深基坑支護體系的坑角效應分析

趙芳甫

(中國葛洲壩集團第三工程有限公司 西安 710000)

在城市建設發展中,為實現有限空間和土地資源的充分利用,高層建筑和地下空間不斷涌現,使得基坑工程向“縱深”發展。深基坑工程穿越地層類型多、變化大、水文條件復雜、周邊構筑物及地下管線情況復雜,危險源較多,因此在復雜環境下確?；?尤其是深基坑開挖施工時的安全性具有重要的意義。

在基坑工程中,由開挖引起的空間效應成為國內外學者重點關注的研究課題。李大鵬等[1]指出:空間效應的本質為坑周土體中的拱效應對支護土正應力和變形等特性的影響,研究空間效應時采用基坑長深比較為合理。Ou C.Y.等[2]研究了臺北地區基坑的變形特性,提出了平面應變比的概念。李濤等[3]引入k值定量描述空間效應影響,推導出空間效應影響下狹長深基坑周邊地表沉降的三維預測計算方法。結果表明,空間效應影響范圍主要受基坑開挖深度及土體內摩擦角影響,在空間效應范圍外,k值可近似為1,在空間效應范圍內,k值隨著距基坑端部距離增大呈非線性增長。付紅梅[4]的研究表明,相比二維數值模擬,三維數值模擬能得到更合理的結果,尤其對于幾何形狀復雜或施工工藝復雜的深基坑,其空間效應現象更突出,影響因素更復雜。劉念武等[5]結合實際工程中的基坑監測數據,得出內支撐結構對于基坑側向變形的空間效應具有一定的抑制作用。莫品強等[6]基于彈性抗力法對復雜支護條件下的支護樁進行分析,考慮冠梁、支撐和支護樁的變形協調關系,得到冠梁和支護樁的內力和變形數值解。以上研究均表明基坑開挖存在明顯的空間效應,且影響因素眾多。

隨著基坑支護形式的發展,樁錨支護體系在工程中越來越常見,但目前對土釘墻+樁錨支護體系空間效應的研究,無論是從理論上還是從有限元模擬上都相對欠缺。本文依托西安某住宅小區深大基坑,基于PALXIS 3D大型有限元軟件,采用摩爾-庫侖模型,研究西安地區深大基坑工程樁錨支護體系的空間變形特征,以期為支護體系的結構優化提供技術支撐,積累地區經驗。

1 工程概況

1.1 工程背景

某城市綜合體擬建場地位于西安市高新區,其基坑支護長度約為530 m,南北方向為132 m,東西方向為133.2 m,總支護面積約為9 100 m2。本基坑支護體系采用樁錨支護體系,以圍護樁為主體,基坑上部側壁設置土釘墻支護,高度為6 m,共2排,上、下排間距為2.5 m,下部采用樁錨聯合支護,基坑每開挖一次,對圍護樁表面噴射混凝土,防止樁間土體坍塌。圍護樁及樁頂冠梁混凝土等級為C30,冠梁高度為5 m,圍護樁樁徑為0.8 m,其中基坑北面AB段和CD段圍護樁樁長22 m,BC段圍護樁樁長為20.5 m。在基坑下部設置4排端部預應力錨索,錨索上、下間距為2.5 m,并對錨索施加300 kN的預應力,連接各錨索的腰梁采用雙排槽鋼。

1.2 工程地質

根據巖土工程地質詳勘,基坑擬建場地呈西北高、東南低地勢,地貌屬于皂河I級階地,主要由黏性土及砂土組成,土層呈水平向分布。在勘察深度90.20 m深度范圍內,場地土從上到下按其地質沉積年代、成因類別及物理性質可分為7個土層:①素填土、②黃土狀粉質黏土、③中砂、④粉質黏土、⑤粉質黏土、⑥粗砂、⑦粉質黏土。各土層力學性質指標見表1。

表1 土層力學性質

2 深基坑空間有限元模型

2.1 三維有限元模型

采用PLAXIS 3D軟件進行有限元模型的構建。該開挖基坑近似正方形,開挖深度H為18.3 m,考慮該基坑開挖面積較大,選取1/2部分的開挖面積進行三維模型構建。圍護樁后4倍開挖深度范圍、坑底以下2倍挖深范圍是基坑開挖的影響區,鑒于本文擬通過研究支護結構的變形揭示深大基坑的坑角效應,故模型長度選為150 m、寬度為125 m、深度為40 m,基坑支護體系結構見圖1。

圖1 基坑支護體系結構

結構體系中,圍護樁根據抗彎剛度等效原則等代為墻,采用板單元模擬,腰梁使用梁單元,錨索注漿段采用embeded beam row材料模型,材料參數見表2。網格單元采用10節點劃分,其中土體單元數為83 184,節點數為141 746,單元平均大小為3.595 m。固定模型底部,頂部為自由邊界,側向邊界約束法向位移,基坑網格單元劃分見圖2。

表2 基坑結構參數

圖2 基坑網格單元劃分

本基坑工況模擬見表3。

表3 基坑施工工況

2.2 模型有效性驗證

圖3為基坑開挖完成后圍護樁數值仿真結果與監測數據的對比圖。1號樁位于基坑北側,距離西北坑角A點34.5 m,2號樁位于基坑北側,距離西北坑角66 m。由圖3可見,數值模擬基坑開挖過程中的水平位移與實際監測數據相吻合,說明模型能較好地反映該基坑的變形特性。另外,2號樁實測最大位移約20 mm,在深度5.5 m處,數值模擬的最大位移約17 mm,位于深度6 m處,且樁底部分的位移曲線與模擬所得的位移曲線有一定偏差,原因可能為圍護樁混凝土凝固未完成,即開始進行監測,導致測斜管測得的數據出現多個拐點。

圖3 圍護樁隨深度變化的側向位移圖

3 坑角效應影響分析

3.1 影響系數

坑角效應是指在基坑或坑后土體在三維數值模擬分析過程中基坑土體的位移與二維平面應變條件下土體位移之間的關系,其表達可采用平面應變比(PSR):通過計算基坑中心位置附近處樁身或坑后土體位移的平均值,以此作為平面應變狀態下的樁身或坑后土體位移值。PSR值小于1,表示基坑受到坑角效應的影響;PSR值等于1,表明基坑不受坑角效應的影響。結果表明,基坑長度超過100 m時,在距離坑角30 m以外的范圍,其坑角效應不明顯,PSR接近于1.00,呈現平面應變狀態。本研究中基坑長度為133 m,超過坑角效應的理論長度值,可以認為基坑中心這一范圍內基坑不受坑角效應影響。

為了深入研究基坑中特定位置的PSR值,用該點與基坑角點之間的相對距離來表達,具體的計算公式為

PSR=n/m

(1)

式中:n為距離基坑nm的冠梁在垂直基坑方向上的側向位移;而m為圍護墻中心冠梁的側向位移的平均值。

3.2 圍護墻坑角效應分析

距坑角不同位置處的樁身位移圖見圖4。根據圖4的觀察結果,初次開挖基坑時,坑角位置處幾乎沒有側向位移,不同處的最大側向位移均發生在冠梁上,樁土的錨定效應最強,位移曲線中,圍護樁呈“懸臂型”變形。繼續開挖至冠梁頂端以下5.0 m時,坑角5 m范圍內圍護樁最大水平位移下移,距離冠梁頂部約8.0 m。橫向上隨坑角相對距離的增大,其最大水平位移增加,且位置向上移動,此時基坑中部的位置的墻體變形仍然呈現“懸臂型”,而坑角處圍護結構的變形呈現“內凸形”。隨基坑深一步的開挖和支護,圍護墻體的水平位移逐漸增大,最終圍護結構的變形基本上呈現“內凸形”。此外,坑角位置圍護結構側向位移較小,基坑中部圍護結構側向位移最大,表現明顯的空間效應。

圖4 距坑角不同位置處的樁身位移圖

圍護墻坑角效應圖見圖5。由圖5可見,初始開挖時,距離坑角20 m范圍內基坑平面應變比PSR值幾乎無變化,之后迅速增大,約40 m處速率變緩,在距離坑角50 m處接近于1;基坑開挖深度增加,PSR速率隨之增大,20 m范圍內數值變化明顯,且PSR值接近于1的位置離坑角越近,到達最終開挖步時,其位置在距離坑角約45.0 m位置,影響范圍變小。

圖5 圍護墻坑角效應圖

3.3 墻后地表分析

為進一步研究樁錨深基坑的坑角效應,分別從橫向和縱向的地表沉降開展分析,圖6所示為基坑開挖至不同階段時,墻后1 m土體在橫向上的地表沉降圖。沉降曲線呈現凹槽形,與文獻[2]得出的土體沉降變化模式較為相同,存在明顯的空間效應。分析AF面的沉降分布特征。

圖6 地表橫向沉降累計圖

由圖6可見,坑角處墻后地表沉降受到坑角的約束作用,沉降幾乎為0,隨坑角相對距離的增大,地表最大沉降增大,在到達一定距離時,土體的沉降不再受到坑角效應的影響。

初次開挖時,距離坑角20 m處達到最大沉降的80%,即PSR值達到0.8,基坑中部最大沉降為7.5 mm;基坑開挖越深,周圍土體沉降越大,空間效應越明顯,但最大沉降的位置沒有變化,都位于基坑中部處,開挖到設計標高時,地表最大沉降約為23 mm,在距離坑角0～35 m范圍內,坑角效應引起的地表沉降變化率較大,PSR值在35 m處達到0.8,當距離達到45 m(2H)時,該距離基本不受坑角效應的影響,PSR值為1,與基坑中間沉降一致,為平面應變狀態,由此可見,PSR和基坑的開挖深度對土體沉降的影響較大;基坑在達到設計標高時,橫向地表沉降的坑角影響范圍與圍護樁的坑角影響范圍基本一致。

地表沉降在縱向上也存在明顯的空間效應,圖7表示縱向上地表最大沉降在坑角不同范圍內PSR的變化情況,由圖可知距離坑角10 m范圍內為顯著影響區,PSR快速增加至0.8,在10～30 m范圍內,PSR值由0.8增加至0.9,這個范圍為坑角效應的次要影響區,之后坑角的影響效應逐漸減弱,距離坑角35 m左右,PSR增加至1,該距離不受坑角作用的影響。判定縱向上地表沉降坑角效應的影響范圍為1.5H。

圖7 地表縱向沉降的坑角效應圖

4 結論

本文對深基坑進行三維數值建模,通過分析基坑北側圍護樁的樁身側向位移,研究其坑角效應,得出以下結論。

1) 基坑首次開挖時,圍護樁的變形呈“懸臂型”,隨著基坑的開挖和支護,樁體最大位移向下移動,逐漸演變為兩端較小、中間較大的形態,呈現出“內凸形”。

2) 對于深基坑圍護結構的側向變形,可以看到明顯的空間效應,觀察1號和2號圍護樁的位移曲線,可以發現越靠近坑角的圍護樁,其最大側向位移越小,最大側向位移發生在基坑中部處。

3) 基坑初步開挖20 m范圍內坑角效應最明顯,且挖深越大,其影響范圍越小,從50 m(2.3H)到45 m(2H),總體來說變化范圍不大。故可以在開挖深度范圍內減少支護強度,保護基坑穩定的同時節約工程成本。

4) 圍護樁后土體沉降,其在橫向上的坑角影響范圍與圍護樁的坑角影響范圍基本一致,為2H,主要影響區為0～1.5H;縱向上的坑角影響范圍為1.5H,主要影響區為1.4H。