深基坑單排樁加內支撐支護結構有限元分析

王 松,張陽陽

(淮南聯合大學 建筑與藝術學院,安徽 淮南 232038)

基坑工程的穩定性主要由土體穩定性、土體強度及土體和支護結構相互作用關系決定。這些年來隨著城市地下工程及高大建筑的發展,深基坑工程項目越來越多,而城市周圍環境復雜且用地緊張,這些因素都加大了深基坑開挖和支護的難度。雖然目前我國深基坑支護結構類型較多,如錨樁支護、排樁支護、地下連續墻支護等,但由于施工土體性質、周圍環境及施工荷載等原因,造成基坑土體和支護結構變形和受力過大,從而破壞了基坑的穩定性。為此,國內外做過很多相關內容的研究,如:孫超[1]對深基坑排樁支護、土釘墻支護和新型地下連續墻等多種支護形式進行了總結。郭永成等[2]在軟土地基中,針對不同基坑支護形式的支護效果進行了研究,得出多種組合支護形式對深基坑軟土地基有良好的支護效果。徐凌[3]利用FLAC-3D軟件對不同深基坑工程進行模擬分析,研究不同基坑支護結構受力和變形,得出排樁加內支撐的結構形式支護效果更好。Leiyu Zhang[4]分析了軟土基坑開挖時,基坑中的土體變形及土體的力學特征。在整個研究過程中運用數值模擬、有限元分析計算等方法,得出的結論能夠真實反映基坑開挖后土體的力學特征。Han L[5]對排樁支護的深基坑工程進行現場監測,從而得出支護樁體的位移變化,進而研究樁頂和樁身的變形規律。Phillip S.K[6]對深基坑中的排樁支護進行了研究,分析了排樁樁身的受力特征和位移,得出了排樁數越多,樁身變形控制越好的結論。Ilyas.T[7]研究了深基坑排樁在受到外部荷載時的變形和受力特點,得出排樁的變形可以通過增加排樁的數量得以控制。目前在國內外關于基坑支護的理論研究有很多,但有些研究理論很難做到精準控制基坑變形或者基坑支護相關研究理論的安全系數過高,造成不必要的經濟浪費。單排樁加內支撐的支護形式可以優化基坑支護形式,同時研究方法采用Midas模擬軟件進行模擬,通過參數設置可以做到精準控制,為基坑支護工程提供理論依據。

1 工程概況

本項目基坑寬度為32.6m,開挖深度為8.2m,基坑放坡深度為1m,以1:1進行放坡同時采用C20噴射混凝土進行護坡,基坑其余深度為垂直開挖,四周做了混凝土強度為C30的地下連續墻。在基坑1m和4m深處設置了截面尺寸為1000mm×700mm的鋼筋混凝土冠粱和腰梁,同時配有截面尺寸600mm×600mm的混凝土內支撐,混凝土強度為C30,樁體采用直徑為500mm,強度為C35的混凝土樁體,并在樁體下部設置了高度2m,強度為C40的樁基礎,深基坑整體支護結構如圖1所示。

圖1 深基坑排樁加內支撐支護結構

通過地質勘查得出整個深基坑土層從上往下分別為雜填土、淤泥質土、粘土、粉砂夾粉土、粉細砂,各土層及不同強度混凝土物理力學參數如表1和表2所示。

表1 各土層主要的物理力學性質參數

表2 不同強度混凝土物理力學性質參數

2 現場監測

深基坑開挖時,支護結構受到土體壓力及周圍動荷載的影響,基坑會出現比較明顯的變形,甚至是基坑失穩,因此深基坑開挖要做好基坑監測工作。

2.1 基坑沉降監測

基坑沉降監測時在基坑周圍埋設三個以上的基點,方便相互校核檢驗,并且能夠形成較為穩固的基準網[8]。監測開始時,可對設置的基準網進行定期監測以此來判定各個基準點是否正常,如果異?？梢詫祿惓５幕鶞庶c進行修正。在測量監測點的高程時,一般通過閉合的水準測量從而引測到各個監測點上,得到監測點的高程,將不同時間段測量的高程與原始高程相減,其絕對值就是基坑土體在不同時間段的沉降值。在基坑開挖前布設的監測點首次測量得到原始高程,隨后監測頻率為一天一次。如果監測點的沉降數據不符合規范,可適當增加監測次數。當基礎結構施工完成時,可以停止監測[9]。

2.2基坑水平位移監測

基坑水平位移采用軸線投影進行測量,在基坑兩端各取兩點作為基準點,兩點則連成一條基準線。將全站儀加設在一點,定向于另一點,觀測時讀取監測點到基準線的準直距離,然后將不同時間段的測量值與原始值進行相減,取絕對值則得到監測點的水平位移[10]。

2.3基坑支護位移監測

根據現場基坑的實際情況,對于基坑中的圍護結構、排樁及內支撐采用極坐標法進行測定[11]。在基坑中部、端部及陰陽角的位置布設監測點,同時在基坑項目的影響范圍之外,視野開闊的地方選取基準點。通過基準點,進行基坑支護位移監測。在實際的基坑測量工作中,為保證測量結果的正確性,要求監測點坐標誤差小于1mm,累計報警值不得超過40mm,基坑結構位移速率不得超過3mm/d,監測頻率為1天監測1次,初始監測為2次[12]。

2.4 基坑樁體的應力監測

樁體內的應力選用應力計進行測量,根據設計要求每根樁體內外兩側個各埋設應力計,同時在支護樁體縱筋施工過程中安置傳感器,兩者同步進行[13]。等樁體達到一定強度后,應力計進行歸零設置,隨后每隔2天測量1次。在基坑開挖過程中,如果出現支護樁體受力變化過快或者出現異常,則需要增加監測頻率。當基監測數據穩定后,可減少監測頻率,當主體基礎結構施工完成時,基坑樁體的應力監測結束[14]。

3 Midas模擬深基坑單排樁加內支撐支護結構開挖

本次深基坑開挖模擬采用三維模擬,相比于二維模擬,三維模擬不再只以點、線單元構成的模型,分析地更加直觀和準確。另外,在深基坑開挖1m范圍內,通過軟件設置了1:1的坡度,同時采用C20噴射混凝土進行護坡,這樣計算的數據結果更加真實可靠。按照地質資料整個基坑分為5層,從上到下分別為1.5m雜填土、1.8m淤泥質土、2.4m粘土、0.6m粉砂夾粉土、1.9m粉細砂。深基坑中的支護結構冠梁、腰梁、內支撐、樁體、樁基礎等參數依據實際情況進行設置,模型的邊界約束自動設置,土層和支護結構的重力根據材料容重乘以重力加速度得出。根據深基坑開挖影響范圍,整體模型的寬度和長度為深基坑的兩到三倍,模型的深度為深基坑的三倍以上。整體模型劃分網格統一采用混合網格,如圖2所示?；旌暇W格可以提高計算網格的質量并降低求解區域網格的離散難度,能夠很好地離散復雜的計算域,提高計算的精確度[15]。

圖2 深基坑排樁加內支撐支護結構網格劃分

由于深基坑開挖是一個動態過程,所以需要定義施工階段組。第一階段為“初始階段”,激活各開挖土層、重力及邊界約束[16]。第二階段“開挖-1”,激活第一道內支撐、冠梁、立柱、圍護樁及噴射混凝土護坡面,鈍化雜填土層;第三階段“開挖-2”鈍化淤泥質土,第四階段“開挖-3”激活第二道內支撐和腰梁,鈍化粘土;第五階段“開挖-4”鈍化粉砂夾粉土;第六階段“開挖-5”鈍化粉細砂,各施工階段設置完成后,運算分析。

4 數據分析

4.1 基坑表面沉降

深基坑在開挖過程中,不可避免會對周圍土體產生擾動,從而基坑會產生不同程度的沉降。根據基坑現場監測和Midas軟件模擬可得數據圖3和圖4,圖3表明隨著深基坑開挖,基坑周圍同一節點的沉降也在增加,基坑地表沉降最大值出現在“開挖-5”,計算模型圖如圖5所示。由于模擬時,未考慮地下水以及基坑周圍荷載的影響,造成測量值和模擬值存在差異,但變化趨勢一致?；娱_挖完成后,基坑周邊不同節點的沉降值如圖4所示,離地下連續墻較近的節點,沉降值較小,隨著距離的增加,沉降值先增大并達到最大值,隨后離基坑周邊越遠的節點沉降值越小,直至沉降不明顯。

圖3 基坑地表沉降值

圖4 距坑壁不同距離地表沉降

圖5 地表沉降最大值開挖-5模型圖

4.2 基坑坑底沉降

深基坑在開挖的過程中,由于坑底土上部土體不斷減少,導致坑底土上部荷載降低,坑底土向上回彈;同時由于基坑變形,圍護墻體向坑內側移動,擠壓基坑內土體向中間移動,導致坑底土向上隆起;隨著基坑的開挖,坑底土最大隆起高度不斷增加,并且基坑中心處的隆起最大且坑底土最大隆起高度在“開挖-2”階段,位于基坑中心處,如圖6所示,圖6為將模型其他部位隱藏,只顯示坑底土變形的模型圖。通過模擬計算和現場基坑監測得到“開挖-1”階段至“開挖-5”階段坑底土最大隆高度,如圖7所示。圖7表明坑底土隆起的高度隨著離基坑中心的距離越遠,呈非線性降低。隨著時間流逝,基坑中心的隆起將慢慢降低,整個基坑坑底變成中間低兩邊高的形狀。

圖6 坑底土最大隆起模型圖

圖7 離基坑中心不同距離隆起高度

4.3 圍護結構水平位移

深基坑在開挖過程中由于土體向內擠壓,造成圍護墻體產生水平位移,位移結果如圖8所示。

根據測量點監測和Midas數據模擬得出圍護結構水平位移情況如圖9所示,圖9表明深基坑開挖過程中,圍護墻體水平位移不斷增加并且基坑開挖深度較小時,圍護墻體水平位移不大。隨著深度的增加,圍護墻體水平位移先逐漸增大,然后減小,圍護墻體水平位移最大值在深基坑深度2/3處。這主要由于圍護結構設有兩道鋼梁,鋼梁約束了圍護結構的水平位移,致使圍護墻體的最大位移向下移動。從圖9中可以看出圍護墻體水平位移的測量值和模擬值變化趨勢基本保持一致,表明Midas能真實模擬基坑開挖過程中圍護墻體位移變化。

圖8 基坑圍護結構水平位移

圖9 圍護結構水平位移

4.4 支護樁體彎矩

深基坑支護樁體主要作用是抵抗由于土體滑動產生的側壓力,由于混凝土抗壓能力強,而抗彎能力比較弱,因此文本研究了支護樁體的抗彎性能。深基坑在開挖過程中支護樁體的彎矩圖如圖10所示,從彎矩圖中可以看出由于第一道和第二道支撐的約束作用,所以在該位置彎矩產生了突變。隨著基坑的開挖,支護樁體彎矩的最大值在不斷下移,彎矩的最大值為132.8kN·m,符合規范要求。

圖10 基坑支護樁體彎矩

5 結論

本文運用了Midas軟件模擬了單排樁加內支撐深基坑的開挖過程,得到以下結論:

(1)隨著深基坑開挖,基坑周圍同一節點的沉降不斷增加,并且基坑地表沉降的最大值隨著施工階段的進行也在不斷增加;基坑開挖完成后,離地下連續墻較近的節點,沉降值較小,隨著距離的增加,沉降值先增大并達到最大值,隨后離基坑周邊越遠的節點沉降值越小,直至沉降不明顯。

(2)隨著基坑的開挖,坑底土最大隆起不斷增加,當基坑開挖完后,基坑中心處的坑底土隆起達到最大值;坑底土隆起的高度隨著離基坑中心的距離越遠,呈非線性降低,當基坑開挖完成后,基坑中心的隆起將慢慢降低,整個基坑坑底變成中間低兩邊高的形狀。

(3)深基坑開挖過程中,圍護墻體水平位移不斷增加并且開挖深度較小時,圍護墻體水平位移不大。隨著深度的增加,圍護墻體水平位移先逐漸增大,然后減小,圍護墻體水平位移最大值在深基坑深度2/3處。

(4)基坑支護樁體彎矩在第一道和第二道支撐產生了突變;隨著基坑的開挖,支護樁體彎矩的最大值也在不斷下移。