船行二站基坑開挖支護(hù)設(shè)計及有限元數(shù)值模擬研究

(1.宿遷市農(nóng)業(yè)資源開發(fā)規(guī)劃設(shè)計評審中心，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷市宿城區(qū)水利工程建設(shè)服務(wù)中心，江蘇 宿遷 223800)

水閘、大壩等水工建筑物施工過程中通常涉及基坑工程，基坑開挖安全與否易受多種外界因素的影響。為確保基坑開挖安全，需要采取一系列的支護(hù)或加固措施[1]。

基坑支護(hù)的主要目的是對建筑物自身及基坑側(cè)壁進(jìn)行必要的防護(hù)，同時防止由于基坑側(cè)壁位移過大而引起周圍建筑物沉降甚至傾倒破壞[2-3]。基坑支護(hù)方式各異，存在不同的優(yōu)缺點，鑒于基坑幾何形式、地質(zhì)條件、水文條件不同，需要科學(xué)分析，并因地制宜，經(jīng)過論證從而獲得最優(yōu)的基坑支護(hù)方案[4-5]。基坑支護(hù)工程主要涉及基坑開挖和支護(hù)措施設(shè)計兩方面，與其相關(guān)的學(xué)科主要是土力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等多門學(xué)科[6]。

如何科學(xué)有效地預(yù)測和評價基坑開挖的支護(hù)方案及效果是當(dāng)前學(xué)界面臨的重要課題。隨著巖土力學(xué)理論和計算機軟硬件的發(fā)展，數(shù)值計算模擬成為處理相關(guān)工程問題的有效手段，其在基坑開挖及支護(hù)設(shè)計中也獲得廣泛的應(yīng)用。采用ABAQUS軟件并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，張光建等[7]對杭州地鐵濱江站基坑施工進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了鋼支撐軸力的分布規(guī)律。采用Plaxis3D巖土有限元軟件，王恩鈺等[8]研究對比了某基坑懸臂支護(hù)樁和集中傾斜支護(hù)樁的沉降及樁身變形特點。本文以江蘇省宿遷市宿城區(qū)船行二站拆建工程深基坑開挖工程為研究對象，在制定了相應(yīng)的開挖和支護(hù)措施后，采用基于有限元方法的軟件ABAQUS對其開挖及支護(hù)措施進(jìn)行研究分析，證明了基坑支護(hù)措施的有效性，其研究成果可為宿遷地區(qū)相似工程的開展提供借鑒。

1 船行二站拆建工程概況

船行二站拆建工程是宿遷市宿城區(qū)船行灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目2019年度工程實施內(nèi)容之一。該泵站位于中運河沿岸，為大型灌區(qū)的水源泵站之一。原泵站建于20世紀(jì)90年代，經(jīng)鑒定后屬于四類泵站，予以拆除重建。泵站設(shè)計流量為14.3m3/s，裝機功率為2240kW，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時工程級別為5級。根據(jù)勘察資料，船行二站拆建工程深度范圍內(nèi)場地土層劃分10層，船行二站底板坐落于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，灰黃色、灰黑色，軟塑，局部流塑,稍有光澤反應(yīng)，中等干強度，中等韌性。貫入擊數(shù)為7擊，c=11.8kPa、φ=24.7°，承載力Fak=110kPa。

施工區(qū)周邊場地狹小，水系較為復(fù)雜。北側(cè)靠近灌區(qū)管理所辦公樓，南側(cè)緊臨當(dāng)?shù)鼐用穹浚瑬|側(cè)緊挨中運河，西側(cè)毗鄰古黃河。兩側(cè)建筑物基坑鋼板樁支護(hù)已實施完成，北側(cè)鋼板樁距灌區(qū)管理所辦公樓11.1m，南側(cè)鋼板樁距民房最近距離為10.6m。

2 基坑支護(hù)(加固)方案

基坑位于原泵站引河處，場地地貌單元為單一的黃泛沖積平原。引河內(nèi)地表水已抽排，兩側(cè)鋼板樁施打完成。現(xiàn)場場地較平整，場地整平后原自然地面標(biāo)高約為22.10m。基坑?xùn)|側(cè)為舊引河，西側(cè)為蓄水池。基坑北側(cè)開挖最外層邊線距離灌區(qū)管理所辦公樓約2.0m，南側(cè)開挖最外層邊線距離農(nóng)村水泥道路最近距離為1.2m，距離居民房6.2m。現(xiàn)狀基坑鋼板樁支護(hù)情況：建筑物基坑南側(cè)采用Ⅳ型鋼板樁支護(hù)，樁長15m，樁頂高程19.1～19.2m。因建筑物基坑北側(cè)地勢起伏較大，下游段40m范圍內(nèi)采用Ⅳ型鋼板樁支護(hù)，樁長15m，樁頂高程19.0～19.3m，上游段灌區(qū)管理所辦公樓40m范圍內(nèi)采用Ⅳ型鋼板樁支護(hù)，樁長18m，樁頂高程19.5～22.0m。

基坑安全等級：根據(jù)基坑的挖深、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件確定本工程A-A、B-B、C-C、1-1～4-4(見圖1)剖面基坑側(cè)壁安全等級為2級，5-5～7-7剖面基坑側(cè)壁安全等級為3級。

由于基坑周圍存在辦公樓、居民樓及水泥道路等關(guān)系民生安全的建筑物，并且這些建筑物距離基坑很近，因此為降低基坑開挖過程中對周邊建筑物穩(wěn)定性的不利影響，保證基坑自身的邊壁安全，需在開挖過程中對其進(jìn)行支護(hù)加固。基坑1-1～3-3剖面段采用鉆孔灌注樁加一道錨索支撐，剖面A-A及B-B、C-C段原鋼板樁支護(hù)坑內(nèi)設(shè)樁長9m鋼板樁，樁頂高程為16.00m，5-5～7-7剖面段采用自然放坡開挖。基坑支護(hù)(加固)具體設(shè)計方案：1-1～2-2剖面段距現(xiàn)狀鋼板樁外側(cè)1m部位和3-3～4-4剖面段距現(xiàn)狀鋼板樁內(nèi)側(cè)1m部位采用樁徑800mm的C30混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)加固處理，樁長為19.5m，樁距1.3m，樁頂高程19.30m；灌注樁頂部采用C30混凝土冠梁聯(lián)結(jié)，冠梁斷面尺寸為700mm(高)×1100mm(寬)；頂部冠梁處設(shè)置一排錨索，橫向間距2.6m，錨索長度24m，錨固長度17m，成孔直徑350mm，擴孔直徑600mm，擴大頭長2m，成孔角度為25°，內(nèi)置4根直徑15.2mm鋼絞線，鎖定力為70kN/每根；鉆孔灌注樁支護(hù)加固范圍以外原一級鋼板樁支護(hù)在樁頂下部位置(高程19.0m)設(shè)置一道錨索，橫向間距2.6m，錨索長度19m，錨固長度3m，成孔直徑350mm，擴孔直徑600mm，擴大頭長2m，成孔角度為25°，內(nèi)置2根直徑15.2mm鋼絞線，鎖定力為70kN/每根；樁頂至地面范圍內(nèi)邊坡采用80mm厚噴射混凝土+掛鋼筋網(wǎng)支護(hù)。

圖1 基坑支護(hù)(加固)平面布置(單位：mm)

3 典型剖面有限元數(shù)值模擬

基于有限元軟件ABAQUS，選取典型3-3剖面模擬研究基坑開挖和支護(hù)措施的工作效果。根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，3-3剖面居民樓房基礎(chǔ)底面的沉降情況見圖2～圖6，包括整個模型的豎向位移場。

圖2 基坑開挖至20.1m高程時的豎向位移場

圖3 基坑開挖至18.1m高程時的豎向位移場

圖4 基坑開挖至16.1m高程時的豎向位移場

圖5 基坑開挖至14.1m高程時的豎向位移場

圖6 基坑開挖至12.5m高程時的豎向位移場

由圖2～圖6可知：

a.在基坑的開挖過程中，基坑開挖面由于上部荷載的釋放會產(chǎn)生地面反彈，基坑中心最大的反彈量約100～300mm。

b.樓房基礎(chǔ)地面受基坑開挖的影響較為復(fù)雜，整體上隨著基坑開挖深度的增加，樓房基礎(chǔ)地面的沉降變形增大。

c.樓房基礎(chǔ)地面最大的沉降變形發(fā)生在距離基坑開挖邊線約10.0～15.0m處，在基坑開挖至16.1m、14.1m、12.5m高程時，最大的地面沉降量約為4mm、6.5mm和8.5mm。

d.距離基坑開挖邊線40m處，地面沉降較小，約2mm，與基坑開挖深度的相關(guān)性不大。為了分析基坑開挖過程中的側(cè)向水平位移，選取基坑坡面和混凝土灌注樁(見圖7中藍(lán)色樁體)的側(cè)向位移進(jìn)行分析，基坑的側(cè)向位移場見圖8～圖12。

圖7 基坑坡面和混凝土灌注樁位置

圖8 基坑開挖至20.1m高程時的側(cè)向位移場

圖9 基坑開挖至18.1m高程時的側(cè)向位移場

圖10 基坑開挖至16.1m高程時的側(cè)向位移場

圖11 基坑開挖至14.1m高程時的側(cè)向位移場

由圖8～圖12可知：

a.在基坑的開挖過程中，基坑坡面整體向基坑內(nèi)側(cè)方向變形，混凝土灌注樁頂部向基坑外側(cè)方向變形，底部向基坑內(nèi)側(cè)方向變形。

b.在基坑開挖深度較小時，基坑坡面頂部位移較大，約12mm；隨著基坑開挖深度的增加，基坑坡面頂部的側(cè)向變形總體大于底部的側(cè)向變形，在開挖至高程12.5m時，基坑底部坡面的水平位移約10mm，頂部坡面的水平位移約為30mm。

c.在整個開挖過程中，混凝土灌注樁的水平位移上部向基坑外側(cè)增大，下部向基坑內(nèi)側(cè)增大。

d.混凝土灌注樁頂部的水平位移，在基坑開挖至高程20.1m、18.1m、16.1m、14.1m、12.5m時對應(yīng)的側(cè)向變形(向基坑外側(cè))分別為2mm、7mm、10mm、11mm、12mm。

e.混凝土灌注樁底部的水平位移，在基坑開挖至高程20.1m、18.1m、16.1m、14.1m、12.5m時對應(yīng)的側(cè)向變形(向基坑內(nèi)側(cè))分別為5mm、10mm、17mm、20mm、22mm。

4 結(jié) 論

通過對該斷面進(jìn)行有限元仿真模擬分析，得到如下結(jié)論：

a.在船行二站拆建工程基坑的開挖過程中，基坑開挖面由于上部荷載的釋放會產(chǎn)生地面反彈，基坑中心最大的反彈量約100～300mm；基坑坡面整體向基坑內(nèi)側(cè)方向變形，混凝土灌注樁頂部向基坑外側(cè)方向變形，底部向基坑內(nèi)側(cè)方向變形，但變形較小，因而說明采用鉆孔灌注樁加一道錨索支撐的加固措施較為有效。

b.基礎(chǔ)地面受基坑的開挖影響較為復(fù)雜，整體上隨著基坑開挖深度的增加，基礎(chǔ)地面的沉降變形增大。