局部超挖對內支撐結構的施工效應

魏煥衛, 李傳斌, 種記鑫, 鄭曉

(1. 山東建筑大學 a. 土木工程學院; b. 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室;c. 地鐵保護研究所, 濟南 250101; 2. 濟南軌道交通集團有限公司, 濟南 250100)

0 引 言

局部超挖可定義為在未架設某層支撐時,分層開挖至該層內支撐設計位置并繼續向下開挖一段深度,然后再進行架設支撐[1]。在基坑的施工過程中,由于設計不妥、工期緊張或地質條件等原因,局部超挖時常發生。一方面,局部超挖區長度和深度越大,越有利于施工且縮短工期;另一方面,局部超挖過度可能會引起結構變形、超限失穩等問題。如何控制局部超挖的量以及由其引起的施工效應,是一個亟待解決的問題。此外,支撐架設不及時導致局部超挖也引發大量的基坑事故[2-6],造成嚴重損失。

目前,已有許多學者對基坑的局部超挖進行了相關研究。張瑾[7]統計114例上海地鐵基坑險情,其中50%與局部超挖有關。王峰等[8]采用層次分析法確定超挖和支撐及時架設程度的風險等級水平,明確超挖對施工開挖影響巨大,應嚴格控制。羅陽洋[9]建立有限元模型,系統研究基坑超挖深度、超挖范圍及超挖位置對圍護結構水平變形的影響。謝秀棟等[10]研究土體蠕變特性。張廣達[1]、黃珠微[11]通過數值模擬,探討超挖深度對圍護結構地表沉降的影響規律。黃天明等[12]以懸臂排樁支護的長條形基坑為例,研究基坑局部超挖深度對支護樁彎矩、側移的傳遞機理。雷亞偉等[13]結合模型試驗,引入彎矩增大系數,對基坑局部超挖引起的載荷傳遞規律進行探索。鄭剛等[14]進一步研究局部超挖對雙排樁內力、變形及穩定性的影響,提出判斷傾覆型連續破壞發生和發展范圍的抗傾覆穩定狀態值方法。孫威等[15]提出考慮結構相互作用的三維桿系有限元分析方法,考慮局部土方超挖的因素對支護結構變形及受力的影響。

現有對基坑局部超挖的研究大多集中在超挖安全性分析及險情處理或對圍護結構內力及變形[16-19]的影響上,研究對象為懸臂或單支撐圍護結構,而對內支撐結構中的局部超挖施工效應以及影響范圍的研究較少。本文利用PLAXIS 3D軟件建立三維數值模型,研究分析基坑內不同支撐條件下超挖深度及寬度對支護結構的施工效應,包括支護結構內力位移及樁后土壓力的影響,提出局部超挖施工效應影響系數ki、li、mi、ni,以評估局部超挖施工效應影響范圍,以及確定側移彎矩控制值的方法,為實際工程提供參考。

1 工程實例分析

1.1 工程概況

對某深基坑工程,取存在挖深差的剖面部分進行分析?；悠矫嫘螤罴氨O測點位置見圖1(a),東西長約125 m,南北長約48 m,本文主要對基坑典型局部超挖區域的監測數據進行分析。

(a)基坑平面形狀及監測點位置

基坑采用支護樁與鋼筋混凝土對撐、角撐支護,Ⅰ區域混凝土對撐與立柱共同支護,Ⅱ區域混凝土角撐處與立柱共同支護。Ⅰ區域開挖深度為14.4 m,豎向布置2道支撐;Ⅱ區域開挖深度為22.0 m,豎向布置4道支撐;Ⅲ區域開挖深度為21.4～14.0 m,放坡開挖,豎向布置3道支撐,有限元模型見圖1(b)。

由地勘報告可知,土層按一般工程地質性質差異自上而下共分為7層,其物理力學性質指標見表1。本文主要分析Ⅱ、Ⅲ區域基坑圍護結構變形內力,Ⅱ區域為局部超挖區,Ⅲ區域為放坡區域,主要施工工況信息見表2。工況3時Ⅰ區域已至坑底,工況4、5中存在局部超挖。

1.2 模擬及實測數據分析

模擬部分利用PLAXIS 3D三維有限元軟件進行,土體支護形式和開挖工況與實際工程相同,模型選取土體硬化(H-S)模型,能夠較好地模擬基坑的開挖過程[20]。各側移和內力測點位置見圖1(a),根據工程施工過程中不同時期的監測數據,對比深層水平位移觀測點處5～10冠梁的水平位移,樁體向坑內變形為正,實測數據及模擬結果對比見圖2。

表 1 土層物理力學性質指標

表 2 施工工況

(a)實測數據

從冠梁實測數據可知,隨著開挖深度的增加,各測點處冠梁水平位移向坑內有逐漸增大的趨勢。測點WY4～WY7在Ⅱ區域有超挖,中心測點WY7比遠離超挖中心的WY5、WY9測點分別超挖增加50%和72%,變化較大;隨著遠離超挖區,冠梁水平位移逐漸減小。在超挖區內,有限元模擬與實測數據最大值相差16%,結果雖然有差異,但數值比較接近且變化趨勢一致。

軸力監測以及模擬數據見圖3,受施工工況的影響,各測點的軸力值均呈波動變化。軸力測點ZL5位于超挖中心,該測點除第1道支撐軸力小于其他測點外,第2道和第3道支撐均大于其他測點,實測數據中第2道支撐軸力測點ZL5達到軸力測點ZL6的1.94倍。

(a)實測數據

各工況下測點ZL5和ZL6軸力與ZL4的軸力比(各測點軸力與ZL4測點軸力的比值)見圖3(b),可知數值模擬具有較好的一致性。因此,超挖對鄰近區域側移和內力有明顯影響,在實際工程中應特別注意局部超挖引起的軸力變化。

2 有限元模型的建立

2.1 模型及計算參數

為研究局部超挖施工對圍護結構的變形影響,利用上文方法建立某個長條式基坑模型進行分析。最大開挖深度He為15 m,基坑開挖影響范圍通常為3～4倍基坑挖深[21],基坑平面尺寸為75 m×5 m,因此確定模型尺寸為170 m ×100 m×60 m,以消除邊界條件的影響。模型為對稱結構,對稱面為yz面,在分析中僅取x>0部分,見圖4。

圖4 基坑有限元模型及分析網格

采用排樁內支撐支護結構,樁徑600 mm,凈距650 mm,樁長23 m。根據等剛度[22]原則,將支護樁等效為板進行數值模擬,板厚d=0.39 m,彈性模量E=30 GPa。其余支護結構內支撐、腰梁、冠梁采用梁單元模擬,自地面標高處設置冠梁與支撐,往下每隔5 m設置1道腰梁與支撐,支撐水平間距為5 m,統一取截面600 mm×600 m。模型取單一均質土層,同樣取土體硬化(H-S)模型,土體力學參數見表3。綜合考慮計算速度和精度,對基坑及附近進行局部網格加密。

2.2 模擬方法

圖5為全結構局部超挖示意,僅取x>0部分進行分析?；訉挾萢=5 m,固定局部超挖區長度B=2b=5和15 m為例,改變局部超挖深度hi=0.5i(i=1,2,…,10 m)。按此方法將模型分為:(1)算例1,無支撐局部超挖,見圖5(a);(2)算例2,有1道支撐的局部超挖,見圖5(b);(3)算例3,有2道支撐的局部超挖;(4)算例4,正常支撐條件下分層整體開挖。

表 3 土層力學參數

(a)無支撐局部超挖

2.3 施工效應初始值及系數的定義

將算例4中分層整體開挖5 m后的支護樁最大側移作為側移初始參考值,此時算例4與其他各算例中局部超挖深度hi=5 m時的坑底深度相同。同理,將算例4開挖至局部超挖相同坑底深度時的樁身最大彎矩,稱為彎矩初始參考值,用于結合規范參考值對局部超挖進行控制。

為研究局部超挖對支護結構的影響程度和范圍,引入施工效應系數ki、li、mi、ni。

(1)

(2)

3 無支撐局部超挖

3.1 無支撐局部超挖下支護樁側移

算例1為無支撐局部超挖,超挖時支護樁樁身最大側移及側移變化系數曲線見圖6,支護樁向坑內位移為正。

(a)側移曲線

如圖6(a)所示,支護樁側移隨局部超挖深度和長度的增加而有顯著增長趨勢,因空間效應,超挖長度增加、未開挖土體減少,抗力變小對支護樁側移的限制作用減小。沿基坑長度方向上,在局部超挖范圍內,支護樁向坑內側移及變化速率最大,隨著與超挖區距離增大,側移逐漸減小并趨于穩定,在距坑角1.5倍開挖寬度范圍內,因坑角效應側移迅速減小。

在算例1中,側移初始參考值為5.87 mm。在局部超挖區長度B=5和15 m,局部超挖深度hi分別為3.5、2.5 m時,支護樁側移已接近側移初始參考值。局部超挖深度hi=5 m,B=5和15 m時,支護樁側移分別為8.72、23 mm,位移增量是初始側移參考值的49%和291%。若基坑為一級基坑,根據規范[23],水平位移允許值取10 mm,故超挖區長度若達到15 m,則支護體系將存在位移超限的風險。

根據式(1),超挖區長度B=5和15 m時,各超挖工況下各位置處的支護樁最大側移變化系數ki見圖6(b)。定義ki穩定在0.9～1.1時,為局部超挖影響范圍之外;反之,則為影響范圍之內。對于算例1的無支撐下局部超挖,沿基坑長度方向上側移變化系數逐漸減小,當側移變化系數ki穩定小于1.1,則認為不受局部超挖影響。

3.2 無支撐局部超挖下的樁后土壓力

算例1的無支撐下局部超挖,取局部超挖時坑底以下2 m支護樁后土壓力和未開挖之前的樁后土壓力,研究局部超挖深度及其變化對土壓力的影響以及在沿基坑長度方向上的傳遞規律。

算例1的土壓力變化系數見圖7。相對于局部超挖前,局部超挖范圍內及附近區域樁后土壓力呈減小趨勢,鄰近區域樁后土壓力呈增長趨勢,樁后土壓力增長速率隨著與局部超挖區距離的增大而減小,超過一定區域后則基本與局部超挖前相等。局部開挖范圍及其鄰近區域樁后土壓力增減程度和影響范圍隨局部超挖深度和長度的增加而變大。因測點均為局部超挖面以下,局部超挖區內土體開挖卸荷,支護樁向坑內發生較大水平位移,使得超挖區樁后主動區土壓力迅速減小,而非超挖區支護樁水平變形較小。這種位移差異使得樁后土體形成水平土拱[24-25],超挖區水平載荷被轉移至非超挖區,對支護樁產生加載效應[26],樁后土壓力彎矩均有所增加,但此時土壓力增幅不大。li在局部超挖區內最小,隨著遠離開挖中心先逐漸增大至最大值,隨后減小并趨于穩定,此時若li在0.99～1.01,則認為此時超出局部超挖對樁后土壓力的影響范圍。

圖7 算例1土壓力變化系數

3.3 支護樁彎矩

算例1的無支撐局部超挖區長度B=5和15 m時,各工況的支護樁樁身最大彎矩及變化系數見圖8。支護樁最大彎矩沿基坑長度方向的傳遞變化規律與樁身側移類似,沿基坑長度方向上的變化速率和樁身最大彎矩隨局部超挖深度的增加而變大,局部超挖范圍內彎矩及變化速率最大,隨著與超挖區距離的增大,彎矩逐漸減小并趨于穩定,故用彎矩變化系數mi對其影響范圍進行評價。

(a)最大彎矩曲線

算例1中各支護樁最大彎矩見圖8(a)。在局部超挖深度hi=5 m,局部超挖長度B=5 m時,最大彎矩為32.92 kN·m,是初始彎矩參考值(35.13 kN·m)的0.94倍。當B=15 m時,最大彎矩為79.66 kN·m,是初始彎矩參考值的2.27倍,此時存在彎矩超限風險。

算例1的局部超挖長度B=5和15 m的彎矩變化系數見圖8(b)。若定義彎矩變化系數mi>1.1為超挖區彎矩影響范圍,則根據mi可確定算例1無支撐下局部超挖的彎矩影響范圍(見圖9)。無支撐下局部超挖,當局部超挖長度不變時,樁身最大彎矩影響范圍與超挖深度呈二次函數關系。

圖9 算例1的最大彎矩影響范圍

結合前文對樁身最大側移的分析,繪制側移和彎矩曲線,見圖10。對局部超挖深度和長度進行控制,當無支撐、局部超挖長度B=5和15 m時,側移與彎矩都應作為控制指標。若以1.1倍初始參考值及規范控制值二者中較小值為控制值,則局部超挖深度最大應控制在2.5～4.0 m。以局部超挖長度B=15 m為例,根據彎矩和側移控制值可以得出,局部超挖深度最大可為2.5 m。

圖10 算例1的側移和彎矩曲線

4 有支撐下局部超挖

4.1 有支撐下局部超挖支護樁側移

以算例2的1道支撐和算例3的2道支撐下局部超挖為例進行分析。如圖11所示為局部超挖區長度B=5和15 m時,各超挖深度的支護樁樁身最大側移。未進行局部超挖時,樁身最大側移位置在大面積開挖底面附近,隨著局部超挖深度的增大,其所在深度不斷下移。沿基坑長度方向上,當距離超挖中心超過25 m時,支護樁側移變化值已趨于穩定,側移變化系數ki也在0.9～1.1,視為已超出局部超挖側移影響范圍。

(a)算例2

算例2中的初始側移參考值為算例4正常開挖10 m處沿基坑長度方向上支護樁身最大側移(14.88 mm)。算例2的支護樁最大側移分布規律與算例1類似,在局部超挖區長度B=5和15 m,局部超挖深度hi分別為4、2 m時,支護樁最大側移已接近初始側移參考值。局部超挖深度hi=5 m,B=5和15 m時,支護樁側移值分別為17.33和33.99 mm,位移增量是初始側移參考值的16%和128%。

算例3的初始位移參考值對應算例4正常開挖15 m處沿基坑長度方向上支護樁身最大側移(28.58 mm)。在局部超挖區長度B=5和15 m,局部超挖深度hi分別為4、2 m時,支護樁最大側移已接近初始側移參考值。與算例2相同,局部超挖深度hi=5 m,B=5和15 m時,支護樁側移值分別為31.31和51.99 mm,位移增量是初始側移參考值的9%和82%。根據規范[23],若為一級基坑,算例2和3的水平位移控制值都為30 mm,故除了算例2中B=5 m時,其余工況中hi=5 m時,均存在位移超限的風險。

由有支撐的局部超挖最大樁身側移確定樁身最大側移變化系數ki,進而確定有支撐條件下局部超挖的側移影響范圍分布,見圖12,發現側移影響范圍大致符合二次函數y=ax2+bx+c,各系數含義和數值見表4。

表 4 側移影響范圍

圖12 局部超挖深度與側移影響范圍

根據側移變化系數,可以得出無支撐條件下局部超挖樁身最大側移的影響范圍,超挖區長度與影響范圍也近似為二次函數關系。

4.2 局部超挖下的樁后土壓力

算例2和3分別取局部超挖時坑底以下2 m以及未開挖之前的支護樁后土壓力,根據式(2)確定其土壓力變化系數,見圖13,趨勢同算例1的無支撐下局部超挖情況。盡管算例1～3支撐逐漸增加,支撐的作用在一定程度上抑制了樁后土壓力的變化,但算例1～3開挖深度逐漸增加,樁后土壓力的變化幅度增大。

(a)算例2

在基坑長度方向上,局部超挖范圍附近樁后土壓力變化系數呈增長趨勢,并在鄰近區域內達到峰值,然后樁后土壓力隨著與局部超挖位置距離的增大而減小至1。由li穩定在0.99～1.01時,可確定其土壓力影響范圍,見圖14。虛線代表li>0.99的范圍,實線代表li<1.01的范圍,影響范圍取二者的交集。以算例1無支撐下局部超挖中超挖區長度B=15 m為例,隨著局部超挖深度hi不斷增加,當hi>0.5 m時,li>0.99的區域基本穩定在y=7 m處;而當hi>2 m時,開始有li>1.01的值,此時土壓力影響范圍以li<1.01和li>0.99的范圍交集為準,故影響范圍在hi=2 m處開始有突變。

圖14 局部超挖深度與土壓力影響范圍

4.3 支護樁最大彎矩

有支撐下局部超挖時,由于開挖深度已較大,此時起控制作用的是樁后主動土壓力產生的彎矩,有支撐條件下局部超挖的最大樁身彎矩變化系數mi見圖15。在算例2和3中,局部超挖區長度B=5 m時,隨著局部超挖深度hi的增加,彎矩并未達到初始參考值;當B=15 m,hi分別為2.5、2.0 m時,彎矩已經接近初始參考值。根據mi確定其局部超挖深度與樁身最大彎矩的影響范圍見圖16。當局部超挖深度hi>a/5(a為基坑寬度)時,hi與彎矩影響范圍呈線性關系。

(a)算例2

圖16 有支撐下局部超挖彎矩影響范圍

以彎矩和側移規范允許值以及正常支撐大面積開挖到相同深度的彎矩和側移值作為初始參考值,取容許值與初始參考值中較小值作為控制值,綜合考慮局部超挖范圍及深度,用于控制實際施工中局部超挖的量。如圖17所示,同樣有支撐下局部超挖情況,若以1.1倍初始參考值及規范控制值二者中的較小值作為控制值,綜合考慮彎矩以及側移,則有支撐下局部超挖深度最大應控制在2.0～3.5 m。如算例2中第1道支撐下局部超挖,當局部開挖長度B=15 m時,根據彎矩和側移控制值可以得出,最大局部超挖深度可為1.5 m,在B=5～15 m時也可根據圖17確定其局部超挖深度。

(a)算例2

4.4 支撐軸力

引入支撐軸力變化系數ni,定義當支撐逐漸遠離超挖中心,ni穩定于0.98～1.02,則認為該支撐軸力不再受局部超挖影響。如圖18所示,算例2在1道支撐下局部超挖,位于局部超挖區域內的內支撐軸力大幅增加,而鄰近區域支撐軸力會小幅減小,遠離局部超挖區后趨于穩定。

圖18 算例2的第1道支撐軸力變化系數

圖18中支撐軸力的變化趨勢與圖13的土壓力變化趨勢相符,第1道支撐主要承擔由于局部超挖時第2道支撐未架設而轉移的坑外主動土壓力。根據軸力變化系數ni,當B=5和15 m時,軸力影響范圍為4根支撐和5根支撐,換算為長度,即2種局部超挖長度下,各超挖深度的軸力影響范圍均為b+3a。

如圖19所示,算例3的第2道支撐下局部超挖時,此時第2道支撐軸力迅速增大,第1道支撐軸力逐漸減小,這種趨勢隨局部開挖區深度和長度增加而增強,第2道支撐主要承擔由于局部超挖時第3道支撐未架設而轉移的坑外主動土壓力。

(a)第1道支撐

當局部超挖區長度B=15 m時,若超挖深度hi>2 m,則第2道支撐軸力的影響范圍為b+3a,第1道支撐軸力的影響范圍接近b+4a。此時,超挖區及其附近的第1道支撐會出現拉應力,原因類似于支撐滯后[27],支護樁下部缺乏第3道支撐約束,在土壓力作用下踢腳變形過大,支護樁以第2道支撐為支點發生旋轉,支護樁底部向坑內,頂部向坑外移動,減少對內支撐的壓力。此時要注意發生失穩的可能,如首層支撐為鋼支撐,局部超挖則有可能使其出現拉應力,容易發生事故。對比軸力變化系數,得出算例3的第2道支撐下局部超挖對支撐軸力影響最大,與前文彎矩側移變化相符。

5 結 論

(1)局部超挖長度和超挖深度、支撐條件都會對超挖區以及鄰近的非超挖區產生施工效應,主要體現在支護結構側移、彎矩、支撐軸力上,并存在一定的影響范圍。將正常支撐下大面積開挖到相同深度的彎矩和側移值作為初始參考值,對于控制實際施工中局部超挖的量有一定參考意義。

(2)對于局部超挖的支護結構最大側移的影響范圍(在基坑邊長方向上),局部超挖深度與支護結構最大水平側移的影響范圍近似呈二次函數關系。

(3)對于局部超挖深度與在基坑邊長方向上的支護結構最大彎矩的影響范圍,有支撐情況下當局部超挖深度hi>a/5時,近似呈線性關系,無支撐情況下呈二次函數關系。

(4)在超挖區內樁后土壓力大幅減小,由于土拱及加載作用,鄰近超挖段的非超挖區土壓力會有小幅度上升,但隨著遠離開挖中心,土壓力變化逐漸趨于穩定。

(5)對于支撐軸力,多支撐下局部超挖,超挖區內本層支撐軸力迅速增加,局部超挖的支撐軸力影響范圍約為b+3a。第1道支撐隨著超挖深度和范圍的增加,軸力逐漸減小甚至出現拉應力,影響范圍約為b+4a。