復雜環境下多種組合支護深基坑的變形控制及響應研究

李海濤,任光明,沈國卓,范榮全,曾文慧,董 斌

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059;2.國網四川省電力公司 經濟技術研究院,成都 610041)

隨著大規模城市地下建筑的開發,深基坑工程發展迅速[1-2],對于深大基坑支護,通常采用擋墻加支撐的組合支護結構,支撐系統可分為基坑外拉錨和基坑內支撐2種[3-4],并逐漸由傳統的強度控制轉變為變形控制。但基坑周圍環境復雜多樣,如何在復雜環境中使基坑開挖的變形問題得到控制將成為深基坑工程的難點之一。

為此,國內外學者進行了大量研究,并取得了一定成果。對于基坑環境變形問題,常用的位移有限元法、有限差分法、地層損失法和數值模擬方法均可對其進行定性與定量分析[5]。Wang J.H.等[6]、Tan Y.等[7]對上海地區多個地鐵深基坑監測結果進行了分析,其結果表明,長寬比較大的長條形深基坑,空間效應不顯著,并得出了墻體位移與地表沉降的一般規律;對于支護結構變形問題,曹雪山等[8]通過鋼支撐軸力的有限元及監測數據研究,探明了支撐軸力與墻體位移的相關性規律,并指出預加軸力支撐不應少于2根;周勇等[9]通過建立改進的樁錨支護變形協調條件的靜力平衡方程,總結了樁錨支護變形協調的普遍規律,證明了樁錨支護與土體共同作用理論的可行性;莫品強等[10]通過建立排樁撓曲線微分方程,研究了支護樁、冠梁和支撐的變形協調及空間尺寸效應;對于基坑變形控制問題,R.B.Peck等[11]通過對基坑土體變形的實時監測來反應基坑的動態變化。鄭剛[12]通過研究基坑開挖各階段的變形特征和對周圍環境影響,提出針對基坑可能產生的變形進行全過程控制;劉維正等[13]利用三維軟件對樁錨支護下的深基坑空間效應進行了分析,模擬了土體的彈性模量和粘聚力對基坑變形控制的影響。

鑒于深基坑開挖支護中的變形特點,同時為了客觀分析復雜基坑環境中不同組合支護下深基坑的變形響應特征,定量評價其支護作用效果,在研究成都市區某變電站基坑工程特征和支護方案等基礎上,結合監測資料,采用FLAC3D對2種組合支護下的深基坑開挖進行數值反演,討論其開挖支護過程中的支護變形及綜合作用效果,以期研究多種組合支護下的基坑變形控制特征,為類似工程提供參考。

1 工程概況

本工程為成都市區內深基坑變電站工程,基坑平面大小為62 m×42 m,開挖深度約為18 m,基礎底板布置在地下約17.7 m處的地下室內,基坑開挖深度大,基坑安全等級為一級。

1.1 地質條件

圖1 工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological profile

1.2 基坑支護方案

由于施工場地位于市區內,周邊環境復雜,具有密集的現有結構以及不利的土壤條件,基坑處于不穩定狀態;場地東、南兩側為市政道路,北側距地下室邊線7 m為地下人防工程,西側為建站后的綠化用地,其周圍建筑及市政道路均在基坑1倍開挖深度范圍內,故開挖對周邊環境影響較大。為了應對此復雜條件下的城市基坑工程,應采取有效的支護措施,以保證市政道路、相鄰建筑物及施工的安全。

在滿足基坑工程穩定性的前提下,同時應兼顧工程經濟效益,因此樁錨支護是采用鉆孔灌注樁結合預應力錨索的組合支護方案,并由冠梁與腰梁聯結,主要通過樁身阻力和錨固段錨固力共同抵御土體的位移,具有施工技術簡單、工程造價低、安全性高的特點,比較適合本工程。但因其錨索長度對基坑四周地下管線及環境有影響,而本工程北側近地下人防工程,不適宜打錨索,故采取支承剛度大、易于控制變形的排樁內支撐組合支護,其不僅可以改善內力的傳遞,還可對基坑上層結構松散土體進行加固。其中排樁采用直徑為1.5 m,樁間距為2.5 m的鉆孔灌注樁;內支撐結構共由40根直徑為609 mm、壁厚10 mm的鋼管斜撐組成,彈性模量為30 GPa,泊松比為0.3;預應力錨索由4束直徑為15.2 mm鋼絞線和直徑為25 mm注漿錨桿組成,彈性模量為300 GPa?；幽蟼扔捎诰嗍姓缆份^近,故采取增加錨索施加角度及錨固段長度的方法,減少對道路的影響,施工時采用二次壓力注漿進行錨固。并于基坑南側頂部加設內支撐,組合支護結構的剖面及樁間支護示意如圖2所示,不同支護結構的參數如表2、表3所示。

表1 土層基本物理力學參數Table 1 Basic physical and mechanical parameter of soil layers

圖2 支護結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of supporting structure

表2 錨索參數Table 2 Parameter of prestressed anchorage

表3 內支撐參數Table 3 Parameter of inner support

2 深基坑變形監測方案與分析

由于該施工場地位于市區,周邊環境較為復雜,為確?；邮┕ぐ踩爸車?構)筑物的穩定性,在基坑開挖過程中和后續變電站運行期間對樁頂水平位移和豎向位移、周圍地表沉降實施監測,布置了12個支護樁頂水平豎向位移監測點,8個深層位移監測點,29個周邊建筑物及道路沉降監測點(圖3)。

2.1 支護樁頂水平豎向位移

分別選取位于基坑各側的代表性監測點JC1、JC4、JC7、JC10來研究基坑各組合支護結構樁頂的水平及豎向位移,其監測結果如圖4所示。

圖3 基坑監測點平面布置及周邊環境Fig.3 Layout of foundation pit monitoring points and surrounding environment

圖4 支護樁頂水平豎向位移監測Fig.4 Monitoring of horizontal and vertical displacement of the supporting pile top①開挖6 m深,2排內支撐,2排錨索;②開挖10 m深,4排內支撐,3排錨索;③開挖14 m深,5排內支撐,4排錨索;④開挖18 m深,6排內支撐,5排錨索

隨著基坑開挖步驟的推進,各監測點的樁頂水平和豎向位移均表現為明顯的“階梯型”變化,變形過程主要分為2個階段:①基坑開挖階段,由開挖卸荷引起的土體應力調整使支護結構側移并向上隆起;②基坑支護階段,施加內支撐、預應力錨索及腰梁作用于支護樁上使其變形穩定。位于基坑北側的支護樁頂最大水平位移為7.5 mm,基坑南側為13.2 mm(與其頂部施加內支撐數量較少有關),基坑南北兩側最大隆起位移分別為10.4 mm和8.7 mm。受空間效應的影響,位于東西兩側(基坑長邊)支護樁頂的水平和隆起位移較大,最大值分別為24.5 mm和12.8 mm。

2.2 地表沉降

選取地表監測點FD4、FD13、FD21、FD27對基坑周邊地表沉降特征進行分析,圖5為各測點基坑地表沉降隨時間發展曲線。從曲線中可知,前兩次開挖支護后,基坑各側地表土體均產生1～2 mm向上隆起變形,隨著深度10～14 m的卵石層及深層土體的開挖,土體應力釋放,沉降受影響區域向后延伸,圍護結構于此處產生較大側移,土體的滑移蠕變和剪切破壞加劇,致使樁后土體滑裂面的形成,從而產生較大的地表沉降,后由于對應開挖的支護結構施加,地表沉降變形趨于穩定?；颖眰韧馏w沉降最為明顯(約為4.8 mm),基坑南側土體次之(約為3.2 mm),由于施加錨索角度的改變,基坑東西側土體沉降最小(約為2.2 mm)。

圖5 地表沉降監測Fig.5 Surface subsidence monitoring①開挖6 m深,2排內支撐,2排錨索;②開挖10 m深,4排內支撐,3排錨索;③開挖14 m深,5排內支撐,4排錨索;④開挖18 m深,6排內支撐,5排錨索

圖6為開挖結束后,基坑圍護結構最大側移δhm和其對應監測點地表沉降最大值δvm的分布形態,由圖中可以直觀的看出,基坑短邊的δhm小于基坑長邊,南北側均小于開挖深度He的0.13%,空間效應明顯,對應基坑短邊的δvm大于基坑長邊,東西側均小于開挖深度He的0.02%,呈現出相反的變形分布形態,空間效應不明顯,由此可知,減少施加錨索角度的方法可以有效減小樁后土體的沉降變形。

圖6 圍護結構最大側移與對應地表最大沉降分布Fig.6 Distribution of the maximum sideway of the building envelope and corresponding maximum surface subsidence

3 深基坑支護變形數值分析

3.1 數值模型的建立

為了更加全面地分析此基坑的支護變形情況和達到基坑變形的可視化,基于基坑監測數據,采用數值計算軟件FLAC3D來反演整個開挖支護過程,定量分析評價支護措施的作用效果,考慮錨索長度及開挖對周圍環境的影響,x方向延伸2倍開挖長度,y方向延伸3倍開挖長度[14],因土體的卸荷回彈作用,z方向延伸2.6倍開挖深度,模型大小為124 m×104 m×48 m,概化土層模型如圖7-A所示。于模型側面施加法相約束,底部施加固定約束,模型的上表面為自由表面,施工前,采取井點降水已將地下水降至開挖深度以下,因此模擬過程中,不考慮地下水影響。

圖7 基坑數值模型Fig.7 Numerical model of foundation pit

土體本構模型采用能較好反應深基坑變形及非線性應力應變關系的土體硬化模型(PH)[15],以軟件內置的線彈性結構單元模擬支護結構(圖7-B),排樁采用pile結構單元模擬,內支撐、冠梁和腰梁均采用beam結構單元模擬,預應力錨索采用cable結構單元模擬(圖8)。

圖8 預應力錨索cable單元力學模型示意圖Fig.8 Schematic diagram showing the mechanical model of prestressed anchor cable unit

3.2 模擬計算值與實測值對比分析

為驗證數值模型模擬此基坑工程的可靠性,本文將選取JC7監測點的數值模擬計算值與監測值進行對比分析(圖9),并將各工況下的最大位移進行比較分析,分析數值模擬與實測值之間的誤差(表4)。

由圖9和表4結果可知,基坑開挖過程中,樁頂變形模擬曲線與實測曲線變化趨勢基本一致,樁頂水平位移監測值與模擬值的相對誤差為6.7%～12.6%,豎向位移的相對誤差為4.5%～10.5%。通過對比現場監測數據和數值模擬結果可知,數值模擬結果與監測數據之間存在些許偏差,但總體上規律一致,驗證了此基坑數值模型是可靠、合理的,可以較為準確的反應此基坑多種組合支護的變形和支護過程。

4 組合支護效果對比分析

4.1 支護側移及沉降對比

圖10展示了2種組合支護下的坑壁側移情況。由圖10可知,由于開挖卸荷導致的側向土壓力較大,使基坑側壁圍護結構產生面向開挖臨空面的水平位移,特別是基坑中下部,樁撐支護結構側移變形為“鼓腹型”,樁錨支護變形與其相似,整體較樁撐支護大,最大側移值分別為19.8 mm和30.6 mm,對應深度均為10 m左右。對比2種支護,樁撐式支護的水平抗力作用效果更強,分析原因為內支撐結構將約束力作用于排樁及混凝土面板上,增大了支護作用面積,使支護整體側向約束力增大,且內支撐相比于錨索結構,變形更小、剛度更大,其作用方向主要為水平方向,更大程度限制了土體的水平位移。

圖9 JC7監測值與模擬值對比Fig.9 Comparison of JC7 monitored values with simulated values

表4 數值模擬與監測值結果誤差分析Table 4 Error analysis of numerical simulation and monitoring results

圖10 兩種組合支護下的側移變形對比Fig.10 Comparison of lateral displacement and deformation under two types of combined support

由2種支護的沉降位移對比(圖11)可知,基坑開挖支護過程中,兩者均表現為距坑邊一定距離內土體發生沉降。南側土體沉降較小,最大沉降為是2.8 mm,北側土體沉降較大,最大沉降值為5.2 mm。樁撐支護沉降大于樁錨支護。造成這種區別的原因為,預應力錨索自由段施加的軸向拉力,使附近土體受到法相擠壓加固,起到了一定的抗剪作用,同時錨固段深入到基坑下部,與作用范圍內土體聯結成一個整體,并將預應力及腰梁、支護樁所受的土壓力以一定傾斜角度傳遞到深層土體中,此部分土體提供一定的抗拉承載力進而產生向上隆起位移,且作用范圍較大,抗沉降效果明顯。由圖11-B中可知,基坑最大沉降由中部向角部快速收斂,呈現三維坑角效應[16],支護結構因其對基坑整體穩定性及其周邊土體變形的控制,存在著明顯的空間效應,基坑北側沉降影響范圍顯著大于基坑南部,其比值約為1.4,這種影響從基坑長邊也可以看出(長邊右側沉降范圍要大于左側),這說明樁錨支護橫向約束效果較樁撐支護更強。

圖11 兩種組合支護下的沉降變形對比Fig.11 Comparison of settlement deformation under two combined supports

4.2 支護彎矩及剪力對比

圖12為基坑開挖后2種支護下樁身的彎矩及剪力對比,由于基坑的開挖致使上部出現臨空面,其樁身彎矩均為先增大后減小,并于反彎點后繼續呈先增大后減小趨勢,但由于下部樁體深入基巖,受嵌巖深度影響,彎矩變化較小,樁錨支護最大彎矩為1 442 kN·m,樁撐支護最大彎矩為720 kN·m。同樣地,由于2種支護上部施加了內支撐和錨索支護,樁身整體處于拉伸和壓縮的混合狀態,其剪力變化較大,而樁身底部作用于基巖中,很難發生變形,樁錨支護最大剪力為368 kN,樁撐支護最大剪力為223 kN。對比2種支護形式,相比于內支撐結構,預應力錨索結構對樁身彎矩和剪力的影響較大,在實際工程應用中應引起重視。

圖12 兩種支護下樁身的彎矩及剪力對比Fig.12 Comparison of bending moment and shear force of pile under two kinds of support

4.3 支護結構效果綜合評價

綜合上述分析,2種支護方案均可有效提高此基坑工程的穩定性,限制基坑變形,但在滿足穩定性和安全性的前提下,成本效益就是一個關鍵因素。對比2種方案,樁錨支護強度較高,支護結構構造簡單,工程造價較低,所需施工設備簡單;而樁撐支護強度同樣較高,且施工質量易控制,故采用模糊綜合分析法對2種方案的結構強度及經濟效益進行綜合評價。

a.首先建立確定因素集,假設有n個評價因素

E={e1,e2,…,en}

(1)

b.建立評估集,對n個評價因素進行決策

D={d1,d2,…,dn}

(2)

c.參考文獻并咨詢多名專家對綜合評價因素進行打分,確定各評價因素之間的隸屬度,并將其進行兩兩比較,確定評價因素的優先關系系數,建立模糊優先關系矩陣:

(3)

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…,n;為評價因素ei對ej的優先關系系數。

d.建立模糊一致矩陣,在確定一個因素與另一個因素之間的隸屬關系時,應具有一致性,故對評價矩陣進行按行求和:

(4)

并對其進行如下轉換[17],得到模糊一致矩陣

(5)

并對模糊一致矩陣各列進行歸一化處理,從而得到各因素集的權重

A=[a1,a2,…,an]

(6)

e.建立綜合評價函數

將各因素權重A矩陣與評價指標評價合成,由于各因素之間的差異,為了使得到的評價結果更為準確,采取加權平均方法,綜合各因素單獨作用與整體作用效果,即

(7)

應用此方法對2種組合支護的系統強度、支護系統形變、施工難易程度、造價、工期以及對周圍建筑物影響6個因素進行綜合考量,為簡化計算,其他相同控制因素暫不考慮,經上式求得各因素權重如下表5所示。各評價指標等級表如表6所示。

表5 基坑支護權重分配表Table 5 Weight distribution of foundation pit support

表6 評價指標等級表Table 6 Evaluation index grade

經計算,樁錨支護綜合評價值B1為0.725 4,樁撐支護綜合評價值B2為0.697 4。2種支護均能滿足此基坑的設計需求,樁錨支護的綜合評價值略大,但針對基坑北側不能使用樁錨支護的特點,對其應用樁撐支護顯然是更好的選擇,可較好彌補工程的技術可行性和經濟合理性,故對此復雜環境下的基坑支護,采取2種組合支護方法較為合理。

5 基坑變形規律分析

為了更好地展示此基坑的變形規律,圖13給出了其變形實測值、變形模擬值與開挖深度的關系。由圖13-A可知,本基坑實際開挖引起的圍護結構側移最大值δhm大致介于開挖深度的0.02%～0.13%之間,其中除個別實測數據大于丁勇春等[18]統計的基坑開挖實測值,其他數據均小于規范中[19]基坑安全等級為一級時的預警值及徐中華[20]統計的上?；娱_挖實測值。由于基坑在前2次開挖的卸荷作用下,地表發生隆起變形,故只統計后2次開挖引起的地表沉降數據(圖13-B),實際開挖引起的地表沉降最大值δvm在(0.03%He-1.6)～(0.03%He-4.1)之間,遠小于基坑安全等級為一級時的預警值,并與李航等[21]統計的實測值線性規律一致,模擬最大值δvm介于(0.06%He-5.4)～(0.06%He-7.8)之間,略大于基坑監測值,但其整體趨勢一致,均呈明顯的線性增長。

圖13 基坑變形與開挖深度的關系Fig.13 Relationship between excavation depth and deformation of foundation pit

圖14為無量綱化各階段的地表沉降最大值δvm與圍護結構側移最大值δhm的關系,其中監測數據的離散性較大,其沉降最大值δvm介于(0.05～0.5)δhm之間,線性擬合結果為δvm=0.15δhm。數值模擬的δvm介于(0.05～0.4)δhm之間,線性擬合結果為δvm=0.12δhm。與其他基坑案例[22-23]進行對比,發現不同基坑開挖下,其δvm和δhm之間的關系不盡相同,應綜合考慮基坑的地層、開挖和支護等情況[24-26],進而給出相應的判定標準。

圖14 無量綱化的地表最大沉降與圍護結構最大側移關系Fig.14 The relationship between the non-dimensional maximum surface settlement and the maximum lateral displacement of the building envelope

6 結 論

本文基于成都某變電站基坑開挖的實測數據,建立不同支護及土體共同作用的數值模型反演開挖支護過程,以研究不同組合支護下基坑開挖的變形響應及支護結構的變形協調問題,得到結論如下:

a.監測及模擬結果表明,樁錨支護抗沉降效果明顯,減小錨索的施加角度可以將作用于支護結構的土壓力更多的轉遞至錨固區,抵消空間效應帶來的地表沉降加劇,空間橫向約束效果更強,但其樁身彎矩和剪力較大,在實際工程應用中應引起重視。

b.相比于樁錨支護,樁撐式結構將約束力作用于排樁及混凝土面板上,增大了支護作用面積,變形更小,剛度更大,更大程度限制了圍護結構的水平位移。于樁錨支護頂部加設內支撐可有效減少基坑頂部的側向變形。

c.通過模糊綜合評價方法對包括經濟效應等多種因素的評價結果可知,樁錨支護整體性更優,2種支護均能滿足基坑的設計支護需求,且應用樁撐支護較好的解決了基坑北側近地下工程的環境情況,達到了復雜環境適應性與結構變形能力之間的平衡。

d.本基坑對比其他基坑案例,圍護結構側移及地表沉降均較小,圍護結構側移監測最大值δhm介于(0.02%～0.13%)He之間,地表沉降監測最大值δvm介于(0.03%He-1.6)～(0.03%He-4.1)之間,線性擬合結果為δvm=0.15δhm,數值模擬值略大于監測值,但整體分布一致,均表明此基坑的2種組合支護可以有效限制基坑變形,可為其他復雜環境下的基坑工程提供參考。