賀健 袁敏

隨著高層甚至超高層建筑大量出現(xiàn),高層建筑密度增大,大型深基坑工程也越來越多。有的基坑工程緊鄰城市主干道或其他建筑物,基坑周圍環(huán)境日益嚴(yán)峻。尤其是軟弱地基的深基坑工程,由于軟土側(cè)壓力系數(shù)大、開挖深度大時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的主動(dòng)土壓力。

目前在深基坑工程中主要采用的支護(hù)形式有:水泥土攪拌樁、土釘墻、鉆孔灌注樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、地下連續(xù)墻及其組合形式等。

本文以在巖土工程界得到廣泛應(yīng)用的FLAC3D數(shù)值計(jì)算程序?yàn)楸尘?對(duì)樁、錨桿兩結(jié)構(gòu)單元相互作用時(shí)的連接方法進(jìn)行討論,進(jìn)而利用該程序?qū)Σ捎脴跺^支護(hù)系統(tǒng)的深基坑開挖工程進(jìn)行模擬分析,以探討支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形特性。

FLAC3D軟件是一個(gè)用于分析和解決工程力學(xué)問題的三維顯式差分法程序,它采用顯式拉格朗日算法和混合—離散分區(qū)技術(shù),可以有效地模擬巖土體及其他材料結(jié)構(gòu)的工程力學(xué)行為[1]。

FLAC3D中的結(jié)構(gòu)單元僅通過節(jié)點(diǎn)相互作用,而節(jié)點(diǎn)又通過連接與網(wǎng)格點(diǎn)相互作用。因此,結(jié)構(gòu)單元連接提供了結(jié)構(gòu)單元與網(wǎng)格點(diǎn)相互作用的唯一方式。每個(gè)連接都是把節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)單元實(shí)體上。連接方式有兩種:1)節(jié)點(diǎn)—區(qū)域連接,它是把節(jié)點(diǎn)連接到區(qū)域中(不是簡單地連接到網(wǎng)格點(diǎn)上);2)節(jié)點(diǎn)—節(jié)點(diǎn)連接,它是把節(jié)點(diǎn)連接到其他的節(jié)點(diǎn)上。而在本文中所采用的連接方式為第一種連接方式,即把節(jié)點(diǎn)連接到區(qū)域中[2]。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件及土層參數(shù)

本工程施工場(chǎng)地地形平坦,但場(chǎng)地周圍有需要保護(hù)的已有建筑物和地下管線。根據(jù)勘察報(bào)告,場(chǎng)地內(nèi)的地層屬于人工堆積與一般的第四紀(jì)沉積層,按照土的物理力學(xué)性質(zhì)的不同分為6類,各土層的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 各土層力學(xué)參數(shù)

1.2 開挖方式及支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)地質(zhì)條件,場(chǎng)地因素等綜合條件,確定支護(hù)體系采用鉆孔灌注樁加兩道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)體系。設(shè)計(jì)該基坑分3次開挖到位,總的開挖深度為9 m。所采用的支護(hù)方案為混凝土灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù),具體形式為:在基坑開挖前首先修筑深度為15 m的鋼筋混凝土灌注樁,混凝土標(biāo)號(hào)為C25,樁直徑為0.8 m。第一次開挖深度為3 m,然后施工第一排錨桿,第二次開挖4 m,施工第二排錨桿,第三次開挖至基底標(biāo)高。錨桿和樁的接觸點(diǎn)采用如下所述的方式進(jìn)行連接:

預(yù)應(yīng)力錨桿布設(shè)兩層。在-2.5 m處設(shè)置第一排預(yù)應(yīng)力錨桿,錨桿水平間距2.0 m,入射角為10°,錨桿長度24 m,其中自由段10 m,錨固段14 m。錨孔直徑100 mm,錨孔灌注M15水泥砂漿,錨桿2φ 32,預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為50 kN;在-6.0 m處設(shè)置第二排預(yù)應(yīng)力錨桿,設(shè)計(jì)同第一排錨桿,預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為70 kN,但必須錯(cuò)開設(shè)置。

深基坑支護(hù)是近些年來才發(fā)展起來的工程運(yùn)用學(xué)科,新的完善的支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力理論還沒有正式提出。

目前,土壓力的計(jì)算仍然是簡化后按庫侖公式或朗肯公式進(jìn)行。常用的公式為[6]:

主動(dòng)土壓力:

被動(dòng)土壓力:

樁錨支護(hù)的示意圖見圖1,基坑深9 m,但是考慮到施工要求,超挖0.2 m。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算方案

土體及混凝土基礎(chǔ)的計(jì)算參數(shù)見表1,強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系?；炷翗栋凑諒椥圆牧蟻砜紤],采用FLAC3D軟件中的樁單元來模擬。取其彈性模量E=28 GPa,泊松比υ=0.2。邊界條件采用模型左右邊界側(cè)向約束,不允許水平方向的位移底面全部約束[7]。具體計(jì)算方案為:首先將模型按照所給定的材料參數(shù)設(shè)定,然后按照施工的順序進(jìn)行計(jì)算,即先修筑混凝土灌注樁,然后開挖土體,并在開挖到相應(yīng)位置處加設(shè)相應(yīng)的錨桿。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

1)從樁的水平位移,也就是基坑壁的水平位移來看(見圖2),隨著開挖深度的增加,基坑側(cè)壁朝著基坑方向上的水平位移也越來越大;而且水平位移增加的幅度也越來越大,在開挖深度上第1次和第2次開挖分別為3 m和 4 m,第3次為2.5 m,隨著開挖深度的增加,最大位移點(diǎn)還在不斷下移,這一點(diǎn)與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。因此在做基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在這些位置加強(qiáng)防護(hù),防止基坑壁在該處鼓出而使基坑失穩(wěn)破壞。

2)為了研究錨桿在不同開挖階段受到的軸力,選取第1根錨桿進(jìn)行分析。在第1次開挖后,其受力比較小;而當(dāng)?shù)?次開挖結(jié)束后,其軸力明顯增加,大約增加到原來的1.5倍,其后就不再有明顯變化了。這主要是由于當(dāng)進(jìn)行第2次開挖時(shí),其他錨桿還沒有施工,所以其承受的力較大,而當(dāng)開挖繼續(xù)進(jìn)行時(shí),其他錨桿相繼施工,也就相應(yīng)地分擔(dān)了第1根錨桿上的力,所以其軸力在以后的幾個(gè)開挖階段變化較小,隨著錨固段的延伸,錨桿軸力逐漸減小并趨于零,即在預(yù)應(yīng)力錨桿承載過程中,錨固段淺層土體承載能力得到充分發(fā)揮,而錨固段深層土體承載能力的發(fā)揮隨其深度的增加而逐漸減小。

3)從樁身彎矩圖來看(見圖3),在這3次的開挖過程中,樁身彎矩在深度方向都是有正有負(fù)。而在彎矩有突變的地方基本上都是在錨桿位置附近,這是錨桿所起到的作用,也就是利用錨桿拉住樁的腰梁,給樁施以抗傾覆力,同時(shí)也使樁的彎矩產(chǎn)生突變。

4)從模擬結(jié)果中還可以看出,基坑壁上的最大位移產(chǎn)生在基坑頂部,為4.50 cm,并且從位移曲線的發(fā)展趨勢(shì)來看,隨著時(shí)間的增加,位移曲線都趨于一個(gè)穩(wěn)定值,這說明該基坑在開挖后變形最終是趨于穩(wěn)定的,不會(huì)產(chǎn)生非穩(wěn)定性破壞失穩(wěn)。

3 結(jié)論

1)本文運(yùn)用FLAC3D程序?qū)娱_挖支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,通過對(duì)得到的結(jié)果分析可以看出,只要參數(shù)選擇合理,模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合,具有一定的實(shí)用價(jià)值。2)由于開挖土層為非均質(zhì)土層,但是由于表層土的強(qiáng)度指標(biāo)比較低,所以邊坡的最大位移在基坑頂部,并且中下部也有較大的位移。3)從總的模擬計(jì)算結(jié)果來看,在采用本文中所述的支護(hù)形式及開挖方式下,該基坑的支護(hù)體系是安全的。4)對(duì)于鄰近建筑物、場(chǎng)地狹窄的深基坑,采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是比較合理的方案。在本工程的實(shí)施過程中,達(dá)到了預(yù)期的目的,也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。相信樁錨對(duì)城市改造建設(shè)有良好的發(fā)展前景。5)目前,各地基本建設(shè)中的各類建筑朝著高、大、深等方面的發(fā)展勢(shì)頭仍方興未艾,可以預(yù)料,基坑開挖與支護(hù)技術(shù)的各個(gè)方面均將繼續(xù)得到全面而深入的應(yīng)用和推廣。

4 建議

1)從模擬的結(jié)果來看,基坑頂部的位移最大,為了減少土體的位移,在此處可以采用放坡開挖。這樣既可以減少位移,又可以減少樁長,節(jié)省成本。2)由于土質(zhì)條件較差,考慮在土體中置筋灌漿,可以使土體和鋼筋形成“筋土復(fù)合體”,可以有效地減小邊坡土體的側(cè)向位移,增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性,延緩?fù)馏w塑性變形。3)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其工程造價(jià)與設(shè)計(jì)的合理性緊密相關(guān),合理的設(shè)計(jì)是影響整個(gè)工程施工進(jìn)度與造價(jià)的關(guān)鍵所在[8]。4)深基坑支護(hù)是一項(xiàng)技術(shù)含量高的高風(fēng)險(xiǎn)工程,除了需要對(duì)支護(hù)方案精心設(shè)計(jì)外,施工過程中必須根據(jù)土方開挖的土質(zhì)情況以及周圍地面、地下環(huán)境的變化及時(shí)調(diào)整技術(shù)方案,采取有效的施工技術(shù)措施,科學(xué)管理,才能把工程做得更精、更好。

[1] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與實(shí)例工程[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3] JGJ 120-1999,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[5] 賈金青,鄭衛(wèi)鋒.預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)法的研究與應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(11):1257-1261.

[6] 錢家歡.土工原理與計(jì)算[M].第2版.北京:中國水利電力出版社,1994.

[7] 戎 濤,張 川,劉紅巖.深基坑樁錨支護(hù)的數(shù)值模擬[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2007(17):39-40.

[8] 秦四清.深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:地震出版社,1998.