林 浩 （福建慶展建設(shè)工程有限公司，福建 福州 350000）

基坑工程是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性工程，涉及結(jié)構(gòu)工程學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)、地質(zhì)工程等方面的知識(shí)，因此，基坑工程的穩(wěn)定性和安全性的計(jì)算結(jié)果受到多種因素的影響[1]。在城市發(fā)展進(jìn)程中，地下空間的開(kāi)發(fā)為密集的城市人口提供了土地資源與人口空間需求矛盾的新解決途徑，但也對(duì)基坑工程的安全提出了更為嚴(yán)格的要求[2-3]?；庸こ逃?jì)算理論的發(fā)展，已經(jīng)從受力控制推進(jìn)到了變形控制。確定施工過(guò)程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形大小和發(fā)展規(guī)律，提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，是目前深基坑工程設(shè)計(jì)與施工的重要研究?jī)?nèi)容。

本文以福建省福州市某建筑工程深基坑項(xiàng)目為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，分析了基坑圍護(hù)樁在開(kāi)挖過(guò)程中變形規(guī)律，并考慮不同圍護(hù)樁直徑的影響，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出合理的樁基直徑優(yōu)化方案。

1 工程概況

福建省福州市某建筑工程深基坑項(xiàng)目大致呈矩形，基坑開(kāi)挖面積為2500m2，基坑長(zhǎng)度為70m，寬度為36m，基坑北側(cè)和南側(cè)均為既有城市次干道，道路均為混凝土路面，北側(cè)次干道距離基坑邊線的距離為3m，南側(cè)次干道距離基坑邊線的距離為5m，城市東側(cè)為城市主干道，道路為瀝青混凝土路面，主干道距離基坑邊線為40m，主干道綠化帶距離基坑邊線為25m，基坑西側(cè)為既有高層民用住宅樓，樓層高度均為32層，采用筏板基礎(chǔ)，最近1棟住宅樓距離基坑邊線的距離為5m，如圖1所示。場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1?；娱_(kāi)挖深度為8m，局部坑中坑部分開(kāi)挖深度為9.5m，基坑采用單排現(xiàn)澆鉆孔灌注樁支護(hù)+1道鋼筋混凝土支撐+1道鋼管樁支撐，現(xiàn)澆鉆孔灌注樁的直徑為700mm，樁深度為16m，樁底深入到③2粉土層，樁中心間距為1000mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，主鋼筋為HRB40，主鋼筋直徑為20mm，共16根，沿基坑四周均勻分布，主鋼筋保護(hù)層厚度為35mm；樁頂設(shè)置冠梁，冠梁寬度為1000mm，高度為600mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。第一道鋼筋混凝土支撐截面尺寸為600mm×600mm，采用的C30等級(jí)混凝土澆筑，主鋼筋保護(hù)層厚度為35mm；第二道鋼管樁支撐為直徑300mm，厚度15mm的鋼管。由于場(chǎng)區(qū)地層存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土體的自穩(wěn)能力及抗剪切強(qiáng)度較低，加上地下水潛水位較淺，存在雨水和地下水沿著粉土涌入基坑的情況，因此，在單排樁基圍護(hù)結(jié)構(gòu)后采用三軸攪拌樁作為止水措施，三軸攪拌樁的直徑為850mm，樁長(zhǎng)為14m，樁中心間距為600mm，采用P·O 42.5水泥進(jìn)行噴射攪拌。

表1 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)參數(shù)

2 深基坑工程開(kāi)挖支護(hù)模型的構(gòu)建

從圖1中可以看出，基坑工程周邊的環(huán)境十分復(fù)雜，既有城市道路和建筑物都對(duì)基坑變形敏感，如果控制不當(dāng)，極易引發(fā)結(jié)構(gòu)大變形事故，造成不良的社會(huì)影響。為了研究基坑工程支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律，研究采用邁達(dá)斯MIDAS GTS NX巖土有限元軟件建立深基坑工程三維計(jì)算模型，如圖2所示，基坑土體和內(nèi)支撐的網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在模型構(gòu)建過(guò)程中，可以在計(jì)算機(jī)輔助軟件CAD中建立好基坑的二維框線模型，并借助邁達(dá)斯軟件的導(dǎo)入功能進(jìn)行土體的網(wǎng)格劃分和三維擴(kuò)展[4-5]。數(shù)值計(jì)算的模型不考慮基坑邊線的局部變化，將其簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方體，長(zhǎng)×寬×深的尺寸為70m×35m×8m，基坑周邊施工超載按照20kPa取值，西側(cè)的高層建筑按照15kPa/層取值，共480kPa。計(jì)算時(shí)混凝土的彈性模量取值為30kN/mm2，重度為25kN/m3，泊松比為0.2，采取彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，鋼支撐的彈性模量取值為200kN/mm2，重度為78.5kN/m3，泊松比為0.25，施加預(yù)應(yīng)力3000kN，采用彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算；土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，各層土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算[6-9]。第一道鋼筋混凝土支撐設(shè)置在地表以下1.5m，第二道鋼管支撐設(shè)置在地表以下5m，因此，基坑開(kāi)挖的計(jì)算過(guò)程為：①平整地表，地下水降深，放坡開(kāi)挖至1.5m→②施作第一道鋼筋混凝土支撐→③第一道鋼筋混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，繼續(xù)開(kāi)挖至地表以下5.5m→④架設(shè)第二道鋼支撐→⑤繼續(xù)開(kāi)挖至基坑底部→⑥施工封底混凝土。

3 深基坑工程開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為不同開(kāi)挖步序下鉆孔灌注樁水平位移隨著深度的變化曲線。從圖3中可以看出，隨著深度的增加，不同開(kāi)挖步序下鉆孔灌注樁的水平位移變化規(guī)律基本相同，均呈現(xiàn)不斷增加后迅速減小，并趨于收斂，即 “中間大，兩頭小” 的變化規(guī)律；開(kāi)挖步序①的鉆孔灌注樁的水平位移峰值出現(xiàn)在深度2m處，水平位移值為4.3mm，開(kāi)挖步序③的鉆孔灌注樁的水平位移峰值出現(xiàn)在深度6m處，水平位移值為8.5mm，開(kāi)挖步序⑤的鉆孔灌注樁的水平位移峰值出現(xiàn)在深度8m處，水平位移值為13mm；在相同的深度范圍內(nèi)，隨著開(kāi)挖深度的增加，鉆孔灌注樁的水平位移不斷增加，在深度11m 以下，3種不同開(kāi)挖步序條件下的鉆孔灌注樁位移值接近，且數(shù)值均較小，小于2.5mm，可以認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部附近為嵌固邊界，受到開(kāi)挖的影響較小，而樁中部的水平位移變化較大，這是因?yàn)榈谝坏阑炷林蔚膭偠容^大，而底部又是嵌固邊界，因此可以認(rèn)為水土壓力使得樁體受彎，在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)中部的支撐剛度，以減小樁體的水平位移，進(jìn)而控制周邊土體的擾動(dòng)。

圖3 不同開(kāi)挖步序下鉆孔灌注樁水平位移隨深度的變化曲線

為了更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)圍護(hù)支撐結(jié)構(gòu)，數(shù)值計(jì)算設(shè)置了3 種不同的圍護(hù)樁計(jì)算工況，分別為工況A：樁直徑800mm、工況B：樁直徑700mm、工況C：樁直徑600mm。圖4和表2 為不同計(jì)算工況下鉆孔灌注樁的最大水平位移變化規(guī)律。

表2 不同計(jì)算工況條件下樁水平位移最大值增幅對(duì)比

從圖4中可以看出，在相同的施工步序下，工況A的樁最大水平位移值明顯小于工況B和工況C，隨著施工步序的增加，樁的最大水平位移也不斷增加。從表2中可以看出，相對(duì)于工況A，工況B在步序①時(shí)，樁的最大水平位移增幅增加59.26%，在步序③時(shí)，樁的最大水平位移增幅增加30.77%，在步序⑤時(shí)，樁的最大水平位移增幅增加30%；相對(duì)于工況B，工況C在步序①時(shí)，樁的最大水平位移增幅增加4.65%，在步序③時(shí)，樁的最大水平位移增幅增加5.88%，在步序⑤時(shí)，樁的最大水平位移增幅增加10%。由此可以看出，在樁直徑為600mm增加至700mm時(shí)，樁的最大水平位移降低較少，而直徑從700mm 增加至800mm 時(shí)，樁的最大水平位移大幅度降低，因此，在工程投資允許的條件下，可以適當(dāng)將樁基直徑優(yōu)化為800mm，以提高深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，減小樁的最大水平位移和周邊土體的擾動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

以福建省福州市某建筑工程深基坑項(xiàng)目為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，分析了基坑圍護(hù)樁在開(kāi)挖過(guò)程中變形規(guī)律，并考慮不同圍護(hù)樁直徑的影響，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

（1）隨著深度的增加，不同開(kāi)挖步序下鉆孔灌注樁的水平位移變化規(guī)律基本相同，均呈現(xiàn)不斷增加后迅速減小，并趨于收斂。

（2）在相同的深度范圍內(nèi)，隨著開(kāi)挖深度的增加，鉆孔灌注樁的水平位移不斷增加，在深度11m以下，不同開(kāi)挖步序條件下的鉆孔灌注樁位移值均較小于2.5mm。

（3）對(duì)比不同樁直徑計(jì)算工況表明，在工程投資允許的條件下，可以適當(dāng)將樁基直徑優(yōu)化為800mm，以提高深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，減小樁的最大水平位移和周邊土體的擾動(dòng)。