單寶學(xué) 倪曉榮 李哲琳

(中國新興建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100039)

1 概述

北京地處華北平原內(nèi)陸，地貌單元屬沖洪積扇，地層巖性由以卵石類土、砂類土為主漸變?yōu)橐苑弁?、粘性土為主的交互地層，土質(zhì)較硬，力學(xué)性質(zhì)較好，故深基坑水平拉力支護結(jié)構(gòu)一般采用錨桿或錨索?；娱_挖后，邊坡外側(cè)壓力永久性削弱，使得土體中原有應(yīng)力平衡體系被打破，水平向主應(yīng)力減小，在土體自重的作用下，豎向應(yīng)力因側(cè)向阻力減小而產(chǎn)生額外壓力，造成邊坡下沉，從而使得土體向側(cè)向擠壓，形成位移。如果側(cè)壓力減小至一定程度，位移持續(xù)增大，將產(chǎn)生邊坡滑移，最后導(dǎo)致塌方。

在有支擋結(jié)構(gòu)的邊坡側(cè)向變形過程中，支擋結(jié)構(gòu)起了抗力的作用，它給邊坡重新提供了側(cè)壓力，使得邊坡重新保持了靜力平衡，邊坡位移無法繼續(xù)發(fā)展。同時，因為受到支擋結(jié)構(gòu)的影響，在提供相同側(cè)壓力的情況下，不同的支擋結(jié)構(gòu)，邊坡的位移是不同的，因為土體在變形的過程中，其和支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生了協(xié)同變形，即一部分變形轉(zhuǎn)移給了支擋結(jié)構(gòu)。

支擋結(jié)構(gòu)受到土壓力作用后，自身產(chǎn)生了撓曲，理論上該撓曲沒有結(jié)構(gòu)力學(xué)中計算的純受側(cè)壓力的撓曲大，因為在撓曲變形過程中，同時擠壓土體，使得土體產(chǎn)生了抗力，又抵制了支擋結(jié)構(gòu)繼續(xù)自由變形。

當(dāng)最后位移穩(wěn)定下來之后，支擋結(jié)構(gòu)的撓曲位移將和土體側(cè)向位移一致，也就是支擋結(jié)構(gòu)和土體的協(xié)同變形。

2 現(xiàn)行規(guī)程計算理論

現(xiàn)行規(guī)程計算理論主要為增量法，即在單個階段，當(dāng)墻體剛度不發(fā)生變化時，支護結(jié)構(gòu)增量荷載產(chǎn)生的內(nèi)力與前一個施工階段完成后已產(chǎn)生的位移和內(nèi)力疊加，再求得當(dāng)前施工階段完成后體系的實際位移和內(nèi)力。每一步增量位移內(nèi)力計算則采用全量法求解當(dāng)前增量步下的位移。其求解位移內(nèi)力的計算方法為彈性支點法，計算簡圖如圖1所示。

支護結(jié)構(gòu)的基本撓曲方程應(yīng)按以下公式確定：

0≤z≤hn時：

z≥hn時：

3 現(xiàn)行規(guī)程計算理論的不足

現(xiàn)行規(guī)程計算邊坡位移都是將支護結(jié)構(gòu)水平變形作為邊坡位移，計算時根據(jù)撓曲方程利用桿系有限元方法求解得到支護結(jié)構(gòu)水平變形，而沒有考慮支護結(jié)構(gòu)與土體協(xié)同變形情況。故為求得更加符合現(xiàn)場實際情況的邊坡位移，需要對協(xié)同變形進行考慮，目前行業(yè)內(nèi)一般采用連續(xù)介質(zhì)有限元法。

連續(xù)介質(zhì)有限元法是將土體、圍護結(jié)構(gòu)以及土體與圍護結(jié)構(gòu)的接觸面進行單元劃分，比如面層單元、樁單元、錨桿單元、土體單元等，每個單元可定義不同的變形模型，比如土體單元一般采用彈塑性本構(gòu)模型，圍護樁、錨桿考慮為線彈性單元。三維連續(xù)介質(zhì)有限元法計算較桿系有限元法更復(fù)雜，需采用ADINA或ABAQUS等大型有限元計算軟件進行計算，不適合進行施工推廣，故還需對傳統(tǒng)增量法進行改進。

4 現(xiàn)行規(guī)程計算理論的改進

支護結(jié)構(gòu)受到土壓力作用后，產(chǎn)生向坑內(nèi)彎曲形變，考慮到土體和支護樁緊密結(jié)合，故形變過程中支護結(jié)構(gòu)將會帶動土體一起形變，在支護樁產(chǎn)生彎曲變形的過程中，其后背土體將對樁產(chǎn)生抗力，使樁不能自由變形，最后實際位移也將小于理論值。

那么如何對現(xiàn)行公式進行改進，可以從以下幾方面著手：

1)土體對支護樁變形起反作用，可以考慮適當(dāng)提高支護樁剛度，因為樁身和土體共同變形，支護結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)在支護樁剛度的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加土體剛度，剛度增加值可根據(jù)土層性質(zhì)確定，粉土和粘土層取低值，砂卵石層取高值，具體可根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗確定。

2)圍護樁變形后，土體也跟著變形，在變形過程中，土壓力隨著位移的發(fā)展將呈現(xiàn)衰減，該減小值與位移有關(guān)系，位移越大，衰減越大，這是因為土體經(jīng)過壓密后，φ值將增加，為達到新的極限平衡狀態(tài)，σ3將減小。

5 剛度改進

樁身剛度為EI，E為換算混凝土彈性模量，I為換算截面慣性矩，截面慣性矩與截面模量相關(guān)，截面模量又稱為截面的抵抗矩。在協(xié)同作用下，土體剛度將和樁身剛度疊加，在計算時可用疊加后的剛度代替樁身剛度。土體剛度計算時假設(shè)影響樁后協(xié)同影響厚度及寬度按1D考慮，簡圖如圖2所示。

土體剛度計算如下，參考樁身剛度計算公式：

EI=0.85EdI0=0.85EdD4/12。

其中，EI為土體抗彎剛度；Ed為土體彈性模量；I0為土體截面慣性矩；Ed按照中硬粘土考慮，取8 MPa。樁徑為0.8 m時，土體剛度為2.3×1011N·mm2，相當(dāng)于護坡樁剛度同比增加，樁身混凝土強度按照C25考慮，彈性模量為28 000 MPa，則慣性矩增加8.28×106mm4，大致相當(dāng)于樁徑增加114 mm。

6 土壓力改進

現(xiàn)行規(guī)程開挖面以上土壓力按照主動土壓力考慮，邊坡開挖后，側(cè)壓力急劇降低，樁身瞬間承壓，在分步開挖下，假設(shè)樁體已趨于穩(wěn)定，土壓力也趨于穩(wěn)定，下步工況開挖后，位移繼續(xù)增大，位移增大的過程類似于側(cè)向土壓力減小，根據(jù)胡克定律，側(cè)壓力減小量與位移有如下關(guān)系：

根據(jù)上述公式，即可根據(jù)邊坡位移情況求解土壓力減小量，根據(jù)土壓力變化值即可求得新壓力狀態(tài)下的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力。假設(shè)基坑槽深中點深度按照10 m考慮，中點位移為10 mm，φ值為30°時，則單位寬度土壓力減少值為13.8 kPa。土壓力的減小相當(dāng)于土體抗力的增加，每層土體單獨進行計算，換算公式如下：

其中，z為支護結(jié)構(gòu)頂部至計算土層底部深度;hn為地面至計算土層頂部深度；h為1/2地面至計算土層頂部深度，即hn/2；E為地面至計算土層頂部加權(quán)平均重度；φ為地面至計算土層頂部加權(quán)平均內(nèi)摩擦角；y為計算土層位移，假設(shè)為s/20。

求得m如下：

其中，z-hn為土層計算厚度。

7 案例應(yīng)用

擬建工程位于北京市朝陽區(qū)金臺西路，基坑深度為17.1 m。場區(qū)周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)、南側(cè)、東側(cè)均緊鄰已有建筑，西側(cè)緊鄰金臺西路。擬建場區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件簡述如下：

根據(jù)巖土工程勘察報告，擬建場區(qū)地層巖性及其分布特征自上而下主要描述如下：

房渣土、碎石填土①層，粉質(zhì)粘土～粘質(zhì)粉土②層，粉質(zhì)粘土～重粉質(zhì)粘土③層，卵石～圓礫④層，粉質(zhì)粘土～粘質(zhì)粉土⑤層，卵石⑥層。

基礎(chǔ)開挖范圍內(nèi)分布有一層地下水，穩(wěn)定水位埋深為14.30～15.30，含水層主要為砂卵石層，地下水類型為層間潛水。

地層分布情況見表1。

表1 地層分布情況表

7.1 位移內(nèi)力規(guī)程計算結(jié)果

擬建工程典型基坑邊坡模型示意見圖3。

基坑周邊堆載條件見圖4，表2。

表2 周邊堆載條件表

根據(jù)軟件計算，位移及彎矩計算結(jié)果見圖5。

計算得坡頂最大位移為12.5 mm。樁體最大位移為26.7 mm。

7.2 位移內(nèi)力改進計算結(jié)果

周邊堆載等各項條件與規(guī)程相同，樁體直徑按照剛度疊加調(diào)整為0.91 m，m值增加計算結(jié)果見表3。

表3 m值增加計算明細表

將增加的m值與按規(guī)程計算得到的m值進行疊加，重新計算后位移及彎矩計算結(jié)果見圖6。

計算得坡頂最大位移為11.5 mm。樁體最大位移為21.5 mm。

7.3 位移內(nèi)力與現(xiàn)場對照結(jié)果

現(xiàn)場實際坡頂位移監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7。

根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果，坡頂最大位移為10.0 mm，改進后計算結(jié)果與實際比較接近。

8 結(jié)語

本文通過剛度疊加和土體抗力換算對樁錨支護結(jié)構(gòu)深基坑協(xié)同變形進行了簡化分析，理論分析結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，對北京地區(qū)相關(guān)類似分析具有指導(dǎo)意義和參考價值。但因為現(xiàn)場情況千變?nèi)f化，各種因素作用錯綜復(fù)雜，尤其是初始m值的確定仍具有較強的經(jīng)驗性，想準(zhǔn)確計算出協(xié)同變形仍比較困難，本文通過簡化計算方法對此進行了探討，具有一定的創(chuàng)新性和實用性。