姚 實(shí)

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引言

斜撐支護(hù)體系作為一種常用的支護(hù)形式,具有靈活、可靠和環(huán)保的特點(diǎn),在工程建設(shè)中有著很高的應(yīng)用價值。國內(nèi)外眾多學(xué)者都進(jìn)行了廣泛研究,Yoo Chungsik等[1]通過有限元模擬,提出了基坑的最終變形可通過懸臂開挖階段變形和支撐開挖階段進(jìn)行疊加,并在預(yù)測地表沉降過程中提出兩階段法;O’Rourke等[2]討論了支撐剛度、預(yù)應(yīng)力大小、樁墻入土深度等對基坑變形的影響;Addenbrooke等[3]研究了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移柔度曲線,提出了當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)柔度指數(shù)一致時,支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大沉降量與最大水平位移值也將保持一致。國內(nèi)學(xué)者易奇雄[4]結(jié)合實(shí)際工程案例,推導(dǎo)出斜撐水平及豎向承載力驗(yàn)算公式;宮喜慶等[5]在天津市國際會展中心二期大面積基坑開挖施工中,使用盆式開挖加斜撐支護(hù)的施工工法,肯定了斜撐支護(hù)體系在減少成本和工期中的作用;孫明剛等[6]針對雙排樁加斜撐結(jié)合支護(hù)下深基礎(chǔ)連續(xù)開挖施工過程,基于 Madias三維有限元分析軟件,對其開挖過程中的水平位移及基坑中心隆起進(jìn)行模擬計(jì)算,并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果表明,MADIAS計(jì)算模型能夠較好地模擬基坑開挖過程及其變形。

本研究在國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,對斜撐體系進(jìn)行改進(jìn),提出超前斜撐排樁支護(hù)體系,如圖1所示[7],目前該支護(hù)體系已在紹興市越城區(qū)塔山竹木市場B,C塊安置房建設(shè)工程、天姥物業(yè)建設(shè)工程、新昌縣建設(shè)技術(shù)服務(wù)中心項(xiàng)目得以應(yīng)用。該新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁作為支護(hù)擋墻,引入獨(dú)立基礎(chǔ)作為超前斜撐體,通過鋼管斜撐將其連接在一起,形成自穩(wěn)定斜撐體系。

超前斜撐體系在開挖前已經(jīng)施作完成,采取超前支設(shè)的方式,是通過設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)的方式來提供支撐反力,達(dá)到支撐支護(hù)擋墻的目的。但斜撐剛度有限,該支護(hù)形式一般適用于深度不大的大面積開挖。與斜撐加排樁支護(hù)體系比較,超前斜撐是通過引入的獨(dú)立基礎(chǔ)來提供支撐反力,而不是地下室底板來提供,所以能實(shí)現(xiàn)超前開挖。

本研究通過數(shù)值模擬分析討論了超前斜撐支護(hù)體系單因素改變斜撐間距、斜撐傾角、三角土預(yù)留坡度、排樁嵌固深度下基坑的變形及對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,為今后自穩(wěn)定超前斜撐體系的推廣應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值模擬模型參數(shù)及模擬過程

1.1 土層模型

以紹興市塔山竹木市場B,C塊安置房工程勘查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),該場地屬平原地貌,總體地形地勢較為平坦,地基土具有成層分布的特點(diǎn),主要成分包括粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、淤泥質(zhì)黏土、礫砂、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中等風(fēng)化構(gòu)造角礫巖等,項(xiàng)目場地土層分布從上到下依次為:①1雜填土,層厚0.5 m～2.3 m;②2-1粉質(zhì)黏土,層厚0 m～2.3 m;③2-2粉質(zhì)黏土,層厚0.00 m～3.00 m;④3淤泥質(zhì)黏土,層厚0.8 m～5.9 m;⑤4-1粉質(zhì)黏土,層厚0.00 m～5.40 m;⑥4-2a粉質(zhì)黏土,層厚0.00 m～11.50 m;⑦5黏土,層厚0.00 m～14.20 m;⑧6粉質(zhì)黏土,層厚1.50 m～9.10 m。

本次模擬取基坑西側(cè)距用地紅線較近區(qū)域進(jìn)行模擬,為了方便模型建立和計(jì)算,假設(shè)該區(qū)域土體各項(xiàng)同性,土層水平厚度相同,模擬所選用的土層分布及土體參數(shù)詳見表1。

表1 土層分布表 m

1.2 幾何模型

基坑開挖深度為5.8 m,排樁采用φ700@900 mm,C30混凝土鉆孔灌注樁,長度12 m;超前斜撐體采用楔形獨(dú)立基礎(chǔ),斜撐間距9 m;三角預(yù)留土坡度取35°,斜撐角度取17.5°。坑外地下水在-2.5 m,坑內(nèi)地下水降至坑底-0.5 m。有限元計(jì)算模型如圖2所示,楔形獨(dú)立基礎(chǔ)采用線彈性材料,灌注樁和支撐體模擬為彈性桿件,材料參數(shù)見表2,為了使模擬更加貼合實(shí)際,土體采用HSS破壞準(zhǔn)則[8-9],在現(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),對地基土層計(jì)算參數(shù)取值見表3。

表2 彈性桿件材料參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬過程

有限元模擬過程如下:

1)K0生成初始應(yīng)力場。2)開挖至-2.5 m,冠梁及灌注樁施工。3)模擬降水+盆式開挖至-5.8 m。4)激活斜撐并施加預(yù)應(yīng)力。5)開挖預(yù)留土。

2 不同因素改變對超前斜撐排樁支護(hù)的影響分析

依托上述基本模型的基礎(chǔ)上,采用單因素分析法,分析僅改變斜撐間距、斜撐角度、預(yù)留土坡度及排樁嵌固深度時,基坑水平位移、地表沉降及斜撐軸力變化,總結(jié)規(guī)律,為今后工程提供有意義的指導(dǎo)。

2.1 斜撐間距改變對基坑開挖變形的影響

在超前斜撐排樁支護(hù)設(shè)計(jì)中,斜撐的間距是設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵,斜撐間距不同,斜撐的軸力以及基坑的變形也會有所不同。單因素僅改變斜撐間距,探討其對基坑變形及斜撐受力的影響,將斜撐間距分別取7 m,8 m,9 m,10 m,11 m進(jìn)行模擬分析,模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表4,地表沉降曲線圖見圖3。

表4 不同斜撐間距時軸力和基坑變形統(tǒng)計(jì)表

從上述統(tǒng)計(jì)表可以看出:

1)隨著斜撐的間距增大,斜撐所受的軸力逐漸增大,且增大的幅度非常明顯,這是由于排樁承擔(dān)的主動土壓力不變,而斜撐間距改變導(dǎo)致單位面積內(nèi)斜撐分擔(dān)的水平力相應(yīng)增加所致。所以,在施工中不可盲目地為了節(jié)約材料而增大斜撐間距,容易造成材料的破壞,若要提高斜撐間距時,應(yīng)適當(dāng)考慮增大斜撐截面面積和提高材料剛度。

2)斜撐間距越小,能更好地控制樁頂?shù)淖冃魏涂刂频乇淼淖畲蟪两?。所?若基坑周邊存在重要建筑,要嚴(yán)格控制地表沉降,可以采取減小斜撐間距的方式,能起到很好地控制地表變形的作用。

3)排樁的最大水平位移隨著斜撐間距的增大而增大。當(dāng)斜撐間距在9 m以下時,縮小斜撐間距能快速降低排樁的最大水平位移;當(dāng)斜撐間距在9 m以上時,增大斜撐間距只會大幅提高斜撐所受軸力,并不能很好地控制排樁的最大水平位移。

2.2 斜撐角度對基坑開挖變形的影響

基坑工程手冊中規(guī)定,斜撐的坡度不宜大于1/2,即斜撐的角度不宜大于26.6°[10]。本次模擬采用單因素分析法,對斜撐角度為12.5°,15°,17.5°,20°,22.5°時進(jìn)行數(shù)值模擬,取預(yù)留土開挖完成,支護(hù)結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)已經(jīng)平衡時的模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析。

由圖4可知,總體上斜撐軸力隨著斜撐角度增大而增大,且隨著斜撐角度的不斷增大,斜撐軸力增長趨勢呈現(xiàn)由緩向陡發(fā)展。從理論力學(xué)角度分析,取懸臂排樁為研究對象,排樁懸臂端承受主動土壓的水平分力,在平衡狀態(tài)時,由斜撐的提供水平分力與兩側(cè)土壓之差進(jìn)行抵消。所以,隨著斜撐角度的增大,要保證斜撐提供水平分力不變的情況下,則所需斜撐軸力應(yīng)當(dāng)增大,符合圖4總體上斜撐軸力變化曲線上升的趨勢。

圖5給出了不同斜撐角度下,排樁不同位置的水平位移值。從圖5中可以得出:

1)排樁的最大水平位移發(fā)生在樁頂,隨著樁深的加深,排樁的水平位移逐漸減小,樁底的水平位移基本上沒變化。2)隨著斜撐角度增大,基坑整體水平位移隨著增大,說明基坑支護(hù)作用在逐漸減弱。

圖6給出了斜撐不同角度時的地表沉降值,可以得出:

1)針對斜撐角度不同的5種工況,地表沉降量的變化趨勢是一致的,都呈現(xiàn)“V”字形走勢,最大沉降量都出現(xiàn)在距離基坑邊2.5 m左右,并不隨著斜撐角度的改變而改變。

2)基坑最大沉降值隨著斜撐角度的增大也逐漸增大,角度在12.5°～20°時沉降變化緩慢,斜撐角度在20°以上后,沉降變化就較為迅速了。

2.3 預(yù)留土坡度對基坑開挖變形的影響

采用單因素法分析預(yù)留土坡度對基坑開挖變形及斜撐受力的影響,其余變量與基礎(chǔ)模型一致,斜撐角度取17.5°。預(yù)留土坡度分別為25°,30°,35°,40°進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以得出如下結(jié)論:1)排樁最大水平位移與預(yù)留土坡度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,坡度越大,樁頂水平位移越大。2)預(yù)留土坡度越小,樁頂?shù)乃轿灰圃龇^小,隨著角度的進(jìn)一步增大,水平位移增幅明顯。3)預(yù)留土坡度對排樁的影響主要體現(xiàn)在樁頂,對樁底水平位移影響不大。

由圖8可知:1)不同預(yù)留土坡度工況下,地表的沉降曲線都是呈現(xiàn)“V”形,沉降的極值點(diǎn)都出現(xiàn)在距離基坑邊2.5 m左右。2)地表沉降的最大值與預(yù)留坡度有關(guān),預(yù)留坡度越大,地表沉降越大。預(yù)留土坡度越小,地表沉降值越小,但當(dāng)預(yù)留土坡度在30°以下時,地表沉降曲線較為接近,近似重合。

由圖9可知,預(yù)留土坡度在25°～30°時,隨著預(yù)留土坡道增大,斜撐軸力變化下降幅度較小;當(dāng)預(yù)留土坡度在30°以上時,隨著預(yù)留土坡度角度的增大,斜撐軸力變化下降幅度迅速。

2.4 排樁嵌固深度對基坑開挖變形的影響

改變支撐嵌固深度,研究嵌固深度為10 m,12 m,14 m時基坑變形的影響。經(jīng)過Plaxis3D對模型的運(yùn)行分析,得到不同嵌固深度下排樁的水平位移曲線。

由圖10可清晰的看出:1)3種不同嵌固深度對應(yīng)的排樁深度方向的位移曲線走勢都是相同的,總體上呈現(xiàn)出遞減的趨勢。2)嵌固深度從10 m增加到12 m時,樁頂最大位移減少了6.84 mm,而嵌固深度從12 m增加到14 m時,樁頂最大位移僅減少了0.76 mm,可見排樁嵌固深度在12 m以上時,對排樁樁頂?shù)淖畲笪灰屏坎⒂忻黠@的抑制作用。3)排樁的嵌固深度為10 m,12 m,14 m時,樁底的水平位移分別為7.96 mm,4.29 mm,2.39 mm,說明排樁嵌固深度對樁底位移控制作用明顯。

由圖11看出:1)排樁不同嵌固深度對應(yīng)的地表沉降走勢基本上呈“V”字形走勢,最大沉降量都發(fā)生在距離基坑邊2.5 m左右。2)在0 m～2.5 m之間,3條曲線的趨勢都是隨著距基坑邊界距離的增大,地表沉降以正比的趨勢不斷增加,但在2.5 m以后,隨著距離基坑邊界距離的增大不斷減小。3)當(dāng)嵌固深度在10 m～12 m之間時,對地表最大沉降能起到很好的約束作用,但嵌固深度在12 m以后,隨著嵌固深度的增大,對地表最大沉降所發(fā)揮的作用就并不大了。

3 結(jié)語

通過Plaxis3D建立自穩(wěn)定超前斜撐排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型,分別分析了斜撐間距、斜撐角度、預(yù)留土坡度、排樁嵌固深度的改變對基坑變形及斜撐軸力的影響情況,最后得出了以下結(jié)論:

1)適當(dāng)減小斜撐間的距離可以有效的抑制基坑的變形和減少斜撐的軸力。當(dāng)斜撐間距在9 m以下時,縮小斜撐間距能快速降低排樁的最大水平位移;當(dāng)斜撐間距在9 m以上時,增大斜撐間距只會大幅提高斜撐所受軸力,并不能很好地控制排樁的最大水平位移。所以,在基坑維護(hù)設(shè)計(jì)中,若要提高斜撐間距時,還應(yīng)適當(dāng)考慮增大斜撐截面面積防止材料強(qiáng)度破壞。2)斜撐角度在17.5°以上時,斜撐受到的軸力呈現(xiàn)突變式增加,從安全和成本角度考慮,選擇斜撐角度為17.5°左右是最佳的,不可盲目節(jié)省成本,過分增加斜撐角度。3)預(yù)留土坡度越小,地表沉降值越小,但當(dāng)預(yù)留土坡度在30°以下時,地表沉降曲線已經(jīng)近似重合,所以預(yù)留土坡度可以考慮設(shè)置在30°左右。4)嵌固深度在12 m時對控制基坑變形較佳。模擬數(shù)據(jù)中,嵌固深度從10 m增加到12 m時,不僅大幅度降低了排樁的水平位移,還大幅度降低了地表沉降,但當(dāng)嵌固深度在12 m以上時,嵌固深度對抑制基坑變形和地表沉降的作用便不大了。所以基坑設(shè)計(jì)中,盲目地增大嵌固深度,并不能材盡其用。