某基坑典型樁錨支護段的設計研究

吳少波,秦 云,2,卓宏博

(1．云南大學城市建設與管理學院,云南昆明650091；2.昆明市建筑設計研究院有限責任公司，云南昆明650041)

隨著城市地下空間的不斷開發利用，基坑的面積和開挖深度越來越大，因此，傳統基坑支護方式面臨深度與廣度的挑戰[1]。近年來，昆明城市建設發展迅速，深基坑工程大量涌現。眾所周知，地處高原的昆明是典型的地質博物館，地形地貌復雜多變,導致基坑工程在設計和施工中面臨多方困難，工程事故偶有發生。本文以昆明某高層建筑深基坑支護項目為例，選取典型性支護剖面，在理正深基坑工程軟件分析和設計的基礎上，采用Midas/Gts軟件建立相應的有限元分析模型，將理論分析結果與現場實測相對照，結果表明，上述兩種軟件在工程中是可行的，合理確定計算參數后，Midas/Gts的結果具有很高的可信度。

1 工程概況

擬建某保障房住宅項目位于昆明滇池國家旅游度假區大漁鄉片區，月馬路和前新路交叉口東南角，東部緊鄰輕軌1號線終點站，南為規劃的8號路。受人工建設活動的影響，場地地形起伏變化較大，北高南低，東高西低，地質勘察報告揭露該基坑整體土質情況較差。基坑周長約為567 m，設二層整體地下室，開挖深度約為9.6 m。基坑周邊環境如圖1，基坑北距已建成的魚浦路30.5 m，東邊距離高架的輕軌一號線終點站28.6 m，站點為鋼筋混凝土框架結構，基礎為柱下大直徑沖孔嵌巖端承樁，南部擬建規劃路尚未建設，在本工程建設期間亦不會開工建設。

圖1 基坑周邊環境示意

2 方案設計

本基坑周邊環境較為一般，但最大開挖深度達9.6 m，依據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)，基坑安全等級按照二級選取，基坑側壁重要性系數為1.0。基坑開挖過程中，基坑坡頂4 m范圍內不能堆放任何荷載，允許堆載寬度不得大于6 m, 且等效均布荷載應不大于20 kN/m2。經安全、經濟、技術可行對比后，總體支護方案為：(1)在東南方向，采取“放坡+土釘+掛網噴混凝土”的方案；(2)在其它三個方向，采取頂部適當“放坡+土釘、下部樁錨支護”的方案。

基坑專項勘察地勘報告顯示，基坑3d-3d區段的填土最大厚度約為16 m，受人工建設活動影響，填土豎向差異較大，上部4 m深度范圍內含有大量孤石或碎石，4～6m深度范圍內為1.5～2.0 m厚的淤泥層，呈流塑狀。坑頂邊緣距離月馬路約6.2 m，其支護樁樁底已進入道路路基范圍，局部含有土工格柵；考慮月馬路交通荷載，在基坑邊緣2.6 m處施加寬度為15 m的均布荷載30 kPa。顯然，3d-3d區段為本基坑工程設計和施工的重點區段。該區段整體長178.2 m,3d-3d區段長42.1 m,分析表明，該支護段不利位置樁頂冠梁提供的側向水平支撐剛度為0.016 MN/m，可忽略不計，偏安全，該區段可簡化為如圖2所示的平面結構進行分析。基坑分步開挖、分步支護，根據施工實際過程，基坑開挖由表1所示5個工況組成。

圖2 基坑支護設計

工況1上部4.0 m放坡開挖,坡度系數為1.2工況2土體開挖至4.7 m標高,添加第一排預應力錨索工況3土方開挖至8.2 m處工況4土體開挖至8.2 m標高,添加第二排預應力錨索工況5土方開挖至坑底9.6 m

3 理正深基坑軟件計算分析

根據地勘報告，3d-3d區段各土(巖)層的分布情況及其主要物理力學參數指標如表2。

表2 各土(巖)層主要物理力學參數指標一覽

由理正深基坑支護軟件得到的工況5結果如圖3所示，支護樁樁身向坑內最大位移為21.34 mm，樁身最大彎矩標準值(以下未注均為標準值)為598.04 kN·m，均發生在基坑坑底平面處，也接近支護樁的中部。坑頂存在4 m高度的放坡后，在本區段剖面支護布置情況下，錨索計算最大內力標準值為第一道的381.71 kN[2]，且計算所得兩道錨索的內力差值不足5 %，較為均勻，表明本區段的支護設計較為合理。

圖3 開挖至坑底時計算結果

圖4為支護結構在各工況下的位移分布圖。由圖中可知工況1下，支護樁樁身位移最大值為樁頂處的2.87 mm，其變形形態類同于受荷較小的全埋抗滑樁；在工況2下，錨索預加力的作用使樁頂位移由坑內轉向坑外，坑內最大位移為樁頂下約11.0 m處的2.74 mm；在工況3下，支護樁最大位移為樁頂下約8 m處的15.40 mm；在工況4，樁身最大位移為樁身長度9 m處的12.45 mm；在工況5，樁身最大位移為樁頂下約10 m處(與基坑底面標高基本一致)的21.34 mm。由此可見，隨基坑開挖深度的增加，盡管樁身最大位移點的位置不同，但數值在總體上是逐步增加的，張拉錨索會使同等情況下的樁身最大位移有所減小，對于本工程，開挖至坑底后，可認為最大位移點發生在坑底標高處。

圖4 樁身水平位移隨深度變化

4 有限元軟件Midas/Gts計算分析

4.1 分析模型

采用有限元Midas/Gts對3d-3d區段建立二維平面應變模型，進行復核計算。為簡化分析，按常規根據地勘資料將地層簡化為豎向分層、水平各向同性的成層地基，模型尺寸充分考慮基坑開挖的影響深度為開挖深度的2～4倍、影響寬度為深度的3～4倍的因素。荷載分布和取值與理正軟件分析中的相同。土體采用實體單元，網格單元為1 m×1 m×1 m六面體單元，冠梁、腰梁及支護樁均為梁單元，采用植入式桁架單元模擬土釘、錨索，分析中，土的本構關系為莫爾-庫倫理想彈塑性模型。具體有限元模型如圖5所示[3]。

圖5 有限元分析模型

4.2 計算參數

土體Mohr-Coulomb的本構模型在巖土工程數值模擬中的應用較為成熟，需要用到的主要參數有土體的黏聚力、內摩擦角、重度、泊松比及彈性模量，前三者可由地勘報告獲取，泊松比可根據相關經驗來取值，彈性模量的計算取值較為復雜，且該值直接影響著有限元分析準確性。在數值模擬中，存在兩方面的問題：(1)勘察報告一般只提供土體的壓縮模量參數，彈性模量需根據彈性力學理論換算得到；(2)Midas/Gts的工程實踐表明，直接采用換算所得彈性模量進行模擬分析，所得計算位移遠遠大于實際觀測值。在Midas/Gts的工程實踐中，一般根據經驗將彈性模量取為壓縮模量的2～5倍，具體數值帶有強烈的主觀性，缺乏理論依據，目前，尚無一個為大家所認可的取值方法。

事實上，基坑變形也可理解為特殊荷載情況下的地基變形問題，眾所周知，在現行地基基礎規范的分層總和法計算地基變形中，理論壓縮計算結果均需引入沉降經驗系數進行修正方可得到反映實際情況的長期荷載作用下的沉降。基坑變形可以認為是短期荷載作用下產生的地基變形問題。據此，在Midas/Gts分析中，若要得到反映實際的位移變形模擬結果，必須對地勘報告給出的壓縮模量進行調整。

筆者認為，可通過沉降經驗系數ψS將壓縮模量ES換算得到有限元計算所需要的彈性模量Ej。根據 《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)：一般多層建筑物在施工期間完成的沉降量，對于碎石或沙土可認為其最終沉降量已完成80 %以上，對于其他低壓縮性土可認為已完成最終沉降量的50 %～80 %，對于中壓縮性土可認為已完成20 %～50 %，對于高壓縮性土可認為已完成5 %～20 %[4]。基坑工程的使用期限一般為2年，又受到土質情況及周邊環境等因數的影響，在實際開挖期間，土體并不能達到其最終沉降量，因此在對沉降經驗系數ψs取值時應當有所保留，本文采用折減系數α來考慮荷載作用時間的影響，該折減系數可認為是2年內地基變形量占荷載長期作用下總變形量的百分比，其值按上述原則結合土體實際情況確定。綜合考慮上述因素，筆者認為，計算彈性模量可按式(1)確定：

Ej=ES/(ψs×α)

(1)

式中：ψs為沉降經驗系數，可根據各土層在自重應力區段的壓縮模量，查《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)表5.3.5得到。

按上述原則，可確定本工程各土層的計算彈性模量如表3所示。

4.3 有限元分析結果

圖6為通過Midas/Gts分析得到的水平位移分布圖。從圖中可知3d-3d支護段，當開挖至坑底時，計算所得樁身最大水平位移值為14.75 mm，發生在支護樁靠近基坑坑底的位置，與根據測斜觀測得到的13.80 mm較為一致。

圖6 支護結構模型

圖7為基坑地表沉降圖，從圖中可看出，基坑最大豎向位移發生在坑底，其最大隆起量為32.74 mm，與實際開挖情況較為符合。同時坑頂處隨著與基坑邊線距離增大，其后方的沉降逐漸增大，尤其在堆載位置，沉降達到最大值13.70 mm，與實際監測值15.64 mm亦較為接近。對于本工程，當距坑邊的距離增大到坑深的3倍后，地表沉降主要由地面荷載引起，與基坑開挖無直接的聯系。

表3 各土層計算彈性模量取值的確定一覽表

圖7 基坑地表沉降

4.4 實際監測情況

圖8反映了Midas/Gts分析結果與實際監測值得對比情況，從圖中可以看出在基坑上部5 m,有限元模擬結果比實際監測結果偏小3～6 mm，出現這種情況的原因可能是上部素填土含有大量碎石塊，土體并不連續。自5 m以下，分析結果與實際監測結果較為接近，能夠較好地反映出土體的位移。由表4可得出樁頂B處位移模擬值與實際值較為接近，而坡頂處A點的位移模擬值與圖8中的上部位移一樣，均與實測值相差較大，結果表明，Midas/Gts模擬對樁錨支護段可以得到較為準確的結果，而對上部受外環境影響較大、土體可能不連續的放坡段，計算數值偏小，且誤差較大。

表4 坡頂位移計算值與實測值 mm

圖8 開挖至坑底基坑水平位移分布

5 結論

針對該基坑工程的支護設計，采用有限元軟件Midas/Gts分析，可得出以下結論：

(1)采用本文所述方法確定的土體計算彈性模量，在Midas/Gts中可以得到與工程實際監測結果較為接近的數值模

擬結果。所述計算彈性模量的取值方法，可供工程實踐參考。

(2)在基坑開挖過程中，樁錨支護樁樁身的最大位移點是變化的，對于本工程而言，開挖至坑底后，最大變形點位移坑底標高附近。

(3)對土體連續的樁錨支護段，Midas/Gts可以給出較為滿意的模擬結果；但對于受外界環境影響較大、且土體不連續的上部放坡段，數值模擬結果偏小，且誤差較大。

(4)錨索張拉，均可使樁身位移較相同情況下的樁身最大水平位移減小，故在錨索可靠的情況下，補張拉或超張拉均可提高支護結構的剛度。

[1] 劉建航,候學淵.基坑工程手冊[M].北京: 中國建筑工業出版社,1997

[2] 劉志宏,張瑞華.環形結構支撐體系在基坑工程中的應用[J].建筑結構，2012，(6)

[3] 涂飛,蕫志良,鮑樹峰.新建貴廣鐵路佛山隧道基坑超挖施工數值模擬分析[J].路基工程，2012，(1):45-50

[4] GB 50007-2011建筑地基基礎設計規范[S]