某基坑典型樁錨支護(hù)段的設(shè)計研究

吳少波,秦 云,2,卓宏博

(1．云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院,云南昆明650091；2.昆明市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，云南昆明650041)

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，基坑的面積和開挖深度越來越大，因此，傳統(tǒng)基坑支護(hù)方式面臨深度與廣度的挑戰(zhàn)[1]。近年來，昆明城市建設(shè)發(fā)展迅速，深基坑工程大量涌現(xiàn)。眾所周知，地處高原的昆明是典型的地質(zhì)博物館，地形地貌復(fù)雜多變,導(dǎo)致基坑工程在設(shè)計和施工中面臨多方困難，工程事故偶有發(fā)生。本文以昆明某高層建筑深基坑支護(hù)項目為例，選取典型性支護(hù)剖面，在理正深基坑工程軟件分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用Midas/Gts軟件建立相應(yīng)的有限元分析模型，將理論分析結(jié)果與現(xiàn)場實測相對照，結(jié)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(shù)后，Midas/Gts的結(jié)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(qū)大漁鄉(xiāng)片區(qū)，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(guī)劃的8號路。受人工建設(shè)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(zhì)勘察報告揭露該基坑整體土質(zhì)情況較差。基坑周長約為567 m，設(shè)二層整體地下室，開挖深度約為9.6 m。基坑周邊環(huán)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(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下大直徑?jīng)_孔嵌巖端承樁，南部擬建規(guī)劃路尚未建設(shè)，在本工程建設(shè)期間亦不會開工建設(shè)。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

2 方案設(shè)計

本基坑周邊環(huán)境較為一般，但最大開挖深度達(dá)9.6 m，依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)，基坑安全等級按照二級選取，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.0。基坑開挖過程中，基坑坡頂4 m范圍內(nèi)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(yīng)不大于20 kN/m2。經(jīng)安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行對比后，總體支護(hù)方案為：(1)在東南方向，采取“放坡+土釘+掛網(wǎng)噴混凝土”的方案；(2)在其它三個方向，采取頂部適當(dāng)“放坡+土釘、下部樁錨支護(hù)”的方案。

基坑專項勘察地勘報告顯示，基坑3d-3d區(qū)段的填土最大厚度約為16 m，受人工建設(shè)活動影響，填土豎向差異較大，上部4 m深度范圍內(nèi)含有大量孤石或碎石，4～6m深度范圍內(nèi)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(hù)樁樁底已進(jìn)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(qū)段為本基坑工程設(shè)計和施工的重點區(qū)段。該區(qū)段整體長178.2 m,3d-3d區(qū)段長42.1 m,分析表明，該支護(hù)段不利位置樁頂冠梁提供的側(cè)向水平支撐剛度為0.016 MN/m，可忽略不計，偏安全，該區(qū)段可簡化為如圖2所示的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。基坑分步開挖、分步支護(hù)，根據(jù)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(hù)設(shè)計

工況1上部4.0 m放坡開挖,坡度系數(shù)為1.2工況2土體開挖至4.7 m標(biāo)高,添加第一排預(yù)應(yīng)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(biāo)高,添加第二排預(yù)應(yīng)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(jù)地勘報告，3d-3d區(qū)段各土(巖)層的分布情況及其主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表2。

表2 各土(巖)層主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)一覽

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

圖3 開挖至坑底時計算結(jié)果

圖4為支護(hù)結(jié)構(gòu)在各工況下的位移分布圖。由圖中可知工況1下，支護(hù)樁樁身位移最大值為樁頂處的2.87 mm，其變形形態(tài)類同于受荷較小的全埋抗滑樁；在工況2下，錨索預(yù)加力的作用使樁頂位移由坑內(nèi)轉(zhuǎn)向坑外，坑內(nèi)最大位移為樁頂下約11.0 m處的2.74 mm；在工況3下，支護(hù)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(biāo)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(shù)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(rèn)為最大位移點發(fā)生在坑底標(biāo)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(qū)段建立二維平面應(yīng)變模型，進(jìn)行復(fù)核計算。為簡化分析，按常規(guī)根據(jù)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(wǎng)格單元為1 m×1 m×1 m六面體單元，冠梁、腰梁及支護(hù)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(gòu)關(guān)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(shù)

土體Mohr-Coulomb的本構(gòu)模型在巖土工程數(shù)值模擬中的應(yīng)用較為成熟，需要用到的主要參數(shù)有土體的黏聚力、內(nèi)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(jù)相關(guān)經(jīng)驗來取值，彈性模量的計算取值較為復(fù)雜，且該值直接影響著有限元分析準(zhǔn)確性。在數(shù)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(shù)，彈性模量需根據(jù)彈性力學(xué)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(jìn)行模擬分析，所得計算位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際觀測值。在Midas/Gts的工程實踐中，一般根據(jù)經(jīng)驗將彈性模量取為壓縮模量的2～5倍，具體數(shù)值帶有強(qiáng)烈的主觀性，缺乏理論依據(jù)，目前，尚無一個為大家所認(rèn)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(xiàn)行地基基礎(chǔ)規(guī)范的分層總和法計算地基變形中，理論壓縮計算結(jié)果均需引入沉降經(jīng)驗系數(shù)進(jìn)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(rèn)為是短期荷載作用下產(chǎn)生的地基變形問題。據(jù)此，在Midas/Gts分析中，若要得到反映實際的位移變形模擬結(jié)果，必須對地勘報告給出的壓縮模量進(jìn)行調(diào)整。

筆者認(rèn)為，可通過沉降經(jīng)驗系數(shù)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(jù) 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)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(rèn)為其最終沉降量已完成80 %以上，對于其他低壓縮性土可認(rèn)為已完成最終沉降量的50 %～80 %，對于中壓縮性土可認(rèn)為已完成20 %～50 %，對于高壓縮性土可認(rèn)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(zhì)情況及周邊環(huán)境等因數(shù)的影響，在實際開挖期間，土體并不能達(dá)到其最終沉降量，因此在對沉降經(jīng)驗系數(shù)ψs取值時應(yīng)當(dāng)有所保留，本文采用折減系數(shù)α來考慮荷載作用時間的影響，該折減系數(shù)可認(rèn)為是2年內(nèi)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(jié)合土體實際情況確定。綜合考慮上述因素，筆者認(rèn)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(jīng)驗系數(shù)，可根據(jù)各土層在自重應(yīng)力區(qū)段的壓縮模量，查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)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(jié)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(hù)段，當(dāng)開挖至坑底時，計算所得樁身最大水平位移值為14.75 mm，發(fā)生在支護(hù)樁靠近基坑坑底的位置，與根據(jù)測斜觀測得到的13.80 mm較為一致。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)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(fā)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(dá)到最大值13.70 mm，與實際監(jiān)測值15.64 mm亦較為接近。對于本工程，當(dāng)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(lián)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(jiān)測情況

圖8反映了Midas/Gts分析結(jié)果與實際監(jiān)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(jié)果比實際監(jiān)測結(jié)果偏小3～6 mm，出現(xiàn)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(xù)。自5 m以下，分析結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)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(jié)果表明，Midas/Gts模擬對樁錨支護(hù)段可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，而對上部受外環(huán)境影響較大、土體可能不連續(xù)的放坡段，計算數(shù)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(jié)論

針對該基坑工程的支護(hù)設(shè)計，采用有限元軟件Midas/Gts分析，可得出以下結(jié)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(jiān)測結(jié)果較為接近的數(shù)值模

擬結(jié)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(hù)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(biāo)高附近。

(3)對土體連續(xù)的樁錨支護(hù)段，Midas/Gts可以給出較為滿意的模擬結(jié)果；但對于受外界環(huán)境影響較大、且土體不連續(xù)的上部放坡段，數(shù)值模擬結(jié)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(bǔ)張拉或超張拉均可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度。

[1] 劉建航,候?qū)W淵.基坑工程手冊[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1997

[2] 劉志宏,張瑞華.環(huán)形結(jié)構(gòu)支撐體系在基坑工程中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，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(shù)值模擬分析[J].路基工程，2012，(1):45-50

[4] GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]