江杰,田翔豪,羅方正,彭伯倫

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗室, 廣西 南寧 530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)試驗室, 廣西 南寧 530004；4.中國建筑第八工程局有限公司, 上海 200135)

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，大量的地鐵車站深基坑工程應(yīng)運(yùn)而生[1-4]，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形是工程界最關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值計算、理論分析、試驗及現(xiàn)場監(jiān)測等方法對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行研究。汪俊杰等[5]通過FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行了基坑地連墻支護(hù)參數(shù)敏感性分析，得到了各支護(hù)參數(shù)的相互影響關(guān)系；趙香山等[6]利用有限元軟件對基坑地連墻水平位移和地表沉降進(jìn)行反演分析，得到的上海軟土地區(qū)土層參數(shù)能較好應(yīng)用于數(shù)值分析當(dāng)中；徐長節(jié)等[7]和范曉真等[8]通過理論推導(dǎo)的方法，得到了非對稱開挖基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的解析解；LIU等[9]和XIANG等[10]通過數(shù)學(xué)模型對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了預(yù)測；郭海慶等[11]以某基坑實(shí)例為背景，通過離心模型試驗和有限元軟件得到了兩種不同形狀基坑的土壓力分布形式；劉煬鑌等[12]通過離心試驗和理論方法深入研究了窄基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性；李連祥等[13]針對傳統(tǒng)基坑離心模型試驗中存在的不足，研制了一種新型開挖模擬裝置，提高了試驗精度和可操作性。對于受外部荷載影響的基坑，林剛等[14]針對基坑開挖時兩側(cè)不平衡堆載的實(shí)際情況，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移均呈相反的變化規(guī)律，在設(shè)計時需要分別考慮兩側(cè)的支護(hù)參數(shù)；姚愛軍等[15]則通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究不對稱荷載作用下的基坑變形，得到的結(jié)論與林剛等[14]的研究成果一致；林馳等[16]對不同汽車流量下的基坑圍護(hù)樁頂水平位移、圍護(hù)樁身應(yīng)力及鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)汽車移動荷載對基坑穩(wěn)定性有明顯不利影響。以上學(xué)者針對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了深入研究，但實(shí)際工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能會受到豎向荷載(V)和水平荷載(H)組合作用，而此工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性的相關(guān)研究還鮮有報道。因此，對V-H組合荷載作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律開展研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以南寧地鐵5號線某地鐵車站基坑為依托，首先運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件對基坑開挖支護(hù)開展數(shù)值計算，對比分析了基坑圍護(hù)樁受V-H組合荷載和僅受水平荷載兩種工況下的樁頂、樁身水平位移及支撐軸力變化，得到了豎向荷載對樁頂位移、樁身水平位移、水平承載力及內(nèi)支撐軸力的影響規(guī)律，然后將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步驗證了數(shù)值計算模型的準(zhǔn)確性和豎向荷載對基坑圍護(hù)樁的影響規(guī)律，為后續(xù)研究V-H組合荷載作用下的基坑提供參考。

1 工程概況

南寧市地鐵5號線某地鐵車站為地下兩層明挖島式站臺車站，站位緊鄰某汽車客運(yùn)中心，周邊為居民區(qū)，環(huán)境較復(fù)雜。根據(jù)超前地質(zhì)勘探報告顯示，基坑土層自上而下依次為雜填土、素填土、粉土、泥巖、粉砂巖，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical properties of soils

地鐵車站基坑長594.40 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.20 m，開挖深度16.00 m，車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“鉆孔灌注圍護(hù)樁+樁間旋噴+內(nèi)支撐”的結(jié)構(gòu)體系。圍護(hù)樁徑1.20 m，樁長22.00 m。豎向設(shè)置3道內(nèi)支撐，第一道為800 mm×900 mm米字型鋼筋混凝土撐，位于基坑深-0.50 m處，第二、三道鋼支撐直徑分別為800.0 mm、609.0 mm，壁厚均為16.0 mm，分別位于基坑深-6.40 m、-11.90 m處，水平方向兩道相鄰內(nèi)支撐水平間距為9.00 m?；悠矫媸疽鈭D如圖1所示。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the foundation pit

為保證周邊居民正常出行及汽車客運(yùn)站正常運(yùn)營，需在基坑開挖前搭設(shè)通行鋼便橋，鋼便橋橫向通行寬度25.50 m，縱向跨度21.20 m。鋼便橋由貝雷梁拼接搭設(shè)而成，上方鋪設(shè)0.25 m厚混凝土行車面板，豎向荷載約1.05×104kN通過鋼支座向下傳遞至兩側(cè)圍護(hù)樁。在基坑開挖前，貝雷梁鋼便橋的豎向荷載已作用于圍護(hù)樁頂，隨著基坑土體的開挖卸載，圍護(hù)樁受到水平荷載作用，在V-H組合荷載作用下產(chǎn)生位移和變形。受V-H組合荷載作用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面如圖2所示。

圖2 受豎向荷載段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面圖Fig.2 Sectional view of retaining structure of foundation pit under vertical load

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型與參數(shù)

圖3 1/2基坑計算模型 Fig.3 Calculation model of 1/2 foundation pit

基于有限差分軟件FLAC3D對基坑開挖支護(hù)開展數(shù)值模擬。由于基坑尺寸較大，為提高計算效率，根據(jù)對稱性計算原理，選取實(shí)際工程的1/2進(jìn)行建模，基坑開挖的影響范圍[17]約為開挖深度的4～5倍，確定計算模型尺寸為155 m×180 m×80 m，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，內(nèi)支撐采用梁結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬?；娱_挖前，在鋼便橋下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部施加均布力來模擬豎向荷載，架設(shè)完鋼支撐后，在鋼支撐兩端施加一對相反的作用力來模擬預(yù)應(yīng)力。計算模型的邊界條件為：限制周圍四面水平位移，底面為固定端，頂面為自由端。網(wǎng)格劃分以基坑中心，由近及遠(yuǎn)逐漸稀疏，共劃分104 260個單元，111 321個節(jié)點(diǎn)，1/2基坑計算模型如圖3所示。

鉆孔圍護(hù)排樁的受力形式與地下連續(xù)墻相似，依據(jù)等效剛度原理，通過(1)式轉(zhuǎn)換成模擬地連墻的厚度H，圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

(1)

式中，H為等效地連墻厚度；t為相鄰樁間凈距；D為鉆孔灌注樁直徑。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physico-mechanical properties of retaining structures

根據(jù)實(shí)際工程現(xiàn)場作業(yè)情況，基坑開挖支護(hù)過程一共分為5個工況，地下水位控制在開挖面以下0.50 m，基坑開挖支護(hù)工況見表3。

表3 基坑開挖支護(hù)工況Tab.3 Conditions of foundation pit excavation support

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.2.1 樁身水平位移分析

以基坑長邊標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁Z42和Z46為分析對象，其中Z42樁上部無鋼便橋，僅受開挖卸荷引起的水平荷載，Z46為圖2中受豎向(V)與水平(H)組合荷載作用的圍護(hù)樁。不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖4所示，從計算模型里提取Z42和Z46樁身水平位移，樁身水平位移變化如圖5所示。

(a) 工況2

(b) 工況3

(c) 工況4

(d) 工況5

圖5 樁身水平位移變化Fig.5 Horizontal displacement of pile

由圖5知：Z42和Z46樁身水平位移均隨開挖深度增大而逐步增加，且在各個工況下，Z42的樁身水平位移均小于Z46，這是因為預(yù)先作用的豎向荷載與樁身水平位移會產(chǎn)生附加彎矩，從而使得樁身水平位移增大，降低了圍護(hù)樁的水平承載力。在工況2條件下，第一道混凝土支撐暫未架設(shè)，樁身僅受到土壓力作用，樁身變形形式類似于懸臂樁，工況3～工況5條件下，由于內(nèi)支撐的架設(shè)限制了樁身水平位移，樁身變形呈“兩端小中間大”的形狀，兩者變形形式一致，說明豎向荷載對樁身變形形式的影響較小。在工況5時，基坑開挖至坑底，樁側(cè)水平荷載增至最大，此時Z42與Z46樁身水平位移差值最為明顯，豎向荷載對樁身水平位移的影響發(fā)揮至最大。

同時由圖5知，工況3和工況4時，樁身水平位移變化速度較快，Z42樁在這兩種工況下最大水平位移分別為13.1 mm和18.6 mm，相對于上一工況分別增長了274%和42%，而Z46樁在這兩種工況下最大水平位移分別為13.9 mm和21.6 mm，分別增長了256%和55%，這是因為這兩個工況開挖深度較深，引起水平荷載快速增加所致，應(yīng)加強(qiáng)這兩個工況下的基坑監(jiān)測頻率。Z42最大水平位移位于-8.00 m深度處，而Z46最大水平位移位于-10.00 m深度處，說明預(yù)先作用的豎向荷載能使圍護(hù)樁身最大水平位移位置下移，下移深度為開挖深度的12.5%。

2.2.2 樁頂水平位移分析

各個工況下Z42和Z46樁頂水平位移變化如圖6所示。

由圖6知，Z42和Z46樁頂水平位移的變化規(guī)律趨于一致。在工況1時，基坑未開挖，只在搭設(shè)鋼便橋區(qū)段的圍護(hù)樁上作用了豎向荷載，Z42和Z46兩者樁頂水平位移接近于零。在工況2條件下，由于開挖深度較淺，樁身所受水平土壓力較小，Z42與Z46樁頂水平位移分別為3.5 mm和3.9 mm，差值僅為0.4 mm。隨著開挖支護(hù)工況的進(jìn)行，Z42與Z46樁頂水平位移逐漸增大，且二者的差值也進(jìn)一步增大，豎向荷載對樁頂水平位移的影響越來越明顯。當(dāng)開挖至工況5時，兩者的水平位移增長值均較小，這主要是由于此時三道內(nèi)支撐已架設(shè)完畢，承擔(dān)了較多的基坑外側(cè)主動土壓力，限制了樁頂位移。在整個開挖支護(hù)過程中，Z42樁頂水平位移略小于Z46，預(yù)先作用的豎向荷載會使樁頂水平位移增大。

2.2.3 樁頂豎向位移分析

從計算模型中提取各個工況下Z42和Z46樁頂豎向位移數(shù)據(jù)，得到的樁頂豎向位移變化如圖7所示。

圖6 樁頂水平位移變化Fig.6 Horizontal displacement of pile top

圖7 樁頂豎向位移變化Fig.7 Vertical displacement of pile top

由圖7知，Z42和Z46樁頂豎向位移呈先增大后略減小趨勢，且Z42樁在各個工況下的樁頂豎向位移均小于Z46樁，由此可見，除了圍護(hù)樁自重使樁頂產(chǎn)生豎向位移外，預(yù)先作用的豎向荷載對樁頂豎向位移產(chǎn)生了一定的影響。在工況3時，Z42和Z46有最大樁頂豎向位移，分別為-8.7 mm和-11.8 mm，相對于工況2分別增加了5.9 mm和4.8 mm。在工況4時，開挖卸載引起樁頂略微上浮。工況5時進(jìn)行了基坑底板封底澆筑，有效的減小了開挖卸載引起樁體上移。

圖8 支撐軸力變化Fig.8 Variation of axial force of support

2.2.4 支撐軸力分析

從計算模型中提取與Z42和Z46樁相對應(yīng)位置的ZCL42和ZCL46三道內(nèi)支撐軸力數(shù)據(jù)，支撐軸力變化如圖8所示。

由圖8知，ZCL42和ZCL46各道內(nèi)支撐軸力變化規(guī)律一致相同，均隨著開挖深度增大而增大，其中第一道內(nèi)支撐軸力在工況2～工況4增長速率較快，近似線性變化，但在工況5時，增長速率明顯放緩，這是因為此時三道內(nèi)支撐均已駕設(shè)完畢，開挖卸載對第一道內(nèi)支撐軸力的影響較小。第二道內(nèi)支撐軸力在工況5時增至最大，且超過了此工況下第一道內(nèi)支撐軸力。第三道內(nèi)支撐軸力最小，這是因為駕設(shè)第三道內(nèi)支撐時，第一道和第二道內(nèi)支撐承擔(dān)了大部分的坑外土壓力?？傮w上看，ZCL42各道內(nèi)支撐軸力均略小于ZCL46，這與Z42和Z46樁身水平位移表現(xiàn)的規(guī)律一致，預(yù)先作用的豎向荷載使得內(nèi)支撐軸力增大。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算對比分析

3.1 樁身水平位移對比分析

分別將Z42和Z46工況5時的樁身水平位移監(jiān)測值與數(shù)值計算值進(jìn)行對比，得到工況5樁身水平位移監(jiān)測值與計算值對比如圖9所示。

由圖9知，監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算的樁身水平位移大小及變形規(guī)律較為契合，說明數(shù)值計算模型及參數(shù)取值是合理的。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，Z42樁身水平位移要略小于Z46，其中Z42樁身最大水平位移為19.1 mm，位于-8.00 m深度處，Z46樁身最大水平位移為24.4 mm，位于-10.00 m深度處。在預(yù)先作用的豎向荷載的影響下，樁身最大水平位移增大約27%，樁身最大水平位移位置下降約2.00 m，這與數(shù)值計算中呈現(xiàn)的規(guī)律相同，進(jìn)一步說明預(yù)先施加的豎向荷載會削弱圍護(hù)樁的水平承載力和增大樁身水平位移。

3.2 樁頂水平位移對比分析

Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測值與數(shù)值計算值對比如圖10所示。

圖9 工況5樁身水平位移監(jiān)測值與計算值對比Fig.9 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile in working condition 5

圖10 樁頂水平位移監(jiān)測值與計算值對比Fig.10 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile top

由圖10知，Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算值呈現(xiàn)的變形規(guī)律相同，均隨著開挖深度增加而增大。在工況1時，由于基坑暫未開挖，Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測值與計算值均近似于零。工況2時，開挖深度1.00 m，Z42和Z46樁頂水平位移監(jiān)測值分別增大至3.0 mm和4.1 mm，而在工況5時分別增大至10.5 mm和14.6 mm，比對應(yīng)工況下的計算值分別小2.1 mm和0.9 mm?？傮w來看，樁頂水平位移監(jiān)測值要略小于數(shù)值計算結(jié)果，這是由于現(xiàn)場實(shí)際開挖作業(yè)時，會對圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置臨時加固，在一定程度上限制了樁身及樁頂?shù)乃轿灰?。此外，在各個工況下，Z42樁頂水平位移監(jiān)測值均小于Z46，這與數(shù)值計算得到的規(guī)律相同，預(yù)先施加的豎向荷載使得樁頂水平位移的增大。

3.3 支撐軸力對比分析

選取ZCL42和ZCL46第一道內(nèi)支撐軸力監(jiān)測值與計算值進(jìn)行對比分析，如圖11所示。

從圖11可以看出，第一道內(nèi)支撐軸力監(jiān)測值與計算值變化趨勢一致。在工況2時，ZCL42和ZCL46第一道內(nèi)支撐軸力監(jiān)測值分別為1 300.3 kN和1 546.3 kN，與數(shù)值計算值差值分別為1 180.1 kN和1 192.0 kN，差值較大的原因是由于基坑開挖存在時空效應(yīng)，現(xiàn)場施工荷載、氣溫等因素也會對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生一定影響?？偟膩砜?，ZCL42軸力監(jiān)測值比ZCL46小10%左右，這與數(shù)值計算結(jié)果表現(xiàn)的規(guī)律相契合。

圖11 第一道支撐軸力監(jiān)測值與計算值對比Fig.11 Comparison between measured and calculated values of first strut axial force

4 結(jié)論

① 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果較吻合，說明數(shù)值模型及參數(shù)取值合理，F(xiàn)LAC3D有限差分軟件能有效模擬V-H組合荷載作用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

② 在各個開挖工況下，受V-H組合荷載和僅受水平荷載作用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形形式一致，預(yù)先作用的豎向荷載對樁身變形形式的影響較小。工況3和工況4時，Z42和Z46樁身水平位移增速較快，應(yīng)加強(qiáng)這兩個工況下的基坑監(jiān)測頻率。

③ 僅受水平荷載作用的樁身最大水平位移位于-8.00m深度處，受V-H組合荷載作用的樁身最大水平位移位于-10.00m深度處，預(yù)先作用的豎向荷載能使圍護(hù)樁身最大水平位移位置下移，下移深度約為開挖深度的12.5%。

④ 監(jiān)測結(jié)果顯示，V-H組合荷載下的圍護(hù)樁身最大水平位移增大約27%，從而削弱圍護(hù)樁的水平承載力，同時預(yù)先作用的豎向荷載使內(nèi)支撐軸力增大約10%，設(shè)計人員應(yīng)該充分考慮預(yù)先作用的豎向荷載帶來的不利影響，以保證基坑安全。