宋建學(xué)，李力劍，仝元通

(1. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2. 中化地質(zhì)鄭州巖土工程有限公司，河南 鄭州 450011)

0引 言

對于周邊環(huán)境復(fù)雜的深、大基坑，常規(guī)的支護形式很難滿足支護強度和變形控制要求，復(fù)合支護體系越來越多地被嘗試應(yīng)用于實際工程[1-20]。當基坑周邊環(huán)境條件復(fù)雜時，內(nèi)支撐支護體系特別是現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)支撐體系成為工程師的首選。以鄭州地區(qū)為代表的中硬場地土條件下12～18 m基坑的主導(dǎo)型支護形式是上部土釘墻支護加下部樁錨支護。上部采用土釘墻支護結(jié)構(gòu)可以減少基坑上部荷載，明顯降低造價，下部采用樁錨支護結(jié)構(gòu)可以有效控制基坑變形。當基坑深度較大，特別是基坑深部有軟弱土層不足以形成強大的坑內(nèi)被動土壓力，不能有效避免“踢腳”破壞時，就需要在基坑深部加強支護。同時，受相鄰地下工程設(shè)施的影響不能施工錨桿時，在基坑深部設(shè)置內(nèi)撐可以解決這一問題，土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系是一種新的探索。

為了推動復(fù)合支護體系的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者已有一些探索和總結(jié)。聶偉[7]對土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系的施工方法進行了闡述，肯定了該體系控制基坑變形的效果；馬平等[8]通過數(shù)值分析，將土釘墻、樁錨及二者復(fù)合支護結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行對比，對現(xiàn)行的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計思路進行評價；張麗麗等[9]以北京某復(fù)合支護工程為例，對樁錨復(fù)合土釘支護中土釘?shù)膬?nèi)力及變化規(guī)律進行了研究，認為土釘-樁錨復(fù)合支護體系中土釘?shù)氖芰β孕∮谕瑯訔l件下純土釘墻支護土釘?shù)氖芰?，?nèi)力變化基本一致；宋建學(xué)等[10]建立了土釘墻-樁錨復(fù)合支護體系模型，通過與現(xiàn)場實測結(jié)果對比，認為該支護形式中土釘墻高度不宜超過6 m；靳軍偉等[11]針對某基坑工程存在電力隧道和防空洞等復(fù)雜情況進行研究，提出了采用土釘-樁錨復(fù)合支護體系處理該類深基坑的方法；黃志全等[12]建立三維有限元模型，對雙排樁復(fù)合土釘支護下基坑在開挖過程中的變形破壞和支護結(jié)構(gòu)受力演化規(guī)律進行了分析；吳昌長[18]依托某基坑工程實例，研究了樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系下深基坑開挖變形情況，探討了樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護的特點和工作機理。

迄今為止，對于復(fù)合支護體系的研究主要集中于土釘-樁錨支護[8-17]和樁錨-內(nèi)撐支護[18-19]，而對于土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系的研究尚不充分，針對該復(fù)合支護體系的相關(guān)研究落后于工程需求[21-26]。本文依托某深基坑工程實例，通過支護結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值分析，研究土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系中不同支護方式之間協(xié)調(diào)變形、協(xié)同工作的機理，分析內(nèi)支撐位置及錨索鎖定值對支護結(jié)構(gòu)變形性狀的影響，深入討論鋼筋混凝土內(nèi)支撐在控制變形方面的作用，為相似條件下的設(shè)計和施工提供參考。

1現(xiàn)場試驗

1.1工程概況

工程實例為1棟寫字樓及商業(yè)裙房項目，寫字樓采用框架核心筒結(jié)構(gòu)，商業(yè)裙房采用框架結(jié)構(gòu)。該項目基坑大致呈長方形，平面尺寸為106 m×65.9 m，基坑開挖深度為15.9 m，基坑設(shè)計使用時間為18個月。

1.2支護方案

本工程基坑安全等級為一級，采用土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系，上部土釘墻高度為4.4 m，在-4.8 m處設(shè)置平臺，平臺寬920 mm，土釘墻按坡度系數(shù)0.2進行放坡，設(shè)置2排土釘，長度為6 m，水平間距為1.5 m。支護樁為鋼筋混凝土灌注樁，樁徑1 200 mm，鋼筋籠長度為22.5 m，下部5.5 m為素混凝土樁。共設(shè)置2排預(yù)應(yīng)力錨索，標高分別為-6.1，-9.6 m，長度為22 m，水平間距為1.5 m，錨索孔徑為150 mm，入射角度15°，第1排錨索鎖定值為260 kN，第2排錨索鎖定值為210 kN。鋼筋混凝土內(nèi)支撐設(shè)置在-12.3 m(支撐頂標高)處，截面尺寸為900 mm×900 mm，采用C35混凝土，基坑典型支護剖面見圖1。

圖1基坑典型支護剖面圖(單位:mm)Fig.1Typical Support Profile of Foundation Pit (Unit:mm)

1.3現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

以基坑典型支護剖面為例，坡頂、冠梁水平位移隨時間變化曲線見圖2，3，各施工節(jié)點對應(yīng)支護樁深層水平位移曲線見圖4。

圖2坡頂水平位移Fig.2Horizontal Displacement on Slope Top

圖3冠梁水平位移Fig.3Horizontal Displacement of Top Beam

圖4各施工節(jié)點下深層水平位移Fig.4Deep Horizontal Displacements Under Different Construction Nodes

土釘墻坡頂水平位移隨基坑開挖持續(xù)增大。第1排和第2排錨索施工完畢后，坡頂水平位移的增長速率沒有明顯變化，這表明錨索對坡頂水平位移的控制效果并不明顯，坡頂水平位移主要由上部土釘墻設(shè)計參數(shù)控制。錨索施工完畢到內(nèi)支撐施工完畢這段時間內(nèi)，坡頂水平位移幾乎呈線性增長，說明鋼筋混凝土內(nèi)支撐形成強度之前，其控制變形能力很弱。為了避免水平位移增長超過預(yù)警值，建議在這段時間內(nèi)限制基坑開挖速度，或者采用跳倉開挖方式，適當增加技術(shù)間歇，待鋼筋混凝土內(nèi)支撐形成強度后再開挖下層土方。

冠梁水平位移在內(nèi)支撐施工前發(fā)展速率較快，內(nèi)支撐形成強度后速率明顯減小。這表明內(nèi)支撐對冠梁水平位移有較明顯的控制效果。

比較圖2，3可知，冠梁施工完畢后，在水平方向上，坡頂和冠梁已有約4.6 mm位移差。水平位移差隨基坑開挖不斷增大，到基坑開挖完畢，水平位移差約7.8 mm。因此，若工程周邊環(huán)境復(fù)雜、管線密集(通常集中在地面以下5 m范圍內(nèi))，應(yīng)當在土釘墻和冠梁的設(shè)計中考慮基坑開挖對周邊建筑物基礎(chǔ)和管線的影響，提高冠梁標高，不低于相鄰被保護建筑物的基礎(chǔ)和鄰近被保護管線的中軸線標高。

支護樁深層水平位移曲線大致呈P形，且最大位移出現(xiàn)在約-8 m處，即內(nèi)支撐標高附近。這與支護設(shè)計最初的設(shè)想有些偏差，也表明鋼筋混凝土內(nèi)支撐限制變形是被動的，即在鋼筋混凝土內(nèi)支撐形成強度且支護樁發(fā)生變形后，才能充分發(fā)揮作用；另外，與鋼管支撐不同，鋼筋混凝土內(nèi)支撐無法施加預(yù)應(yīng)力，只有支護樁發(fā)生一定水平位移與內(nèi)支撐緊密接觸后，作用才能表現(xiàn)出來。此過程中，基坑開挖引起主動土壓力增大，造成了內(nèi)支撐標高附近水平位移較大。對照現(xiàn)場監(jiān)測可以確認，該標高處水平位移主要產(chǎn)生于內(nèi)支撐形成強度之前。

2數(shù)值分析

2.1有限元模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件對基坑開挖過程中基坑土體和支護結(jié)構(gòu)的變形進行模擬。模型的尺寸為長90 m，深60 m；開挖部分的尺寸為長29.15 m，深15.9 m。模型中土體采用4節(jié)點平面單元，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型；樁體、錨索等采用線彈性模型；樁土之間采用摩擦型接觸進行模擬。土層與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，2，基本分析模型如圖5所示。

表1土層分布與模擬參數(shù)Tab.1Soil Layer Distributions and Simulation Parameters

表2結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2Structure Parameters

圖5基本分析模型Fig.5Basic Analysis Model

2.2計算工況

計算工況如下：

工況1：基坑開挖至-4.4 m，澆筑支護樁，打入2排土釘。

工況2：基坑開挖至-6.2 m，施工第1排錨索(-5.7 m)。

工況3：基坑開挖至-9.7 m，施工第2排錨索(-9.2 m)。

工況4：基坑開挖至-12.85 m，施工鋼筋混凝土內(nèi)支撐，內(nèi)支撐位置為-12.35 m。

工況5：基坑開挖至坑底為-15.9 m。

2.3實測與模擬結(jié)果對比分析

各工況下坡頂水平位移實測值與模擬值的對比見圖6，工況5下支護樁深層水平位移實測值與模擬值的對比見圖7。

圖6坡頂水平位移對比Fig.6Comparison of Horizontal Displacement on Slope Top

圖7深層水平位移對比Fig.7Comparison of Deep Horizontal Displacement

坡頂水平位移和支護樁深層水平位移實測值與模擬值的趨勢基本一致，且數(shù)值非常接近，驗證了建模方法和參數(shù)選取的適用性，以下將按照已建立的有限元模型對支護結(jié)構(gòu)進行虛擬設(shè)計，研究內(nèi)支撐位置和錨索鎖定值等設(shè)計參數(shù)對基坑變形的影響。

3虛擬設(shè)計與參數(shù)分析

3.1內(nèi)支撐位置

在工況5下，分別將內(nèi)支撐放置于第1，2排錨索中間(標高-7.5 m，虛擬工況1)和樁頂處(標高-4.4 m，虛擬工況2)進行計算分析，在工況5和虛擬工況1，2下的支護樁深層水平位移對比曲線見圖8，基坑支護結(jié)構(gòu)的變形特征對比見表3。

圖8內(nèi)支撐位置不同時的深層水平位移Fig.8Deep Horizontal Displacements in Different Inner Bracing Positions

由圖8和表3可知，在土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系中，隨內(nèi)支撐上移，坡頂水平位移雖有減少，但樁身最大水平位移增大更顯著，且最大水平位移點向基坑底面方向移動，樁底水平位移變化較小。

表3內(nèi)支撐位置不同時的基坑變形特征Tab.3Deformation Characteristics of Foundation Pit in Different Inner Bracing Positions

上述實測與分析結(jié)果表明：在復(fù)合支護體系中內(nèi)支撐標高的確定應(yīng)以基坑外被保護對象位置為依據(jù)。對于周邊管線(通常在地下5 m內(nèi))密集的基坑工程，可在支護樁高度上部的1/3區(qū)間內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐以控制基坑變形；當基坑外有深部存在的地鐵、綜合管廊等工程時，可在該范圍內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐以限制支護結(jié)構(gòu)的水平位移。

3.2錨索鎖定值

在工況5下，采用4組錨索鎖定值進行虛擬設(shè)計，各虛擬工況中的錨索鎖定值見表4。支護樁深層水平位移在各工況下的對比曲線見圖9，基坑支護結(jié)構(gòu)的變形特征對比見表5。

表4各虛擬工況中的錨索鎖定值Tab.4Anchor Lock Value in Various Virtual Working Conditions

圖9錨索鎖定值不同時的深層水平位移Fig.9Deep Horizontal Displacements Under Different Anchor Lock Values

由圖9和表5可知，隨錨索鎖定值增大，樁身最大水平位移所在位置略有下移，這有利于內(nèi)支撐作用的充分發(fā)揮。對于樁錨支護結(jié)構(gòu)，冠梁水平位移隨錨索鎖定值的增大而穩(wěn)步減小，這與該場地土層的工程地質(zhì)條件較好有關(guān)。虛擬工況6相對于虛擬工況4，第2排錨桿鎖定值加大，但控制變形的效果并不明顯。規(guī)范[27]規(guī)定錨桿鎖定值宜取錨桿軸向拉力標準值的75%～90%，因此在實際工程中錨索鎖定值的變化范圍有限。當場地的工程地質(zhì)條件較好時，可以通過適度增大錨索鎖定值(5%～15%軸向拉力標準值)來獲取較好的支護效果。

表5錨索鎖定值不同時的基坑變形特征Tab.5Deformation Characteristics of Foundation Pit Under Different Anchor Lock Values

4結(jié)語

(1)土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系中坡頂水平位移主要由上部土釘墻控制，下部錨索和內(nèi)支撐對坡頂水平位移的控制效果不明顯。

(2)土釘墻-樁錨-內(nèi)撐復(fù)合支護體系中支護樁深層水平位移曲線大體呈現(xiàn)P形。

(3)鋼筋混凝土內(nèi)支撐限制變形是被動的，只有在強度形成且排樁產(chǎn)生側(cè)移后才能發(fā)揮其約束變形的作用。

(4)內(nèi)支撐可以有效約束其上下一定范圍內(nèi)支護樁的水平位移，隨內(nèi)支撐標高上移，樁身最大水平位移點向基坑底面方向移動，坡頂水平位移和樁底水平位移變化不明顯。

(5)樁身最大水平位移所在位置隨錨索鎖定值的增大而下移，且最大水平位移值也減小。當場地的工程地質(zhì)條件較好時，可以通過適度增大錨索鎖定值(5%～15%軸向拉力標準值)來獲取較好的支護效果。