斜撐支護體系在深厚淤泥區域基坑中的應用

劉曉玉, 黃 劍, 岳云鵬

(1.廣州大學土木工程學院，廣州 510006；2.國家知識產權局專利局審查協作廣東中心，廣州 510700)

進入21世紀以來，中國各大城市的經濟和人口都得到了爆炸式增長。而建筑密度的加大，也更加考驗深基坑支護技術對周邊地表變形的控制能力。同時密集的建筑及地下管線等復雜的基坑周邊地下環境，對深基坑支護形式也有很大的限制。考慮工期要求和經濟成本因素，合理地選擇最佳的支護形式和施工方案，將是一項非常有價值和現實意義的研究課題。斜撐支護體系由于其布置靈活、工期較短、造價低廉等優點被廣泛應用的基坑工程中。

針對深基坑支護體系，中外學者做了大量研究，Addenbrooke[1]研究了基坑支護結構的位移柔度曲線，并對支護結構柔度指數進行研究；O’Rourke[2]等分析了在樁墻+內支撐支護形式下，基坑開挖引起的土體變形；史貴才等[3]對懸浮式水泥土框架支護結構的相關參數進行正交試驗，確定了該支護結構在支護過程中的主要影響因素；楊博等[4]對格柵狀地下連續墻進行試驗研究，分析了地下連續墻的效應特征及變化規律；楊永新等[5]對土釘支護形式基坑在開挖過程中的變形及土壓力進行研究，推導了考慮水平位移的土壓力計算形式。一些學者[6-8]對基坑開挖過程中支護結構的變形進行數值計算，為不同地層中支護結構的選擇提供依據。徐德馨等[9-10]分析了地表及基坑變形隨開挖過程的變化規律，為優化施工方案提供參考；徐洋等[11]通過工程實例分析了不同支撐方案的優缺點及內力分布特點。

目前考慮斜撐支護體系的基坑支護形式研究相對較少。易奇雄[12]依據實際工程案例，介紹了一種新型斜撐支護形式，并推導出了斜撐水平及豎向承載力驗算公式；宮喜慶等[13]介紹了使用盆式開挖加斜撐支護的施工工法，肯定了斜撐支護體系在減少成本及工期上的重要作用；唐浩[14]講述了斜撐支護加中心島開挖的施工流程及施工要點，充分論證了在大面積基坑中，斜撐支護體系獨具的成本及工期優勢；程勝一等[15]對鋼支撐進行軸力測試,得到了應變計頻率與支撐軸力的線性關系方程；劉燕等[16-17]、劉俊巖等[18]研究分析了斜撐體系的協同變形理論，推導了分區段拆撐長度的計算公式。

基于此，依據某工程實例，通過有限元建模模擬開挖工況，分別從地表沉降、樁體水平位移及斜撐軸力三個方面對計算結果進行分析，得出了斜撐支護體系在深厚淤泥區基坑中的變形及受力規律，相關結果可為未來的斜撐支護設計與施工提供參考及建議。

1 工程概況及基坑監測

1.1 工程概況

項目用地位于佛山市科技路南側、天宇路北側地塊內，用地面積約67 369 m2，該項目塔樓距離項目圍護結構約為47 m，該公館住宅項目采用灌注樁承載形式。項目東側為某在建地鐵車站，距一期基坑最近距離105 m。采用分段組合支護形式。其中基坑緊鄰綠蔭路段距施工用地紅線3 m，距路對面某公館建筑的最近距離為47 m。基坑毗鄰天宇路段距施工用地紅線3 m，距天宇路外側河涌40 m。基坑在天宇路與綠蔭路交匯處向內凹進，該預留地塊將用于售樓部建設。其余段為一期二期重合段，總長323 m。為保證基坑工程的安全性，同時盡可能地降低工程造價，本基坑支護設計根據不同剖面采用不同支護形式的分段組合支護方案，基坑位置及支護形式如圖1所示。

圖1 基坑位置及支護形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of pit location and support form

1.2 基坑監測

研究的基坑工程監測項目主要有：圍護結構水平位移及沉降觀測、周邊地表沉降觀測、立柱沉降觀測、地下水位觀測、周邊建筑物沉降觀測、鋼支撐軸力觀測、土體深層水平位移觀測、樁體深層水平位移觀測，監測點布置如圖2所示，根據實際監測情況需要可加大監測范圍及增加監測點，基坑降水井數量可根據現場抽水試驗適應進行增加或液少，在開挖前疏干待開挖基坑內的水后，再進行開挖，降水深度至地板地面以下0.5～1 m。

圖2 基坑監測點布置Fig.2 Foundation pit monitoring point layout

2 模型建立

2.1 整體模型建立

利用MIDAS GTS NX中修正莫爾-庫倫本構對模型進行建立，修正莫爾-庫倫本構是基于莫爾-庫倫本構進行完善后得到的本構模型，該模型可以較好地對卸載過程中土體剛度的變化進行模擬，且可以同時考慮壓縮硬化與剪切硬化。修正莫爾庫倫的主要參數有加載試驗的初始剛度、三軸試驗的切線剛度、卸載模量。該模型的剪切屈服面與莫爾-庫倫本構是一致的，其壓縮屈服面呈現為橢圓形的帽子本構。并且在修正莫爾-庫倫本構中，對扁平面進行了圓角處理，消除了分析過程中產生的不穩定因素，使得運算收斂性更好。

通過前期固結壓力與塑性應變對土體壓縮硬化與剪切硬化進行等效模擬。

(1)

(2)

(3)

模型整體尺寸為180 m×120 m×40 m，基坑開挖范圍為65 m×45 m，基坑開挖過程中土體處于卸載狀態，現場卸載模量與土體的彈性模量接近。根據勘察報告及相關工程經驗，基坑土層參數取值如表1所示。

表1 場地巖土層計算參數Table 1 Calculation parameters of ground rock and soil layer

2.2 支護體系參數選取

支護樁采用φ1 000@1 200的鉆孔灌注樁，在有限元模擬中，往往通過剛度等效原則，將支護樁等效成地下連續墻來進行分析。研究經驗表明，將支護樁等效成地連墻進行計算，是合理的，且其結果也比較安全。地連墻的厚度可利用等效公式求得。

為了更真實地反映現場基坑受力變形情況，主要構件斜撐采用1D梁單元進行模擬。根據設計方案，斜撐的布置跟地下室基礎位置有關，其最大間距為4.5 m，最小間距為3.3 m，為簡化建模過程，數值模擬中斜撐間距取值4 m。同時按照模型簡化原則，斜撐一端的牛腿并不是研究重點，故不考慮牛腿的受力情況。而在模擬中，樁基采用植入式梁單元，從而使得模型更易耦合，提高計算效率。本模型支護結構計算參數如表2，按照現場位置關系建立模型如圖3所示。

表2 結構材料計算參數Table 2 Calculation parameters of structural materials

圖3 斜撐支護體系位置關系示意圖Fig.3 Diagrammatic diagram of position relation of inclined brace support system

2.3 施工工況設置

基坑的支護與開挖施工是一個動態的、連續的過程，在進行數值模擬支護及開挖工況時，應盡量保持與現場情況一致。模擬設置的具體工況如表3所示，主要開挖工況的完成時間為：工況4開挖完成預計為2018年11月13日，工況5底板施工完成時間預計為2018年12月9日，工況6斜撐安裝完成時間預計為2018年12月17日，工況7土坡開挖完成時間預計為2019年1月12日。

表3 工況設置Table 3 Conditions set

2.4 算例驗證

基于以上參數及工況，選取樁頂水平位移監測點S18～S20的監測數據與工況計算結果進行對比，如圖4所示。

圖4 S18～S20監測數據與計算結果樁頂水平位移對比Fig.4 S18～S20 monitoring data and calculation results of pile top horizontal displacement comparison

從圖4可以看出，計算結果曲線與樁體水平位移監測曲線的變化趨勢是一致的，且每個工況的位移增長斜率與監測數據較為相似。各個工況的計算結果基本大于監測數據的水平位移值，說明計算結果較為保守，本模型土層參數與結構參數取值合理，依此進行設計得到的支護結構也更為安全。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 地表沉降數據分析

在斜撐作用下，分析工況4、工況5、工況6、工況7開挖過程中地表沉降規律，主要開挖工況對應的地表沉降曲線如圖5所示。

圖5 開挖工況對應的地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve corresponding to excavation conditions

從圖5可以看出，4個工況的地表沉降曲線變化趨勢一致，且工況4、5、6的地表沉降曲線基本重合，說明底板和斜撐的施工能有效控制地表繼續下沉的趨勢，而隨著預留土坡的開挖，地表沉降量進一步增大。但在距基坑40 m處，4條曲線的地表沉降量依然較大，說明在深厚淤泥區，基坑地表沉降的影響范圍較為深遠。

選取距基坑邊5 m處地表沉降監測點D34的監測數據與工況計算結果進行對比，如圖6所示。

圖6 D34地表沉降量監測數據與計算結果對比Fig.6 D34 comparison of monitoring data and calculation results of surface subsidence

從圖6可以看出，計算結果曲線能較好地擬合地表沉降監測曲線的變化趨勢，部分沉降量值與監測值相差不大，如工況5、工況6，但兩次開挖工況的沉降與監測值相差較大，其中工況4計算結果較監測值大，而工況7小于監測值。可見，僅通過數值模擬并不能真實地反映現場地表沉降情況，在深基坑工程中對地表沉降進行監測是十分必要的。

3.2 樁體水平位移數據分析

主要開挖工況對應的樁體水平位移曲線如圖7所示。

圖7 開挖工況對應的樁體水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curve of pile under excavation conditions

從圖7可以看出，4條樁體水平位移曲線變化趨勢相同，即樁頂有一段較大水平位移，但最大水平位移出現在基坑底下方1～3 m，超過位移最大值點，曲線(圖7)隨著埋深的增大逐漸收縮，在進入中風化砂巖土層后趨近于0。同時對比4條曲線(圖7)可以看出，由于預留土坡的開挖，整個樁體的水平位移均有不同幅度的增加，且在斜撐的作用下，樁頂水平位移增量得到了有效控制。

3.3 斜撐軸力數據分析

數值模擬主要開挖工況斜撐軸力分布如圖8所示。斜撐在基坑支護過程中承受壓力。從圖8可以看出，斜撐軸力最大值為 1 142 kN，出現在本支護段最左側，斜撐軸力最小值為 1 089 kN，出現在支護段中間部位，且最大值與最小值相差53 kN。

圖8 工況7斜撐軸力分布Fig.8 Axial force distribution diagram of inclined brace in working condition 7

4 斜撐支護體系單因素有限元分析

4.1 斜撐傾角變化對基坑工程的影響

建立斜撐傾角分別為15°、17°、19°、21°的四種工況對基坑變形的影響進行分析，不同斜撐傾角對應的坑底隆起曲線如圖9所示。

圖9 不同斜撐傾角對應的坑底隆起曲線Fig.9 The heave curve of pit bottom corresponding to different inclination angle of inclined bracing

四條曲線在斜撐支點處及樁基位置均出現了極小值，說明斜撐和樁基的存在對減小坑底隆起具有顯著作用。處于斜撐支點與第二排樁基位置的土體隆起量受到了明顯的約束作用，而在圖9中坑底隆起曲線末端，斜撐傾角17°、19°、21°對應的曲線均存在巨大的隆起增量，這可能是因為第二排樁基與邊界間的空間變大，從而出現了明顯邊界效應。僅從本圖來看，斜撐傾角在15°時，其隆起曲線起伏情況較為均衡。

不同斜撐傾角對應的樁體變形曲線如圖10所示。由圖10可以看出，四種不同斜撐傾角的樁體變形都發生在基坑內側，且樁頂有一段較大的水平位移，但最大水平位移發生在基坑底附近，之后隨著深度的增加，樁體變形逐漸收縮直至趨近于0。四條曲線最大水平位移點所處深度依次為9、6、4.6、4.5 m，當斜撐傾角不斷增大時，樁體最大水平位移值點由基坑底下方迅速向上移動，直至在坑底上方某一位置趨于穩定。當斜撐傾角在一定范圍內時，樁體最大水平位移值隨斜撐傾角的增大而增大，且增幅不斷減小。而超出這一范圍時，樁體最大水平位移出現了小幅度收縮。

圖10 不同斜撐傾角對應的樁體水平位移曲線Fig.10 Horizontal displacement curve of pile corresponding to different inclination angle of inclined bracing

4.2 斜撐間距變化對基坑工程的影響

固定斜撐傾角為15°，建立斜撐間距依次為4、5、6、7 m的四個工況，不同斜撐間距對應的坑底隆起曲線如圖11所示。由圖11可以看出，四條曲線幾乎重合在一起，這說明斜撐間距對坑底隆起的影響微乎其微。

圖11 不同斜撐間距對應的坑底隆起曲線Fig.11 The uplift curve of pit bottom corresponding to different diagonal bracing spacing

不同斜撐間距對應的斜撐軸力如圖12所示。由圖12可以看出，隨著斜撐間距的增大，斜撐軸力大幅增長，且其增長斜率基本不變。

圖12 不同斜撐傾角對應的斜撐軸力Fig.12 Axial force of inclined bracing corresponding to different inclined bracing inclination

5 結論

(1)通過監測數據與數值模擬計算結果的對比，得出了采用數值模擬能較好地擬合監測數據變化趨勢這一結論。尤其是在樁頂水平位移的比較中，數值模擬計算結果略高于監測值，說明采用數值模擬方法來輔助基坑支護設計，得到的支護結構體系安全性更高。

(2)各個主要工況對應的地表沉降最大值位置發生在距基坑10～15 m處，最大樁體水平位移發生在距基坑底1～3 m，坑底隆起曲線在樁基及斜撐處均出現極小值。

(3)斜撐傾角增大的情況下，斜撐下方土體因為其距斜撐支撐點的距離更近，坑底隆起曲線有了明顯的下降趨勢。所以在確定斜撐傾角時，需考慮的因素較多，應權衡各方面變形及結構內力等因素，合理取值。

(4)斜撐間距變化對坑底隆起的影響不大，但斜撐軸力受其影響較為明顯，且兩者間呈等斜率線性增長趨勢。

(5)在數值模擬過程中，并未考慮地下水及滲流的作用。而在深基坑工程領域，特別是在深厚淤泥區基坑中，這兩者對基坑變形具有較大影響。如需更加準確的模擬基坑的完整變形，應該考慮地下水及滲流的作用。