深基坑新型支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制的設(shè)計(jì)方案

蔡圳維 王維玉 王海龍

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，城市土地緊缺與土地?cái)U(kuò)大需求的矛盾也隨之越來越大.于是人們?yōu)榱藢で蟾蟮目臻g，建設(shè)施工逐步從地面轉(zhuǎn)入地下，地下空間工程向著規(guī)模大、開挖深度深、地質(zhì)條件復(fù)雜的方向發(fā)展.同時(shí)，在國家提倡環(huán)保、節(jié)能的口號(hào)下，綠色建設(shè)施工已是重中之重[1].因此，在確保基坑安全穩(wěn)定的前提條件下，綠色節(jié)能施工已然成為了討論的主要話題.

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)較常見的一種深基坑支護(hù)形式，由于其控制土體變形能力強(qiáng)、造價(jià)低廉、施工便捷、技術(shù)要求低等優(yōu)勢在深基坑工程被得到廣泛應(yīng)用.新型支護(hù)體系就是在借鑒樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良的一種可全回收的支護(hù)體系.該體系是由多道豎向支撐樁、多道橫向梁、擋土板及錨桿組成，與樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)不同的是支護(hù)樁是由三層互相嵌套的空心鋼管樁組成，待支護(hù)完畢后方便回收；可回收橫梁是由多個(gè)型鋼段構(gòu)成，型鋼段之間背對(duì)背隔開一段距離并用多個(gè)墊板焊接在一起；可回收擋土板可以插入兩個(gè)型鋼段之間的凹槽里，與上下橫梁連成一個(gè)整體形成類似豎向擋土的整板；可回收機(jī)械式錨桿則是穿過橫梁上相對(duì)應(yīng)的墊板錨桿連接孔里進(jìn)行錨桿端頭錨固固定[2].綜上所述，本新型支護(hù)體系不光施工操作便捷、材料可以重復(fù)使用，還減少了對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了綠色施工.

本文將結(jié)合石家莊某深基坑工程，因地制宜地設(shè)計(jì)出一套切實(shí)可行的新型可回收支護(hù)結(jié)構(gòu)初步方案，再通過數(shù)值模擬分析比較不同錨桿傾角、錨桿長度及土體強(qiáng)度等影響因素下新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，對(duì)實(shí)際工程支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，即保證深基坑開挖過程中的安全穩(wěn)定，又節(jié)約工程經(jīng)濟(jì)成本，提高施工效率.

1 支護(hù)樁和錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算理論

1.1 支護(hù)樁設(shè)計(jì)計(jì)算理論

單向彎曲梁抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：Mx、My分別是繞X軸和Y軸的彎矩(kN·m)；Wnx、Wny分別是對(duì)X軸和Y軸的凈截面模量(m3)；γx、γy截面塑性發(fā)展系數(shù)，通過截面塑形發(fā)展系數(shù)表可查到圓環(huán)截面系數(shù)γx、γy均為1.15；f是鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2)；Kt是基坑支護(hù)的安全系數(shù).通過選取Q235Φ600×15鋼管來進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)受彎梁計(jì)算，結(jié)果100.75 N/mm2≤112.64 N/mm2，抗彎強(qiáng)度驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)要求.

抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

(3)

式中：V為計(jì)算截面的作用剪力(kN)；Sw為計(jì)算剪應(yīng)力處截面對(duì)中和軸的面積矩(m3)；Iw計(jì)算截面慣性矩(m4)；t為腹板厚度，圓管按管壁厚度計(jì)算(m)；fv是鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/mm2).按照抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，得出計(jì)算結(jié)果62.30 N/mm2≤68.69 N/mm2，抗剪強(qiáng)度驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)要求，因此確定選取Q235Φ600×15的鋼管.

豎向樁設(shè)計(jì)計(jì)算理論詳細(xì)參見文獻(xiàn)[4]

1.1.1 支護(hù)樁受力示意圖

圖1.1 支護(hù)樁實(shí)際受力圖 圖1.2 支護(hù)樁計(jì)算簡圖

1.1.2 豎向樁的彎矩圖和剪力圖

圖2.1 豎向樁彎矩圖 圖2.2 豎向樁剪力圖

從兩幅圖中可以發(fā)現(xiàn)彎矩最大值和剪力最大值都分布在第四個(gè)間支撐點(diǎn)處，彎矩最大值是18.96kN·m，剪力最大值為389.41kN.因此豎向樁的危險(xiǎn)截面位于10.5m處，所以將該點(diǎn)作為豎向樁的設(shè)計(jì)截面.按照豎向樁的設(shè)計(jì)計(jì)算理論公式確定選取Q235 FΦ600×15鋼管[3].

1.2 錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算理論

錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值：

(4)

式中：Nk是錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Fh為擋土結(jié)構(gòu)的彈性支點(diǎn)水平反力(kN)；S是錨桿間的水平距離(m)；ba擋土結(jié)構(gòu)寬度(m)；α錨桿傾角(°).

錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

Rk=πd∑qsk,ili

(5)

式中：d是錨桿的錨固體直徑(m)；li是錨桿的錨固段在第i土層中的長度(m);qsk，i是錨固體與第i土層的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，取值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并查詢規(guī)范表.

錨桿極限抗拔承載力與錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值的比值：

(6)

式中：Ks是錨桿抗拔安全系數(shù)，安全等級(jí)為一級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)Ks分別不應(yīng)小于1.8，為二級(jí)時(shí)Ks分別不應(yīng)小于1.6，為三級(jí)時(shí)Ks不應(yīng)小于1.4；

錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算理論詳細(xì)參見文獻(xiàn)[5]

1.2.1 錨桿設(shè)計(jì)尺寸

錨桿的設(shè)計(jì)按照傳統(tǒng)拉力型錨桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，錨桿的水平間距為1.2 m，垂直間距為3 m，錨桿共四排，第一排距基坑頂部1.5 m，第四排距底部0.5 m，錨桿傾角取20°，成空直徑為150 mm[5].錨桿按照設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算最終計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 錨桿設(shè)計(jì)結(jié)果

2 工程概況及地質(zhì)情況

2.1 工程概況

擬建建筑場地位于河北省醫(yī)院院內(nèi)，工程基坑基礎(chǔ)埋深11.0 m，基坑周長約200 m，場地地形較平坦.基坑?xùn)|側(cè)為道路和門診樓，道路距離基坑下口線1.5 m，門診樓距離下口線10.7 m；場地北側(cè)、南側(cè)、東側(cè)周圍地下管線在基坑支護(hù)施工前應(yīng)停止使用并進(jìn)行改造，保證基坑下口線10.0 m范圍內(nèi)無地下管線.場地其余部位無建筑物、地下管線等.基坑平面圖如圖3所示：

圖3 基坑平面圖

2.2 地質(zhì)情況

擬建場地就處于滹沱河沖洪積扇上，位于河流南側(cè)的Ⅱ級(jí)階地上，地勢平坦，微向南東傾斜，地面坡度1/1000左右.場內(nèi)地勢較平坦，勘探點(diǎn)相對(duì)高差0.51 m.根據(jù)鉆探揭露及室內(nèi)土工試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)基坑支護(hù)有影響的地層主要為上部三層地層.主要特征如下：

(1)雜填土，主要由黏性土，碎磚塊、灰渣、砼塊等建筑垃圾組成，稍濕，松散.該層地基土層底埋深0.4～2.5 m，層厚0.4～2.5 m.

(2)黃土狀粉土，褐黃色～淺黃褐色，稍濕，中密～密實(shí)，局部土質(zhì)不均勻，含粘性土團(tuán)塊，無光澤反應(yīng)，搖振反應(yīng)中等，干強(qiáng)度低，韌性低.該層局部夾黃土狀粉質(zhì)黏土和粉砂薄層.該層地基土層底埋深3.1～5.8 m，層厚0.8～2.8 m.

(3)黃土狀粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，切面稍有光澤，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等.該層地基土層底埋深6.1～11.6 m，層厚0.6～3.0 m.

本次勘察最大鉆探深度45.0 m，未見地下水.地下水埋藏較深，可不考慮其對(duì)工程的影響.根據(jù)該區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析結(jié)果，該場地地基基底穩(wěn)定性較好，適宜作為建筑場地.

依據(jù)場地地層巖性及分布可得其物理力學(xué)特性如表2所示：

表2 場地土層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型建立

本模型采用有限元軟件ABAQUS對(duì)新型支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.土體選取Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，在確保沒有邊界效應(yīng)的前提下，充分研究了基坑的具體形態(tài)特點(diǎn)、當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和新型支護(hù)結(jié)構(gòu)影響范圍等情況.該模型采用的是平面直角坐標(biāo)系，x軸定為水平軸，y軸為垂直軸.模型底部定為固定約束，允許垂直方向發(fā)生變形；四周采用側(cè)向約束，不允許發(fā)生水平方向位移；上表面為自由邊界.采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型時(shí)，模型的水平長度和寬度一般取實(shí)際基坑開挖寬度的4倍，垂直高度取實(shí)際基坑開挖深度的3倍[2].考慮到基坑土體與周邊環(huán)境具有對(duì)稱性，因此為了方便模型計(jì)算，取實(shí)際基坑的四分之一部分來進(jìn)行模擬分析，最后確定模型的尺寸長×高為280×35 m.

3.2 計(jì)算模型分析

數(shù)值模擬主要是分析比較不同錨桿傾角、錨桿長度及土體強(qiáng)度等影響因素下新型支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，期望能對(duì)實(shí)際工程提出支護(hù)二次設(shè)計(jì)方案，在確保基坑安全穩(wěn)定的前提下減少材料的浪費(fèi)和污染.根據(jù)現(xiàn)場施工將基坑開挖分為4個(gè)工況，即第一步基坑由地表向下開挖1.5 m，然后布設(shè)第一層錨桿；第二步由坑底繼續(xù)向下開挖3 m，然后布設(shè)第二層錨桿；第三步由坑底繼續(xù)向下開挖3 m，然后布設(shè)第三層錨桿；第四步由坑底繼續(xù)開挖3 m，然后在坑底以上0.5 m處設(shè)置第四層錨桿.由于基坑?xùn)|側(cè)所受的道路荷載和建筑荷載較大，變形位移較明顯，因此取基坑?xùn)|側(cè)進(jìn)行分析較為合適，基坑二維平面圖如圖4所示：

圖4 基坑二維模型平面圖

4 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)影響因素

4.1 錨桿傾角大小的影響

基坑開挖深度為11 m，在1.5 m、4.5 m、7.5 m、10.5 m的位置布設(shè)四道錨桿.在保證其他參數(shù)不變的情況下改變四道錨桿的傾角角度，分別取0°、10°、15°、20°、25°，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖5.1和5.2所示，圖中橫軸表示為x軸，豎軸表示為y軸(“+”表示向坑外的位移).

圖5.1 錨桿不同傾角下的樁身水平位移 圖5.2 錨桿不同傾角下的樁身最大水平位移

從圖5.1中可以看出隨著開挖深度的增加，支護(hù)樁變形呈現(xiàn)“凸拱”形狀，當(dāng)錨桿傾角為10°時(shí)，樁身變形曲線較大.錨桿傾角為0°、10°、15°、20°、25°時(shí)，樁身最大水平位移分別為83.4 mm、79.7 mm、61.8 mm、55.6 mm及57.5 mm，而且最大值基本都發(fā)生在樁頂以下6.0 m附近位置處.當(dāng)錨索傾角為20°時(shí)，樁身最大水平位置最小，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最有利.因此可以驗(yàn)證錨桿傾角的不同會(huì)直接影響到支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，在錨桿設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮錨桿傾角問題，避免出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)因傾角問題發(fā)生過大變形位移從而導(dǎo)致基坑的不穩(wěn)定.

4.2 錨桿長度大小的影響

為探究錨桿長度大小對(duì)基坑新型支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，對(duì)四道錨桿長度分別取6 m、8 m、10 m、12 m、20 m、30 m后進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律如圖6.1和6.2所示，圖中橫軸表示為x軸，豎軸表示為y軸(“+”表示向坑外的位移).

圖6.1 錨桿不同長度下的樁身水平位移 圖6.2 錨桿不同長度下的樁身最大水平位移

從圖6.1和6.2中可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與錨桿長短也有關(guān)系，隨著錨桿長度的增加，支護(hù)樁的水平位移逐漸較小.錨桿長度為6 m、8 m、10 m、12 m、25 m、30 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁身最大水平位移分別是55.6 mm、37.6 mm、34.0 mm、31.8 mm、27.0 mm及22.4 mm.根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 51004-2015提出的基坑的分類等級(jí)和基坑變形的監(jiān)控值(mm)，規(guī)定一級(jí)基坑(開挖深度大于10 m)支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體最大位移不得超過50 mm[6]，因此當(dāng)錨桿長度大于6.0 m時(shí)，支護(hù)樁的水平位移值均不超過規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，.因此可以肯定錨桿長度的大小也直接影響了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形位移的大小，但這并不意味著錨桿長度越大越好，要恰到好處，在實(shí)際工程中錨桿設(shè)計(jì)時(shí)還是應(yīng)該整體考慮，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合以尋找最合適的錨桿長度.

4.3 土體強(qiáng)度參數(shù)的影響

在保證其它條件不變的情況下，通過改變土體參數(shù)粘聚力與內(nèi)摩擦角值分析新型支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，分別對(duì)兩值同時(shí)增加20%、40%、60%，減小20%、40%，60%后進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖7與表3所示，圖中橫軸表示為x軸，豎軸表示為y軸(“+”表示向坑外的位移).

圖7 土體強(qiáng)度的影響

表3 土體強(qiáng)度參數(shù)變化下的樁頂水平位移

從圖7可以得知，隨著c、φ值的不斷增加，樁身水平位移開始減小幅度較大，越往后減小幅度慢慢減弱趨于一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間內(nèi).當(dāng)減小c、φ值時(shí)，樁身水平位移增大幅度較快，待減小60%后，樁身最大水平位移達(dá)到了178.9 mm.但這僅僅是在模型時(shí)靠人為操作改變土體的粘聚力與內(nèi)摩擦角，目的是驗(yàn)證土體參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形是否產(chǎn)生較大影響，在實(shí)際工程中還是應(yīng)該通過地質(zhì)勘探取得當(dāng)?shù)赝翈r地質(zhì)參數(shù).同時(shí)這也能說明土體會(huì)因?yàn)樗苄巫冃巍⒂晁秩肓钔馏w中含水量增加從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度大幅度降低，錨桿拉力減弱失效，最終使支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，影響基坑的安全穩(wěn)定[7].從表3中可以看出，對(duì)土體強(qiáng)度增加20%后，支護(hù)樁的位移降低了大約48%，后續(xù)強(qiáng)度增加位移減小幅度并不大.因此可以認(rèn)為在實(shí)際工程中適當(dāng)提高土體強(qiáng)度，可以有效地控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，也證明了土體強(qiáng)度會(huì)影響到支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，不能忽視.

5 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述設(shè)計(jì)影響因素的模擬分析結(jié)果，再結(jié)合初始的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出支護(hù)二次設(shè)計(jì)方案，初始方案與二次設(shè)計(jì)方案下樁體側(cè)移變形對(duì)比結(jié)果如圖8所示，圖中橫軸表示為x軸，豎軸表示為y軸(“+”表示向坑外的位移).當(dāng)錨桿傾角為20°時(shí)，支護(hù)樁水平位移值最小，與初始設(shè)計(jì)錨桿傾角時(shí)相符合；錨桿長度設(shè)計(jì)取25 m時(shí)，支護(hù)樁水平位移為27.0 mm，二次設(shè)計(jì)后取錨桿長度為30 m，支護(hù)樁減少側(cè)移變形17%，控制變形較明顯；優(yōu)化提高土體強(qiáng)度20%后發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁的水平位移減小約48%，效果顯著；初始設(shè)計(jì)中樁身最大水平位移值為32.4 mm，經(jīng)過二次設(shè)計(jì)后樁身最大水平位移值為14.3 mm，比原先方案水平位移減少了約56%.證明采取二次設(shè)計(jì)方案后的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力得到重新調(diào)整，二次設(shè)計(jì)方案支撐布置比較科學(xué)合理.

圖8 樁身水平位移設(shè)計(jì)對(duì)比

6 結(jié) 論

本文以石家莊某基坑為例，建立ABAQUS深基坑開挖過程有限元模型，對(duì)比分析了不同錨桿傾角、錨桿長度及土體參數(shù)等影響因素下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，并對(duì)初始方案進(jìn)行了二次設(shè)計(jì)，研究結(jié)論如下：

(1)錨桿傾角設(shè)計(jì)為20°時(shí)樁身水平位移最小，錨桿傾角設(shè)計(jì)為10°時(shí)，支護(hù)樁變形較明顯，15°～25°對(duì)應(yīng)的樁身水平位移都在可控范圍內(nèi)，當(dāng)錨桿傾角設(shè)計(jì)小于10°時(shí)，支護(hù)樁水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基坑規(guī)范變形值，可能會(huì)影響基坑整體安全穩(wěn)定.

(2)通過增長錨桿長度可以發(fā)現(xiàn)樁身水平位移有了明顯的減小，說明錨桿長度直接影響了支護(hù)樁水平位移.但并不代表可以隨意加長錨桿長度，必須控制在錨桿長度規(guī)范設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，模擬只是為了發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為實(shí)際工程提供指導(dǎo)意義，錨桿長度設(shè)計(jì)還是應(yīng)該結(jié)合工程具體情況來操作.

(3)土體強(qiáng)度的變化首先會(huì)影響到錨桿的拉力間接導(dǎo)致支護(hù)樁發(fā)生位移.當(dāng)土體強(qiáng)度增加20%后樁身位移明顯減小，再通過加強(qiáng)土體強(qiáng)度的辦法來減小樁身位移后發(fā)現(xiàn)位移減小幅度不大.因此，在實(shí)際工程中必須預(yù)防土體發(fā)生塑形變形，適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)土體強(qiáng)度來減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移從而保證基坑的安全.

(4)該新型裝配式可回收支護(hù)體系可以達(dá)到支護(hù)樁、板、梁以及錨桿全部回收，因此在錨桿的選擇上可以考慮適當(dāng)加長錨桿長度來保證深基坑的整體安全穩(wěn)定性，待鋼絞線回收之后重復(fù)利用2～3次便可基本抵消錨桿增加長度時(shí)所產(chǎn)生的材料費(fèi)用，這樣就使新型支護(hù)結(jié)構(gòu)二次設(shè)計(jì)方案比初始方案更安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，使深基坑開挖支護(hù)施工更加科學(xué).