豎直方向,間隔1 m布置測點用于監(jiān)控樁身的水平位移?；邮┕み^程中,間隔1 d讀取監(jiān)測數(shù)據(jù),斜直組合支護樁深基坑開挖10 m后依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),待基坑變形穩(wěn)定后,繪制20號樁位的前排斜樁和后排直樁水平位移監(jiān)測結(jié)構(gòu)見圖6、圖7。

圖6 后排直樁樁身位移

圖7 前排斜樁樁身位移

根據(jù)現(xiàn)場排樁位移的監(jiān)控方案,對數(shù)值模型進行驗證,采用與現(xiàn)場試驗相同的施工方式。模擬結(jié)果見圖6,圖7。

模型計算結(jié)果與實際檢測結(jié)果對比表明,樁身位移隨排樁深度呈先增大后減小的趨勢;開挖深度越大,樁身位移增大的速率越大,樁身最大位移發(fā)生在距樁頂8 m(樁長27%)處。與實際監(jiān)測結(jié)果對比,有限元模擬結(jié)果的變化趨勢與實際結(jié)果一致,但監(jiān)測位移小于模擬位移?？紤]原因為現(xiàn)場施工速度較快,讀取監(jiān)測結(jié)果時土體內(nèi)部應(yīng)力尚未平衡,土體變形仍在繼續(xù)。但仍可認為有限元模擬結(jié)果可靠?？捎糜诤罄m(xù)的分析。

3 滑動面形態(tài)分析

在傳統(tǒng)圓弧滑動法中,常假定土體滑動破壞面始終通過支護結(jié)構(gòu)嵌固端底部,但大量實際工程數(shù)據(jù)表明這一假定并不合理,基坑滑動破壞面的發(fā)展與支護結(jié)構(gòu)的嵌入深度密切相關(guān)。為研究基坑滑動破壞面的發(fā)展程度與支護結(jié)構(gòu)嵌入深度的關(guān)系,假定有某斜直組合支護深基坑工程施工,支護結(jié)構(gòu)斜樁傾角為15°,土體參數(shù)見表1,基坑開挖深度為10 m。定義D/H為圍護結(jié)構(gòu)插入比。使用有限元模擬分析,支護結(jié)構(gòu)嵌入深度不同時,基坑滑動破壞面見圖8。其中:H為基坑開挖深度,D為圍護結(jié)構(gòu)嵌入深度。借此研究斜直組合支護深基坑開挖過程中,圍護結(jié)構(gòu)插入比D/H對基坑坑底滑動面半徑的影響。

圖8 不同D/H下土體位移圖

由以上有限元模擬結(jié)果可知,基坑滑動面的發(fā)展與支護結(jié)構(gòu)的嵌入深度密切相關(guān)。同時根據(jù)支護結(jié)構(gòu)的嵌入深度的變化,可將基坑滑動面的發(fā)展分為4個階段。

1) 支護結(jié)構(gòu)嵌入深度從0開始增加,地基土的破壞滑動面顯著深于支護結(jié)構(gòu)嵌固段,如圖8a)所示。

2) 地基土的破壞滑動面在支護結(jié)構(gòu)下端附近。

3) 地基土的破壞滑動面恰好經(jīng)過支護結(jié)構(gòu)嵌入部分的最下端,如圖8b)所示;將此時對應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)嵌入深度稱為臨界嵌深,此時的插入比為臨界插入比(D/H)。

4) 如圖8c)所示,土的破壞滑動面不再出現(xiàn)在嵌固段下端,而是出現(xiàn)在其中下部;嵌固段下部土體滑動面基本不再改變。

由此可以得出結(jié)論,傳統(tǒng)圓弧滑動法中,假定土體滑動面始終通過支護結(jié)構(gòu)嵌固端底部并不合理。

3.1 有限元模型驗證

使用DLO法(不連續(xù)布局優(yōu)化法),借助LimitState GEO軟件,引入軟土地基中,土體不排水抗剪強度沿深度線性增長這一條件。實現(xiàn)在軟黏土地基中,使用斜直組合樁支護的深基坑開挖過程中,基坑坑底隆起和坑外土體滑動破壞面的研究。

需注意,黃茂松等[7]認為合理考慮支撐的作用,假定支護結(jié)構(gòu)不發(fā)生水平位移,即不考慮坑外土體滑移,僅考慮坑底土體隆起。有相同條件下DLO法和強度折減彈塑性有限元法(SSRFEM法)基坑安全系數(shù)隨Tc/T變化規(guī)律見圖9;圖9所進行的對比分析驗證了使用DLO法進行基坑穩(wěn)定性分析時的可靠性。

圖9 安全系數(shù)對比圖

3.2 土體強度增長率對臨界插入比影響分析

當(dāng)基坑坑底為軟土地基時,傳統(tǒng)基坑穩(wěn)定性分析常假定坑底軟土層強度均勻分布,與天然軟土地基強度常表現(xiàn)出強烈的非均勻性的實際情況不符;由于土體不排水抗剪強度的不均勻性會限制破壞面向下發(fā)展,假定坑底軟土層強度均勻分布會使得分析結(jié)果中破壞面深度過大;故在對坑底土層為軟土的基坑進行穩(wěn)定性分析時,須考慮土體強度的非均勻性,即土體不排水抗剪強度隨深度的增加而增加。

由上述分析可知,在軟土地基中,基坑外土體的潛在滑動破壞面影響范圍也受到軟土地基中硬土層埋置深度的影響;當(dāng)硬土層較淺時,基坑開挖所引起的破壞區(qū)域范圍會受到硬土層的約束。故本節(jié)假定土體軟土層厚度無限大和有限元模型土層結(jié)構(gòu)一樣,使用LimitState GEO軟件對基坑滑動面進行分析時,考慮到支護結(jié)構(gòu)的屈服破壞,取圍護結(jié)構(gòu)塑性破壞彎矩Mp=2 000 N·m/m;取前排斜樁傾斜角為15°。研究斜樁傾斜15°的斜直組合雙排樁支護軟土地基深基坑工程中,在不同開挖深度下,初始土體排水抗剪強度Su0和土體強度增長率對基坑工程臨界插入比(D/H)0的影響,其結(jié)果見圖10。

圖10 不同開挖深度和初始土體不排水抗剪強度下

由圖10可知:

1) 當(dāng)基坑開挖深度H和土體增強率λ相同時,土體初始不排水抗剪強度Su0越小,圍護結(jié)構(gòu)臨界插入比(D/H)0越小,即滑動面通過圍護結(jié)構(gòu)底端所需的臨界插入比越小。

2) 當(dāng)H和Su0相同時,λ越大,圍護結(jié)構(gòu)臨界插入比(D/H)0越小,即臨界插入比越小。

3) 當(dāng)λ和Su0相同時,基坑開挖深度H越大,圍護結(jié)構(gòu)臨界插入長度D增大,插入比(D/H)0減小。若圍護結(jié)構(gòu)插入比大于臨界插入比,即D/H≥(D/H)0,基坑土體滑動破壞面通過支護結(jié)構(gòu)嵌固端,出于偏安全考慮,計算基坑開挖安全系數(shù)和對坑外樁基的影響時,可認為坑外土體滑動破壞面恰好經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu)底部,取基坑底部至支護結(jié)構(gòu)底部的距離為滑動面滑動半徑。反之,滑動半徑需另行確定。

3.3 曲線擬合

為方便在實際基坑工程中根據(jù)Su0和λ確定前斜后直組合樁圍護結(jié)構(gòu)的臨界插入比,可對上述有限元模擬結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合,其擬合方程式為:y=a·xb,其中:y為臨界插入比(D/H)0,x為土體強度增長率λ,得出不同土體初始強度Su0下的擬合方程。

3.3.1H=10 m時擬合曲線

基坑開挖10 m時,對不同初始強度下臨界插入比隨土體強度增長率變化曲線見圖11。

圖11 H=10 m時擬合曲線

在統(tǒng)計學(xué)中可利用R2(COD)和殘差平方和(SSE)對擬合結(jié)果進行評價,且一般認為R2大于0.8的曲線擬合結(jié)果較好。

(2)

H=10 m時,擬合曲線的殘差平方和(SSE)和R2(COD)的計算結(jié)果見表2,其中殘差平方和趨近于0,R2大于0.8,趨近于1。表明H=10 m時的5條擬合曲線結(jié)果均較好。

表2 H=10 m時擬合方程評價參數(shù)計算結(jié)果

由圖11可知,實測值與預(yù)測值之間存在誤差,當(dāng)預(yù)測值大于實際值時,使用預(yù)測值進行施工設(shè)計仍是偏安全的;對部分實測值大于預(yù)測值的點位,其所處曲線和具體數(shù)值(取3位有效小數(shù))見表3。

表3 實測值大于預(yù)測值點位的數(shù)值分析

由表3可知,2種臨界插入比的差值與預(yù)測值的比值均小于15%,在實際基坑工程中,出于偏安全的考慮,可取1.15的安全系數(shù),將預(yù)測值放大后使用。

3.3.2H=18 m時擬合曲線

基坑開挖18 m時,不同初始強度下臨界插入比隨土體強度增長率變化曲線見圖12。

圖12 H=18 m時擬合曲線

H=18 m時,擬合曲線的殘差平方和(SSE)和R2(COD)的計算結(jié)果見表4,其中殘差平方和趨近于0,R2大于0.8,趨近于1。表明H=18 m時的5條擬合曲線擬合結(jié)果均較好。

表4 H=18 m時擬合方程評價參數(shù)計算結(jié)果

同樣,對部分實測值大于預(yù)測值的點位,其所處曲線和具體數(shù)值(取3位有效小數(shù))見表5。

表5 實測值大于預(yù)測值點位的數(shù)值分析

由表5可知,2種臨界插入比的差值與預(yù)測值的比值均小于15%,在實際基坑工程中,出于偏安全的考慮,可取1.15的安全系數(shù),將預(yù)測值放大后使用。

3.3.3H=26 m時擬合曲線

基坑開挖26 m時,不同初始強度下臨界插入比隨土體強度增長率變化曲線見圖13。

圖13 H=26 m時擬合曲線

H=26 m時,擬合曲線的殘差平方和(SSE)和R2(COD)的計算結(jié)果見表6,其中殘差平方和趨近于0,R2仍大于0.8。表明H=26 m時的5條擬合曲線擬合結(jié)果較好。

表6 H=26 m時擬合方程評價參數(shù)計算結(jié)果

對部分實測值大于預(yù)測值的點位,其所處曲線和具體數(shù)值(取3位有效小數(shù))見表7。

表7 實測值大于預(yù)測值點位的數(shù)值分析

由表7可知,當(dāng)土體初始強度為5,10,15 kPa時,雖臨界插入比的實測值和預(yù)測值相差較小,但由于此時實測值和預(yù)測值均已小于1,故差值與預(yù)測值的比值反而較大。故在實際基坑工程中,出于偏安全的考慮,建議當(dāng)土體初始強度為5 kPa時,取1.5的安全系數(shù);當(dāng)土體初始強度為10,15 kPa,安全系數(shù)取為1.3;當(dāng)土體初始強度為20,25 kPa可取1.15的安全系數(shù);實際工程中,使用對應(yīng)的安全系數(shù)將預(yù)測值放大后使用。

4 結(jié)語

由使用基于winkler地基模型的兩階段法分析求解臨近樁基因基坑開挖所產(chǎn)生的位移時,需知道臨近樁基的邊界條件這一前置條件,因此對基坑開挖滑動破壞面開展分析。并由此得出以下結(jié)論。

1) 傳統(tǒng)圓弧滑動法中,土體滑動面始終通過支護結(jié)構(gòu)嵌固端底部這一假設(shè)并不合理。土體滑動面應(yīng)隨著支護結(jié)構(gòu)插入比的增大而逐漸上移,經(jīng)過支護結(jié)構(gòu)嵌固端底部,并最終經(jīng)過圍護經(jīng)過嵌固部分?？蓪⑼馏w滑動面恰好經(jīng)過支護結(jié)構(gòu)嵌固端底部時對應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)嵌入深度稱為臨界嵌深,此時的插入比為臨界插入比(D/H)0。

2) 對軟土層,其土體強度隨深度變化,滿足Su=Su0+λz。當(dāng)土體增強率λ相同時,土體初始不排水抗剪強度Su0越小,土體深度每向下增加時,每米土體的強度增長百分比逐漸減小,可等效為堅硬土層埋深變淺,滑動面通過圍護結(jié)構(gòu)底端所需的臨界插入比減小。同樣,當(dāng)基土體初始不排水抗剪強度Su0相同時,土體增長率增大會導(dǎo)致土體強度隨深度增加而快速增大,也可等效為堅硬土層可等效為堅硬土層埋深變淺,滑動面通過圍護結(jié)構(gòu)底端所需的臨界插入比減小。

3) 當(dāng)已知基坑開挖深度H時,可以使用土體初始不排水抗剪強度Su和土體強度增長率判斷此基坑發(fā)生坑底隆起時滑動面和圍護結(jié)構(gòu)的關(guān)系。若圍護結(jié)構(gòu)插入比大于臨界插入比,即D/H≥(D/H)0,基坑土體滑動破壞面通過支護結(jié)構(gòu)嵌固端,出于偏安全考慮,計算基坑開挖安全系數(shù)和對坑外樁基的影響時,可認為坑外土體滑動破壞面恰好經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu)底部,取基坑底部至支護結(jié)構(gòu)底部的距離為滑動面滑動半徑。反之,當(dāng)D/H<(D/H)0時,土體滑動破壞面位于圍護結(jié)構(gòu)以下的土體內(nèi),不經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu),此時滑動半徑需另行確定。

4) 對使用LimitState GEO軟件得出的不同開挖深度、土體強度增長率和土體強度下的臨界插入比數(shù)據(jù)進行擬合,得出對應(yīng)的擬合曲線,其基本表達式為:y[(D/H)0]=a·xb。可以此根據(jù)土體強度增長率得出對應(yīng)的臨界插入比預(yù)測值。

5) 出于偏安全考慮,對有限元分析所得數(shù)據(jù),預(yù)測值小于實測值的數(shù)據(jù)進行分析修正,并以此給出了安全系數(shù)。當(dāng)開挖深度大于25 m,軟土初始強度為5,10,15 kPa時,取安全系數(shù)為1.5;當(dāng)開挖深度大于25 m,土體初始強度為10,15 kPa,取安全系數(shù)為1.3;其余情況取安全系數(shù)為1.1。實際工程中,使用對應(yīng)的安全系數(shù)將預(yù)測值放大后使用。