深基坑半剛性半柔性支護結(jié)構(gòu)及力學特性分析

賈金青，林青坤，陳湘生，楊 慶，張麗華

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點試驗室， 遼寧 大連 116024；2.深圳大學 土木與交通工程學院， 廣東 深圳 518000)

近年來，我國城市建設(shè)發(fā)展迅速，高層建筑越來越多，城市用地越來越緊張，基坑工程往往處于房屋和生命線工程的密集地區(qū)，深基坑工程的數(shù)量也逐年上升，深基坑的規(guī)模、深度和施工難度也越來越高[1]。特別是在舊城區(qū)中，深基坑鄰近舊建筑或古建筑的情況，基坑開挖將對老舊建筑產(chǎn)生非常嚴重的影響，如下沉、開裂、甚至倒塌等。

在中心城市區(qū)域復雜的建筑施工環(huán)境下，為了有效地控制基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形，防止建筑物及管線破壞，通常采用傳統(tǒng)的樁錨剛性支護結(jié)構(gòu)。然而，樁錨剛性支護結(jié)構(gòu)工期長、造價高，并且在施工過程中大型施工機械的使用不可避免的會對周圍的地下生命管線及周邊建筑物產(chǎn)生擾動，甚至還有可能引起破壞；另一方面，由于施工場地狹窄，大型施工機械甚至無法進場施工。

而傳統(tǒng)的包括土釘、復合土釘及預應(yīng)力錨桿柔性支護結(jié)構(gòu)在內(nèi)的柔性支護結(jié)構(gòu)雖然施工便捷，但由于先開挖再支護，產(chǎn)生的臨空面不利于基坑的局部穩(wěn)定性，導致無法對基坑的水平位移及沉降進行有效的控制；此外，當柔性支護用于深基坑支護時，基坑的水平位移及沉降控制更是目前仍沒有突破的技術(shù)難點。

基于上述施工環(huán)境，對基坑支護的要求是：位移要求嚴格、不允許大型設(shè)備造成施工擾動。提出深基坑半剛性半柔性支護結(jié)構(gòu)及方法[2]，結(jié)合剛性支護和柔性支護，利用現(xiàn)有兩種技術(shù)的優(yōu)點，如穩(wěn)定性好、施工便捷、造價低廉，與單純的錨桿或土釘支護相比，可以適用于較深的深基坑。而且施工時使用小型機械設(shè)備，震動小、對周邊環(huán)境影響小、施工后基坑周邊地面沉降較小、對周邊老舊建筑物或古建筑的影響小。

深基坑半剛性半柔性支護結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于大連遠洋大廈東側(cè)的基坑支護中，但對其工作機理和設(shè)計方法的研究仍不夠深入。本文通過數(shù)值模型實驗的方法對該支護結(jié)構(gòu)的力學特性進行了分析研究。并與預應(yīng)力錨桿柔性支護及傳統(tǒng)樁錨支護進行對比。

1 概 述

深基坑半剛性半柔性支護是一種應(yīng)用于支護巖質(zhì)深基坑新型支護方法。該支護方法主要由勁性樁、噴射混凝土、預應(yīng)力錨桿及腰梁四部分組成。

(1) 勁性樁由工字鋼和砂漿或細石混凝土組成，采用機械鉆孔，孔中放入工字鋼，工字鋼翼緣面向基坑，然后向孔中灌漿，形成勁性樁成，勁性樁孔深至少為基坑深度與三倍勁性樁直徑的和。

(2) 預應(yīng)力錨桿采用梅花狀排列或矩形排列，錨桿之間的水平間距和垂直間距均為1.5 m～2.0 m，錨桿的桿體采用鋼絞線或鋼筋，分為自由段和錨固段，錨桿自由段部分纏塑料布或套塑料套管，使錨桿的桿體與水泥砂漿分離。

(3) 腰梁包括橫向延伸的兩根相對設(shè)置的槽鋼，綴板將兩根槽鋼連接為整體，每根槽鋼翼緣之間設(shè)置的加勁肋。腰梁翼緣間噴滿混凝土，與錨桿支護結(jié)構(gòu)中的噴射混凝土凝固連為一體，這樣使錨桿的錨固力有效、連續(xù)均勻地傳遞至噴射混凝土面層和基坑側(cè)壁，并能保障基坑的整體穩(wěn)定有效。

施工過程中首先在基坑邊緣按預設(shè)位置鉆孔，灌注勁性樁，待勁性樁達到一定強度后進行第一步基坑開挖。

深基坑半剛性半柔性支護的構(gòu)造如圖1所示。

圖1深基坑半剛性半柔性支護示意圖

2 作用機理分析

2.1 預應(yīng)力錨桿柔性支護結(jié)構(gòu)

預應(yīng)力錨桿柔性支護結(jié)構(gòu)[3-5]是利用土體具有一定的整體性和自立高度，基坑采用邊開挖邊支護的施工方法，從施工程序上是先開挖，后支護，開挖時基坑土體處于臨空狀態(tài)，沒有任何支護，開挖荷載向上部及下部土體傳遞[4]。由于這種特別的施工方式，預應(yīng)力錨桿柔性支護不需要嵌固深度，每一步開挖土體都有較大程度的應(yīng)力釋放，因此基坑變形較大，且呈現(xiàn)基坑頂部水平位移最大，沿深度方向水平位移逐漸減小底部水平位移接近零。阻擋基坑邊坡下滑的抗滑力主要來源于錨桿。該種支護方法適用于土層屬性較好的基坑支護，當基坑土質(zhì)較差不能形成一定自立面或有軟弱結(jié)構(gòu)不連續(xù)面的巖石或風化巖時，該方法不適用。

2.2 傳統(tǒng)樁錨支護

樁錨支護[6]由灌注樁、錨桿、腰梁及混凝土面層組成，支護從施工程序上是先施工灌注樁，再分層開挖，開挖時基坑有灌注樁支護土體。每一步的開挖深度較大，土體卸荷壓力由剛度較大的灌注樁承擔，灌注樁作為主要受力構(gòu)件，樁身彎矩較大，阻擋基坑邊坡下滑的抗滑力主要來源于錨桿所提供的錨固力和灌注樁嵌固段提供的阻滑力。

2.3 深基坑半剛性半柔性支護

在預應(yīng)力錨桿柔性支護基礎(chǔ)上，提出由工字鋼和混凝土注漿構(gòu)成的小尺寸勁性樁，結(jié)合預應(yīng)力錨桿的應(yīng)用，形成深基坑半剛性半柔性的支護結(jié)構(gòu)。支護從施工程序上是先施工勁性樁，再分層開挖，開挖時基坑有勁性樁支護土體。勁性樁在基坑開挖過程中，約束開挖土體的變形，將開挖步的土體卸荷壓力，傳遞至上層錨桿及下層未開挖土體，由于錨桿豎向間距為1.5 m～2.0 m，使得勁性樁的樁身彎矩很小。由于勁性樁嵌固段較淺，不能提供抗滑力，阻擋基坑邊坡下滑的抗滑力主要來源于錨桿。相較于柔性支護，勁性樁的設(shè)置可以一定程度約束支護面層的豎向位移，提高了各個錨桿與支護面層的協(xié)調(diào)工作性能，提高了支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)定

本文通過ABAQUS有限元軟件對深基坑半剛性半柔性支護的力學特性進行分析，并與預應(yīng)力錨桿柔性支護及樁錨支護進行了比較。

主要進行定性分析研究，其中巖土體采用三維實體單元(C3D8R)進行模擬，本構(gòu)模型選用莫爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型[7]，巖土體屈服破壞準則選用M-C準則，巖土體參數(shù)[8]如表1所示。為了減小邊界效應(yīng)對模型計算結(jié)果的影響，參考相關(guān)三維基坑模擬的尺寸選擇，計算模型尺寸取為60 m×46 m×1.6 m，基坑開挖深度為20 m，具體的尺寸示意圖如圖2所示[9-10]。

表1 基坑巖土體Mohr-Coulomb模型參數(shù)

分別采用三種支護方式進行設(shè)計計算分析，其中，半剛性半柔性支護，勁性樁直徑為240 mm，水平間距為0.8 m，錨桿水平間距均為1.6 m、豎向間距均為2 m，預應(yīng)力錨桿自由段長度及錨固段長度按規(guī)程要求計算[11]，預應(yīng)力錨桿設(shè)計長度見表2，初始預應(yīng)力值為62.5%Nk(錨桿軸向拉力標準值)。

圖2 基坑數(shù)值模擬尺寸(單位：mm)

預應(yīng)力錨桿柔性支護與半剛性半柔性支護采用完全相同預應(yīng)力錨桿設(shè)計方案，噴射混凝面層強度為C30，厚120 mm；樁錨支護，采用鋼筋混凝土灌注樁，直徑為0.8 m，嵌固深度為5 m，水平間距為1.6 m；采用3道錨桿支撐，水平間距均為1.6 m，豎向間距為5 m、5 m、5 m，預應(yīng)力錨桿設(shè)計長度見表3。

表3 樁錨支護中的預應(yīng)力錨桿長度

勁性樁及鋼筋混凝土灌注樁通過抗彎剛度等效為地下連續(xù)墻[12]，利用三維實體單元(C3D8R)來模擬，采用線彈性模型。預應(yīng)力錨桿采用三維桁架單元(T3D2)進行模擬。

3.2 數(shù)值模擬過程

土工結(jié)構(gòu)(包括基坑支護體系)的內(nèi)力及變形往往和其建造過程有密切關(guān)系，分析土工結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形時有必要模擬其建造過程[13-14]。本文在數(shù)值模擬分析過程中，嚴格模擬真實的施工過程。

半剛性半柔性支護及樁錨支護的模擬：先建立勁性樁再分層開挖、分層支護，整個模擬過程共分為21個工況，具體的施工順序為：geo：施加重力，地應(yīng)力平衡；zhuang：勁性樁施工；r1：開挖第一層土體；m1：第一排預應(yīng)力錨桿施工；r2：開挖第二層土體；m2：第二排預應(yīng)力錨桿施工：重復以上施工步驟直至最后一層開挖r10。預應(yīng)力錨桿柔性支護采用開挖一層支護一層的施工過程，geo：施加重力，地應(yīng)力平衡；r1：開挖第一層土體；m1：第一排預應(yīng)力錨桿及噴射混凝土面層施工；r2：開挖第二層土體；m2：第二排預應(yīng)力錨桿及噴射混凝土面層施工：重復以上施工步驟直至最后一層開挖r10。均采用降溫法對每一步施工的預應(yīng)力錨桿施加預應(yīng)力[15]。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.1 支護樁內(nèi)力分析

為了比較分析勁性樁在基坑支護中的作用機理同傳統(tǒng)樁錨支護的區(qū)別，對兩種支護樁內(nèi)力計算結(jié)果進行分析。

如圖3、圖4計算結(jié)果中，可見勁性樁所受最大正彎矩為11.63 kN·m，最大負彎矩為5.32 kN·m，發(fā)生在勁性樁底部；最大剪力為52.3 kN。灌注樁所受最大正彎矩為64.84 kN·m，最大負彎矩為112.90 kN·m，發(fā)生在灌注樁底部、基坑開挖面以下；最大剪力為246 kN。前者所承受最大彎矩約是后者的10%，最大剪力約是后者的21%。因此樁錨支護中灌注樁作為主要受力構(gòu)件承受較大的彎矩及剪力，而半剛性半柔性支護中的勁性樁，由于錨桿間距較小，勁性樁所承受的彎矩及剪力較小，通常按構(gòu)造要求設(shè)計即可滿足強度要求。

圖3樁身彎矩計算結(jié)果

4.2 基坑變形分析

(1) 與預應(yīng)力錨桿柔性支護的比較。半剛性半柔性支護與預應(yīng)力錨桿柔性支護在開挖至基坑底部后基坑側(cè)壁水平位移及基坑外側(cè)地表沉降圖分別如圖5、圖6所示。

圖4 樁身剪力計算結(jié)果

圖5 基坑側(cè)壁水平位移

圖6基坑外側(cè)地表沉降

由圖5可見，預應(yīng)力錨桿柔性支護，基坑頂部變形值較大為12.97 mm，基坑側(cè)壁最大位移發(fā)生在基坑下部10.5 m位置處，大小為18.42 mm，基坑底部水平位移為2.73 mm。半剛性半柔性支護較預應(yīng)力錨桿柔性支護，基坑的水平位移至顯著減小，對基坑上部土體的變形控制較好，基坑側(cè)壁變形分布更加均勻，基坑頂部水平位移值為6.87 mm，較同等條件下預應(yīng)力錨桿柔性支護的變形減小6.10 mm，基坑側(cè)壁最大位移發(fā)生在基坑下部17 m位置處，大小為12.70 mm，較預應(yīng)力錨桿柔性支護的變形減小5.72 mm，基坑底部水平位移為3.06 mm，較預應(yīng)力錨桿柔性支護的變形增大0.33 mm，基坑底部的位移值相差不大。

由圖6可見，預應(yīng)力錨桿柔性支護，基坑外側(cè)地表沉降呈“湯勺”形分步，基坑側(cè)壁的沉降值為9.50 mm，坑后地表最大沉降量為11.47 mm，位于坑后6 m位置處，向基坑外側(cè)逐漸減小，距坑壁20.32 m位置處沉降量為零。半剛性半柔性支護，基坑外側(cè)地表沉降呈“碗”形分步，基坑側(cè)壁的沉降值為2.32 mm，坑后地表最大沉降量為4.49 mm，位于坑后7.9 m位置處，向基坑外側(cè)逐漸減小，距坑壁22.31 m位置處沉降量為零。半剛性半柔性支護較預應(yīng)力錨桿柔性支護基坑后側(cè)的地表沉降顯著降低，說明勁性樁能夠約束坑后巖土體的變形，并提供支撐作用。

(2) 與樁錨支護的比較。半剛性半柔性支護與樁錨支護在開挖至基坑底部后基坑側(cè)壁水平位移及基坑外側(cè)地表沉降圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 基坑側(cè)壁水平位移

圖8基坑外側(cè)地表沉降

由圖7可見，半剛性半柔性支護和樁錨支護基坑側(cè)壁水平位移的變形形態(tài)相近，均呈現(xiàn)‘鼓肚形’，相同工況下，與樁錨支護相比，半剛性半柔性支護基坑側(cè)壁水平位移較大，最大水平位移發(fā)生位置下移。樁錨支護中由于灌注樁嵌固深度較大，基坑內(nèi)側(cè)開挖面以下土體仍承擔較大荷載，造成基坑開挖面以下土體水平位移較半剛性半柔性支護大。兩者的基坑變形均在較小的范圍內(nèi)，均滿足規(guī)范要求。

由圖8可見，相同工況下，與樁錨支護相比，半剛性半柔性支護基坑外側(cè)土體地表沉降較大，且變形較大的區(qū)域范圍也較大，但最大沉降值均較小，均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

深基坑半剛性半柔性支護已經(jīng)成功應(yīng)用于工程實例當中，本文對深基坑半剛性半柔性支護基本組成進行了詳細介紹，結(jié)合有限元軟件對其受力特性進行模擬分析，并與預應(yīng)力錨桿柔性支護及樁錨支護作對比，得出如下結(jié)論：

(1) 半剛性半柔性支護中勁性樁的樁身內(nèi)力很小，其彎矩值約是樁錨支護中灌注樁的10%，剪力值約是樁錨支護中灌注樁的21%，因此勁性樁不需要較大尺寸就能夠滿足強度要求。

(2) 勁性樁超前支護的提出有效地避免了柔性支護基坑開挖過程中臨空面的產(chǎn)生及柔性支護基坑變形先于支護的特點。與預應(yīng)力錨桿柔性支護相比，能夠顯著減小基坑側(cè)壁的水平位移和基坑外側(cè)地表沉降。

(3) 與樁錨支護相比，支護結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)相近，基坑側(cè)壁最大水平位移發(fā)生位置下移，最大水平位移值及最大地表沉降值均較小，均能滿足規(guī)范要求。