厚沖積黏性土層基坑支護結構力學行為研究*

高 鑫 王文娟 李清菲 王渭明

(1. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道設計分公司， 300308, 天津;2. 山東科技大學土木工程與建筑學院， 266590, 青島//第一作者,工程師)

目前，國內諸多學者已對深基坑工程在施工過程中的變形特征和力學特性進行了研究，并取得了豐碩的成果。文獻[1-3]通過深入剖析不同基坑事故，對現有深基坑支護結構的不足進行了論述；文獻[5-7]總結了不同工程案例所采用的支護結構，并通過數值模擬對不同工況下由深基坑開挖引起的土體和結構的變形特征和力學特性進行了詳細分析，合理預測了結構在施工過程中的變形，為現場施工提供了有利指導。文獻[8-9]基于深基坑開挖引起的施工變形，研究了建筑物力學特性的變化特征，并提出了相關建筑物基礎托換和加固理論，有效避免了深基坑開挖對建筑結構的影響；文獻[10-11]進行了深基坑開挖風險分析，提出了相關風險管理體系，對施工過程中的變形進行了預測和變形控制，并結合相關工程進行了探討和應用。

本文以濟南市某大型深基坑工程為背景，分析了厚沖積地層大型深基坑建設過程中的支護結構的力學行為和變形特性，對比分析了數值模擬與現場測試結果，揭示了地表沉降、圍護樁變形以及錨索軸力變化規律。其結論可為今后同類工程的設計、施工提供理論依據和技術支持。

1 工程概況

濟南市某深基坑支護結構如圖1所示。由圖1可知，基坑上部采用1∶3放坡開挖，邊坡采用3道土釘墻支護(重要等級為一級)；基坑下部采用樁錨支護結構，其中樁結構采用長23 m，φ800 mm@3 m的鉆孔灌注樁，在標高為-7.5 m樁頂處設置800 mm×1 000 mm的冠梁，下部基坑分別在-12.0 m、-16.0 m處設置2[28a型槽鋼做腰梁；3道錨索均采用4根7φ15.24 mm高強度低松弛鋼絞線，自上而下分別設置在冠梁和兩道腰梁上，其長度分別為25 m、30 m和25 m，其中錨固段長度分別為16 m、21 m和20 m，自由段長度分別為9 m、7 m和5 m，設計預應力值依次為150 kN、200 kN和180 kN，灌漿采用C20水泥砂漿；墊板采用20 mm×240 mm×240 mm的鋼板，鎖具采用M15-9圓塔形多孔翻錨及配套夾片；采用后張法施工。

相關文獻資料規定：地表控制沉降要求為30 mm以內；最大樁身水平位移傾斜度為3‰；錨索最大可損失軸力應能確保錨索設計預應力值控制在設計水平以上。

2 多支撐支護樁力學行為分析

根據相關力學知識，通過理正深基坑軟件將錨索支撐簡化為內支撐力，即將圍護樁結構與圍巖之間的相互作用由地彈簧來代替，其中坑底以上為受壓地彈簧，坑底以下為受拉、受壓地彈簧。簡化計算模型及其受力特征如圖2所示。

計算中，采取等彎矩、等反力原則對深基坑支撐進行布置。在3道錨索支撐作用下，樁錨支護結構體系力學行為特征與地表沉降曲線如圖3～4所示。

a) 圍護樁簡化模型b) 圍護樁計算模型

注：σ1為圍護樁樁頂所受主動土壓力，σ2為圍護樁樁底所受主動土壓力，σp為圍護樁樁底所受被動土壓力，Ra為基坑3道錨索錨固力水平分力，h為基坑深度，ho為圍護樁插入深度，γ為首層土的重度，Ka為地層的主動土壓力系數，Kp為地層的被動土壓力系數，H為基坑周邊超載折算土柱厚度，地彈簧參數則根據地勘參數計算系數取值，A、B、D分別為圍護樁樁頂、樁底及基坑底部位置

圖2 深基坑樁錨支護體系力學計算模型

a) 水平位移

b) 彎矩c) 剪力

圖3 圍護樁力學行為特征圖

圖4 樁錨支護結構地表沉降曲線

3 數值模擬

3.1 計算模型建立

采用FLAC3D有限差分軟件對基坑開挖過程中支護結構的力學響應進行動態模擬。該數值模擬中，圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。根據基坑開挖影響范圍，選取計算模型尺寸為100.0 m(長)×50.0 m(寬)×79.5 m(高)(見圖5)。模型中，左右邊界距基坑外側大于3H(H為開挖深度)，下邊界距坑底距離大于3H。采用位移邊界條件，上邊界為自由約束，下邊界為豎向約束，四周為水平約束。混凝土噴層采用shell結構單元，樁體采用pile結構單元，錨索和土釘支護采用cable結構單元。荷載主要包括水土壓力、地面超載(取20 kN)。材料參數取值如表1～2所示。

圖5 三維計算模型

材料彈性模量/MPa截面積/mm2預應力初值/kN錨索12.0×105516150錨索22.0×105516200錨索32.0×105516180

表2 模型材料力學參數表

3.2 基坑施工模擬順序

根據基坑原設計方案，設計模擬步驟如下：

第一步：定義材料參數，待自重應力平衡后，對豎向位移和水平位移、豎向和水平向移動速度、初始狀態塑性區進行清零。

第二步：首先進行放坡開挖模擬，并施作3道土釘墻支護，長度分別為6.0 m、9.0 m、6.0 m；然后對坡面進行混凝土噴層施工。

第三步：在設計指定位置進行鉆孔灌注樁及冠梁結構的施工，并在冠梁位置處打設第一道錨索。錨索長25.0 m，其錨固段長16.0 m，自由段長9.0 m。

第四步：對直墻段進行第一步開挖；依照設計指定要求，繼續開挖基坑至-12.0 m，并及時施作環向腰梁和第二道錨索，第二道錨索長30.0 m，其錨固段長21.0 m，自由段長9.0 m。

第五步：對直墻段進行第二步開挖；依照設計指定要求，繼續開挖基坑至-16.0 m，并及時施作環向腰梁和第三道錨索。第三道錨索長25.0 m，其錨固段長20.0 m，自由段長5.0 m。

第六步：對直墻段進行第三步開挖，依照設計要求，繼續開挖基坑至-19.5 m，并進行坑底相關施工作業。

將上述基坑施工步驟概括為：

(1) 第一階段：放坡開挖并進行土釘墻支護，對鉆孔灌注樁、冠梁以及第一道錨索進行施工；

(2) 第二階段：開挖基坑至-12.0 m(樁錨第一層開挖)，及時進行第二道錨索施工；

(3) 第三階段：開挖基坑至-16.0 m，并及時施作第三道錨索；

(4) 第四階段：繼續開挖基坑至-19.5 m，并進行基坑封底工作。

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 地表沉降特性分析

由樁錨支護體系深基坑開挖引起的地表沉降如圖6所示，由圖6可知：

(1) 地表沉降大致符合拋物線趨勢，最大沉降并未處于基坑邊緣，而是距離基坑邊緣3.0m處范圍。

(2) 不同開挖階段，地表沉降量不斷增加，由7.60 mm逐步增加至12.65 mm、27.25 mm、35.20 mm，最大沉降量位置差異性不明顯。

(3) 不同開挖階段對地表沉降貢獻率不同，第一階段至第四階段由土體卸載引起的最大豎向變形貢獻率分別為21.59%、14.34%、41.47%和22.58%。第三階段開挖對豎向變形貢獻率最大，該階段施工易導致工程災害的發生。因此在該階段施工時，應對其變形進行動態監測，增加支護剛度和支護密度，當變形突變時，應立刻停止施工，確保施工安全。

圖6 樁錨支護體系深基坑開挖地表沉降圖

為清晰掌握基坑開挖過程中豎向變形特征變化規律，將開挖過程中不同施工階段的地表沉降監測數據進行統計并匯總于表3中。

表3 基坑開挖不同階段對地表沉降的貢獻率

3.3.2 圍護樁變形特征分析

基坑開挖過程中圍護樁結構水平變形如圖7所示，由圖7可知：

(1) 樁基水平變形大致呈懸臂式加拋物線式組合形態；樁基整體向坑內突起，累計水平位移最大值發生在第二道至第三道錨索安裝位置。

(2) 不同基坑開挖階段，圍護樁水平變形趨勢以及最大水平變形位置差異性明顯，這是由于不同開挖階段，土體卸載作用模式不同，以及開挖對圍護樁變形特征影響也不盡相同造成的。

(3) 不同開挖階段，圍護樁最大水平變形量由2.46 mm逐步增至12.45 mm、26.36 mm和36.58 mm；相應位置的絕對坐標也由-7.50 m逐步向下移動至-10.00 m、-15.0 m和-15.5 m。

(4) 不同開挖階段，土體卸載對圍護樁變形貢獻率不同，第一至第四階段對圍護樁水平變形貢獻率分別為6.72%、27.31%、38.03%和27.94%；在現場施工中，應對第三階段施工過程中圍護樁變形進行動態監測，以期準確掌握圍護樁變形特征。

圖7 樁基水平位移變化規律

將基坑不同開挖階段引起的樁基水平位移監測數據進行統計并匯總于表4中。

表4 樁基水平位移變化規律

3.3.3 錨索軸力測試

為掌握巖土體蠕變變形對錨索預應力損失的貢獻率，本文制定了錨索軸力監測專項方案，對張拉后試驗錨索的錨固力進行了為期60 d的測試，以期準確掌握3道錨索預應力損失變化規律，如圖8所示。研究發現：經典的廣義Kelvin(開爾文)蠕變計算模型可較好地反映錨索預應力損失的變化趨勢；依據工程經驗，并結合理論分析可知，當3道錨索的超張拉率分別為33%、30%和31%時，錨索長期預應力可維持在設計值150 kN、200 kN和180kN，監測方案保證了錨固效果的安全可靠；當錨索張拉60 d后，錨固力基本保持在設計值附近不變，因為低拉應力作用下，蠕變變形在第20天時已完成80%，在歷時60 d時，蠕變變形已基本完成，后期引起的蠕變損失可忽略不計。

圖8 錨索預應力損失特征

由Origin擬合結果可知，3道錨索預應力變化規律均可由式(1)表示，將擬合數據進行匯總于表5中。

y=y0+ae-x/b

(1)

式中：

y—— 錨索預應力；

y0、a、b—— 與錨索回彈模量、黏性模數以及初始張拉應力相關的參數；

x—— 時間。

表5 錨索預應力數據擬合參數匯總表

4 結 語

以濟南市某大型深基坑工程為案例，對其采用的樁錨支護結構體系中的圍護樁、錨索預應力進行了靜力分析，結論如下：

(1) 由理正深基坑軟件計算得到圍護樁水平位移、彎矩和剪力最大值分別為-42.44 mm、999.37 kN·m和508.56 kN，3道錨索軸力最大值分別為125.3 kN、185.3 kN和155.3 kN。

(2) 由FLAC3D軟件模擬求得基坑地表沉降、圍護樁水平位移和錨索軸力分別為35.4 mm、37.6 mm、148 kN(202 kN、186 kN)；地表最大沉降發生在距基坑邊緣7 m位置，最小錨索軸力發生在距圍護樁頂10 m位置，兩者均出現在錨索張拉鎖定20 d后。

(3) 對比FLAC3D數值模擬與結構計算結果可知：數值模擬可正確描述支護結構變形趨勢，亦可大致描述結構真實受力情況，其最大誤差可控制在20%以內。經分析，該誤差主要是由于數值模型不能準確地反映場地歷史活動、建設過程中環境變化(降雨、坑邊超載及堆載等)以及施工誤差等因素造成的。因此在施工過程中應加強基坑變形的監控量測，并通過實測數據指導施工，確保建設期間基坑的穩定性。