李肖君，李建喬，羅 毅

（云南建投第十二建設(shè)有限公司，云南 昆明 650500）

隨著城市建設(shè)規(guī)模的日益增大，城市建筑除向空中發(fā)展以外，地下空間開發(fā)利用也越來越受到人們的重視。不過，地下建筑的設(shè)計(jì)因基坑深度、面積、形狀、地質(zhì)的不同，對基坑的支護(hù)形式、施工工藝提出了新的要求。以昆明地區(qū)為例，隨著基坑開挖深度越來越大，基坑規(guī)模也越來越大，施工周邊環(huán)境復(fù)雜；同時(shí)，文明城市的建設(shè)對城市基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求，隨著環(huán)境改善工作的落實(shí)以及污水處數(shù)量和處理技術(shù)的提高，大型地埋式池體也隨之增多。

在基坑支護(hù)工程中，由于外界原因或不利地質(zhì)條件的影響，錨桿、錨索、土釘墻等常規(guī)支護(hù)方法無法實(shí)施，而采用單排懸臂樁又無法滿足工程對基坑穩(wěn)定、周邊建筑變形和沉降的要求時(shí)，h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)不失為一種可供選擇的方案[1]。

隨著圍護(hù)技術(shù)的多樣化發(fā)展，雙排樁在深基坑和邊坡工程得到越來越多的使用。雙排樁類似平面剛架體系，具有剛度大、側(cè)向位移小等優(yōu)勢。文獻(xiàn)[2-7]分別探討了利用近似理論和數(shù)值模擬解析基坑支護(hù)中的雙排樁結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。但是由于h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在力學(xué)作用機(jī)制上不同于其他雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，因此二者在計(jì)算分析理論上必然存在較大的差異。肖世國[8]分析了h型支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，認(rèn)為由于前后排樁間有橫梁將其連為一體，整體剛度極大，可提供較大抗力，因而可以用于大型邊（滑）坡的治理工程中。劉波[9]結(jié)合上海中心塔樓超深大圓形基坑在周邊敏感環(huán)境和復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的監(jiān)測實(shí)例，深入分析了海量實(shí)測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究了基坑施工過程中6道環(huán)撐的內(nèi)力、位移等數(shù)據(jù)，分析了軟土地區(qū)超深大圓形基坑的空間特性，為軟土地區(qū)同類基坑的實(shí)施提供參考。李韜等[10]結(jié)合上海國際金融中心項(xiàng)目中順作區(qū)臨時(shí)水平環(huán)撐和對撐體系、逆作區(qū)梁板支撐體系的受力特性進(jìn)行了信息化監(jiān)測和歸納分析，探討軟土地區(qū)超深大基坑在順逆作同步交叉實(shí)施條件下多種水平支撐體系的受力特性，提出了超深大基坑水平支撐體系信息化施工的控制建議，以保證基坑水平支撐體系始終安全穩(wěn)定，并為軟土地區(qū)同類基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。但國內(nèi)外對h型雙環(huán)板撐的理論研究較少。

文章以昆明市某半地下整體式污水處理廠的基坑支護(hù)為例，利用巖土工程有限元軟件midas GTS NX對基坑支護(hù)剖面的h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)針對模擬計(jì)算的結(jié)果，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力位移等問題，進(jìn)而為h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在深厚泥炭質(zhì)土超大圓形深基坑中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 依托項(xiàng)目周邊環(huán)境

該基坑支護(hù)工程位于昆明市西山區(qū)碧雞鎮(zhèn)王家堆村，直徑為250m，開挖深度為12.35m，局部開挖深度為17.75m。基坑西、北側(cè)臨近G56S繞城高速高架橋，最短距離約55m；基坑?xùn)|側(cè)距滇池水域約120m，基坑?xùn)|側(cè)有王家堆渠通過，距離基坑邊緣最近約17m。王家堆渠河寬10～15m，水深1～2m，與該場地地表水、地下水有水力聯(lián)系。

場地淺、上部地層為第四紀(jì)人工填土層，以下地層以第四系湖沼積的泥炭質(zhì)土、黏土及粉土為主，軟塑～流塑狀態(tài)，場區(qū)內(nèi)基巖埋深較大，場地100m深度范圍未見基巖。場區(qū)地下水主要為賦存于填土層的表層滯水以及賦存于粉土夾層的孔隙潛水。

1.2 h型雙環(huán)板撐

根據(jù)該工程的特點(diǎn)，采用圍護(hù)樁+下環(huán)形板撐支承樁+兩道環(huán)形板撐作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。外排支護(hù)樁采用旋挖鉆孔灌注樁φ1000mm@1200mm，內(nèi)排支承樁采用旋挖鉆孔灌注樁φ800mm@7500mm。鋼筋混凝土環(huán)形板撐采用矩形截面，第一道環(huán)形板撐設(shè)置于-3.0m處，截面尺寸為3500mm×1050mm，第二道環(huán)形板撐置于-7.5m處，截面尺寸為5500mm×1200mm。第二道環(huán)形板撐取結(jié)構(gòu)外輪廓線的最小外接圓，并考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)外緣間必要的施工間，故設(shè)置其直徑為238m?；又ёo(hù)剖面圖如圖1所示。在此基坑支護(hù)方案中，支護(hù)樁、支承樁、環(huán)形板撐三者組成h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 有限元模擬

利用midas GTS NX軟件對該工程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析h型雙環(huán)板撐結(jié)構(gòu)在基坑支護(hù)剖面中的受力和變形特性。

2.1 基本假定

（1）忽略支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對土體擾動(dòng)的影響。

（2）平面應(yīng)變假定。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖

（3）將支護(hù)樁、支承樁、環(huán)形板撐三者組成的h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體。

2.2 本構(gòu)模型

在midas GTS NX軟件內(nèi)置模型中，采用修正摩爾-庫倫模型模擬土層，彈性模型模擬支護(hù)樁、支承樁和環(huán)形板撐；兩側(cè)邊界采用限制水平方向位移約束，底部采用固定約束，頂面為自由面。因?yàn)槟M時(shí)采用平面應(yīng)變模型，所以在該模型中需要將支護(hù)樁、支承樁的支護(hù)寬度進(jìn)行等效處理，則支護(hù)樁等效支護(hù)寬度為π(1000/2)2/1200=654.49mm；支承樁等效支護(hù)寬度為π(800/2)2/7500=67.02mm。

該模擬模型的尺寸為120.98m×74.2m，開挖深度為12.35m，支護(hù)樁長為35.2m，支承樁長為27.2m，支護(hù)樁與支承樁的間距為5m。有限元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1、表2所示。

圖2 模型網(wǎng)格

表1 土層分布及土體力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬，利用軟件分析模型施工階段中的受力變形，得出模型水平位移圖，支護(hù)樁與支承樁樁身的軸力、剪力、彎矩曲線圖，兩道環(huán)形板撐的剪力、彎矩。

結(jié)合該工程的實(shí)際施工過程，將模型的施工階段分為4個(gè)工況進(jìn)行模擬。第一工況：在原地面基礎(chǔ)上施工支護(hù)樁與支承樁。第二工況：放坡開挖至第一道環(huán)撐底標(biāo)高處。第三工況：施工完第一道環(huán)形板撐且養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，并開挖至第二道環(huán)撐底標(biāo)高處。第四工況：施工完第二道環(huán)形板撐且養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，形成h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，并開挖至坑底。

將第一工況設(shè)置為初始階段，則施工階段一的位移為0。其余工況下模型水平位移圖如圖3～圖5所示。由圖3可知，基坑放坡開挖至-4.05m處，基坑最大水平位移出現(xiàn)在放坡中部至底部區(qū)域，最大水平位移約15cm。由圖4可知，基坑最大水平位移出現(xiàn)在放坡底部至第一道環(huán)形板撐底部之間的位置，最大水平位移約20.3cm，相對于第二工況而言，第三工況中基坑最大水平位移增大了5.3cm。由圖5可知，基坑在放坡底部至第一道環(huán)形板撐底部之間的位置出現(xiàn)最大水平位移，最大水平位移約24.6cm，相對于第三工況而言，第四工況中基坑最大水平位移也增大了4.3cm。

圖3 第二工況模型水平位移圖

圖4 第三工況模型水平位移圖

圖5 第四工況模型水平位移圖

通過分析施工階段中模型水平位移的變化趨勢可以看出，隨著基坑的施工，基坑的最大水平逐漸增大，但增大的速率減慢。由此得出，h型雙環(huán)板撐支護(hù)體系的整體剛度較大，可以很好地控制基坑水平位移。

2.4 h型雙環(huán)板撐各部分間的相互作用

h型雙環(huán)板撐由外側(cè)支護(hù)樁、內(nèi)側(cè)支承樁、環(huán)形板撐三部分組成。三者相互作用，形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在第一道環(huán)形板撐中，將靠近放坡處的位置設(shè)為起始點(diǎn)，以0.5m為單位，將其分成7部分，模擬所得第三、四工況第一道環(huán)形板撐的剪力、彎矩值如表3所示。

在第二道環(huán)形板撐中，將靠近支護(hù)樁的位置設(shè)為起始點(diǎn)，以0.5m為單位，將其分成11部分，模擬所得第四工況第二道環(huán)形板撐的剪力、彎矩值如表4所示。

由圖1基坑支護(hù)剖面圖可知，支護(hù)樁的軸線將第一道環(huán)形板撐分為2.5m與1m兩部分；支承樁的軸線將第二道環(huán)形板撐分為4.5m與1m兩部分。

通過表3得出，第一道環(huán)形板撐的剪力、彎矩在支護(hù)樁與環(huán)撐連接的位置發(fā)生突變。在突變之前的位置，第一道環(huán)形板撐的剪力保持不變，但彎矩逐漸增大。通過對比兩工況中第一道環(huán)形板撐剪力、彎矩的變化得出：隨著基坑開挖深度的增加，第一道環(huán)形板撐的彎矩逐漸增加，即第一道環(huán)形板撐在第四工況中的彎矩值要大于第三工況中的彎矩值；當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)中第二道環(huán)形板撐發(fā)揮支護(hù)作用時(shí)，第一道環(huán)形板撐的剪力下降，即第一道環(huán)形板撐在第四工況中的剪力值要小于第三工況中的剪力值。由此分析出，第一道環(huán)形板撐可以承擔(dān)由支護(hù)樁傳遞的基坑外側(cè)水土壓力。通過表4得出，第二道環(huán)形板撐的剪力、彎矩在支承樁與環(huán)撐連接的位置發(fā)生突變，但剪力變化較小。在突變之前的位置，第二道環(huán)形板撐的剪力保持不變。在該模型中將第二道環(huán)形板撐與支護(hù)樁采用剛性連接，所以第二道環(huán)形板撐在靠近支護(hù)樁位置處彎矩最大，但樁間土和支承樁提供了豎向承載力，導(dǎo)致了第二道環(huán)形板撐的彎矩值逐漸減小。結(jié)合表3、4得出，第二道環(huán)形板撐的剪力、彎矩值均大于第一道環(huán)形的剪力值、彎矩值，當(dāng)?shù)诙拉h(huán)形板撐施工完成且基坑已開挖至坑底時(shí)，第一道環(huán)形環(huán)撐的剪力有所下降。由此可以說明，第二道環(huán)形板撐不僅承擔(dān)了較大的由支護(hù)樁傳遞的基坑外側(cè)水土壓力，還將支護(hù)樁、支承樁、環(huán)形板撐有機(jī)地連成一個(gè)整體。由于該模型為平面應(yīng)變模型，所以得出的模擬結(jié)果相當(dāng)于實(shí)際環(huán)形板撐中的一個(gè)剖面的受力情況，而在該平面應(yīng)變模型模擬結(jié)果中環(huán)形板撐的剪力可以視為實(shí)際環(huán)形環(huán)撐中的徑向壓力，環(huán)形板撐可以憑借自身受力屬性將徑向壓力轉(zhuǎn)換為軸向壓力。

表3 第一道環(huán)撐剪力、彎矩

表4 第二道環(huán)撐剪力、彎矩

支護(hù)樁樁頂標(biāo)高為-3.85m，支承樁樁頂標(biāo)高為-8.5m。為方便分析，選取支護(hù)樁與支承樁上部分，即深度為-22m以上的部分做研究。支護(hù)樁與支承樁樁身水平剪力曲線圖如圖6所示，支護(hù)樁與支承樁樁身彎矩曲線圖如圖7所示，支護(hù)樁與支承樁樁身軸力曲線圖如圖8所示。

圖6 支護(hù)樁與支承樁樁身水平剪力曲線圖

圖7 支護(hù)樁與支承樁樁身彎矩曲線圖

圖8 支護(hù)樁與支承樁樁身軸力曲線圖

圖6中，剪力的正向表示剪力指向基坑內(nèi)側(cè)，剪力的負(fù)向表示剪力指向基坑外側(cè)。通過分析圖6中支護(hù)樁在三個(gè)工況的樁身水平剪力變化得出：在第二工況中，基坑放坡開挖至-4.05m，支護(hù)樁樁頂?shù)乃郊袅?kN。在第三工況中，基坑開挖至-8.7m，導(dǎo)致支護(hù)樁承受的基坑外側(cè)水土壓力增大，所以支護(hù)樁樁頂?shù)乃郊袅ν辉?，增大?3.25kN，但支護(hù)樁將自身承受的基坑外側(cè)水土壓力傳遞給第一道環(huán)形板撐，因此第一道環(huán)形板撐承擔(dān)了基坑外側(cè)水土壓力，支護(hù)樁在第一道環(huán)形板撐下側(cè)的樁身水平剪力大于樁頂?shù)乃郊袅ΑＴ诘谒墓r中，基坑開挖至坑底，支護(hù)樁承受的基坑外側(cè)水土壓力繼續(xù)增大，但支護(hù)樁將基坑外側(cè)水土壓力傳遞給兩道環(huán)形板撐，因此兩道環(huán)形板撐承受了基坑外側(cè)水土壓力并發(fā)揮其支護(hù)作用，導(dǎo)致支護(hù)樁樁頂剪力稍有減小，減小至27.55kN，所以支護(hù)樁在樁頂至第二道環(huán)形板撐間，樁身水平剪力先增大后減小，而在第二道環(huán)形板撐的位置，樁身水平剪力發(fā)生突變，且樁身水平剪力的絕對值逐漸增大，并在-8.5m附近出現(xiàn)最大負(fù)剪力，最大負(fù)剪力為-46.08kN。通過分析圖6中支承樁在三個(gè)工況的樁身水平剪力變化得出：支承樁在第二、三工況中樁身剪力變化不大，而在第四工況中由于第二道環(huán)形板撐承受了支護(hù)樁傳遞的基坑外側(cè)水土壓力并發(fā)揮其支護(hù)作用，導(dǎo)致支承樁樁身剪力變化較特殊，支承樁在樁頂處出現(xiàn)最大正剪力，最大正剪力為4.5kN，在樁頂至坑底間，樁身水平剪力逐漸減小，在坑底處樁身水平正剪力有小幅度增大，從坑底至-22m間，樁身水平剪力變化不大。

通過分析圖7中支護(hù)樁在三個(gè)工況的樁身彎矩變化得出：支護(hù)樁樁頂彎矩在3個(gè)工況中逐漸增大，在第二工況中支護(hù)樁樁頂?shù)膹澗貫?kN·m。由于在該模型中第一道環(huán)形板撐與支護(hù)樁采用剛性連接，在第三工況中，隨著基坑繼續(xù)開挖，致使支護(hù)樁樁頂彎矩突增，增大至102.23kN·m。在第四工況中，基坑開挖至坑底，但環(huán)形板撐發(fā)揮其支護(hù)作用，導(dǎo)致支護(hù)樁樁頂彎矩稍有增大，增大至121.32kN·m。在該模型中支護(hù)樁與第二道環(huán)形板撐也采用剛性連接，所以支護(hù)樁在第四工況中樁身彎矩變化較特殊，支護(hù)樁樁身彎矩在第二道環(huán)形板撐的位置發(fā)生突變，且樁身彎矩逐漸增大，并在-8.5m附近出現(xiàn)最大彎矩，最大彎矩為656.78kN·m。通過分析圖7中支承樁在三個(gè)工況中的樁身彎矩變化得出：支承樁在第二、三工況中樁身彎矩變化不大。由于該模型中第二道環(huán)形板撐與支承樁采用剛性連接，因此支撐樁樁身彎矩在第四工況中的變化較特殊。隨著基坑開挖至坑底，第二道環(huán)形板撐發(fā)揮支護(hù)作用，導(dǎo)致支承樁在樁頂處出現(xiàn)最大彎矩，最大彎矩為2.77kN·m，然后樁身彎矩呈現(xiàn)出減小的趨勢，從坑底至-22m間，支承樁樁身彎矩變化不大。

圖8為支護(hù)樁與支承樁樁身軸力曲線圖，其中軸力負(fù)值表示壓力，軸力正值表示拉力。分析支護(hù)樁樁身軸力可知：在第二工況中，基坑開挖至-4.05m，支護(hù)樁頂部沒有土層，所以支護(hù)樁樁頂軸力為0kN；在第三工況中，第一道環(huán)形板撐施工完成并養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，且基坑開挖至-8.7m，由于第一道環(huán)形板撐與支護(hù)樁采用剛性連接，支護(hù)樁樁頂軸壓力突增，軸力為-93.34kN；在第四工況中，基坑開外至坑底，支護(hù)樁樁頂軸壓力稍有增大，增大至-100.93kN。分析支承樁樁身軸力可知：在第二工況中，基坑放坡開挖至-4.05m，支承樁頂部存在土層，所以支承樁樁頂軸力為-1.42kN；在第三工況中，基坑開挖至-8.7m，支承樁頂部軸沒有土層，所以支承樁樁頂軸力減小至0kN，由于基坑開挖，基坑外側(cè)土體發(fā)生滑移、沉降等變形引起支護(hù)樁與支承樁樁間土體、基坑內(nèi)部土體隆起，導(dǎo)致部分支承樁樁身軸力在第三工況中呈現(xiàn)出拉力；在第四工況中，第二道環(huán)形板撐施工完成并養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度，且基坑開外至坑底，由于第二道環(huán)形板撐與支承樁采用剛性連接，致使支承樁樁頂軸壓力增大，增大至-13.99kN。

綜合圖6～圖8中支護(hù)樁剪力、彎矩、軸力在3個(gè)工況中的變化情況，再結(jié)合兩道環(huán)形板撐的剪力和彎矩得出，支護(hù)樁在水平方向提供較大的抗力、在豎直方向?yàn)榈谝坏拉h(huán)形板撐提供承載力的同時(shí)，還將基坑外側(cè)水土壓力傳遞給兩道環(huán)形板撐。綜合圖6、7、8中支承樁剪力、彎矩、軸力在3個(gè)工況中的變化情況，再結(jié)合第二道環(huán)形板撐的剪力和彎矩得出，雖然支承樁提供的水平抗力較小，但為第二道環(huán)形板撐提供較大的豎向支撐力。

3 結(jié)論

通過理論分析與軟件模擬相結(jié)合，對h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑支護(hù)剖面中的受力變形進(jìn)行研究分析，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的受力作用機(jī)理：第一道環(huán)形板撐可以承擔(dān)由支護(hù)樁傳遞的基坑外側(cè)水土壓力；支護(hù)樁提供較大水平抗力和豎向承載力，并將基坑外側(cè)的水土壓力傳遞給兩道環(huán)形板撐；第二道環(huán)形板撐不僅承擔(dān)了由支護(hù)樁傳遞的基坑外側(cè)水土壓力，還將支護(hù)樁、支承樁、環(huán)形板撐有機(jī)連成一個(gè)整體；支承樁提供的水平抗力較小，但為第二道環(huán)形板撐提供豎向支撐力，保障了第二道環(huán)形板撐充分發(fā)揮其支護(hù)能力。

支護(hù)樁、支承樁、環(huán)形板撐三者間相互配合，從而形成一個(gè)受力更加科學(xué)、剛度更大的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效地控制了基坑側(cè)向位移，保證了基坑的穩(wěn)定性。該支護(hù)結(jié)構(gòu)可以抵抗較大的坑外水土壓力，在大型深基坑支護(hù)工程中，有較好的應(yīng)用前景。文章的研究成果為h型雙環(huán)板撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在深厚泥炭質(zhì)土圓形深基坑中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。