不對稱樁撐支護(hù)深基坑受力特點及處理措施研究

周 創(chuàng)，李曉霖，李亞濤

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)化的加快發(fā)展，城市建成區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)張，地上空間日趨飽和，人地矛盾日益突出，城市的可持續(xù)發(fā)展面臨著嚴(yán)重的空間資源制約。向地下拓展空間，是破解城市空間資源難題的重要手段。在進(jìn)行地下工程建設(shè)時，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等因素，明挖法開挖基坑是最普遍的一種方法。深基坑工程是其中非常重要的環(huán)節(jié)，也是風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)之一。鉆孔灌注樁+鋼支撐支護(hù)是深基坑施工中一種重要的支護(hù)方式，其利用內(nèi)支撐可以直接平衡兩端圍護(hù)樁上所受的側(cè)壓力，構(gòu)造簡單，受力明確，無需占用基坑外側(cè)地下空間資源、可提高整個圍護(hù)體系的整體強(qiáng)度和剛度[1-4]，且支撐體系可重復(fù)使用，因此在深基坑工程中得到了大量的應(yīng)用。樁撐支護(hù)體系由于其受力特性，對于基坑兩側(cè)的地層對稱性要求較高。但在實際工程中，基坑兩側(cè)的地層經(jīng)常出現(xiàn)差異較大的情況，在此類基坑中進(jìn)行樁撐支護(hù)，會使得支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不平衡，基坑存在較大安全隱患。針對深基坑工程，姚愛軍等[5]研究了不對稱荷載對深基坑圍護(hù)變形的影響，何錫興等[6]研究了平面異形基坑的變形特征，張超[7]研究了土體頂部標(biāo)高不同的不對稱基坑變形特性，林剛[8]研究了不對稱開挖深度下基坑的受力特點，但目前針對地層不對稱基坑的樁撐支護(hù)研究還較為缺乏。

某綜合管廊基坑工程為寬度較小、長度較大的縱向開槽式基坑，基坑深度為19 m，寬度為14.5 m，采用樁撐支護(hù)形式，圍護(hù)樁直徑800 mm，長27 m，間距1.3 m，支撐采用直徑609 mm，壁厚16 mm的鋼支撐，共設(shè)置五道支撐，第一道支撐水平間距為6 m，第二道～第五道支撐水平間距為3 m，樁頂進(jìn)行2 m的放坡摘帽。在圍護(hù)樁施作完畢、基坑開挖過程中，某一段基坑周邊施工便道發(fā)生較大沉降，部分冠梁產(chǎn)生裂縫；經(jīng)勘察補(bǔ)勘后發(fā)現(xiàn)該段基坑一側(cè)為大范圍疏松雜填土層，分布深度約19 m。此情況在原勘察階段并未發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)計未能采取特殊措施。受周邊環(huán)境限制，基坑支護(hù)形式已不具備修改條件，若按原設(shè)計方案施工，會面臨基坑發(fā)生大變形甚至失穩(wěn)破壞的安全風(fēng)險，故需要采取必要的措施以保證施工安全。

本文基于上述工程，首先利用有限元軟件MIDAS GTS模擬分析了地層對稱及不對稱基坑的施工過程，比較分析了地層不對稱基坑的受力特點；然后比較了針對地層不對稱基坑工程的多種處理措施，提出了一種針對不對稱基坑的處理方法，可為后續(xù)的設(shè)計施工提供借鑒。

2 不對稱樁撐支護(hù)基坑的受力特點

2.1 模型建立

以上述綜合管廊深基坑工程為基礎(chǔ)，利用MIDAS GTS建立了二維地層-結(jié)構(gòu)模型，分別模擬了對稱及不對稱基坑的施工過程，并進(jìn)行對比分析。土體采用平面應(yīng)變單元模擬，圍護(hù)樁采用梁單元模擬，鋼支撐采用桁架單元模擬，并考慮圍護(hù)樁與土體之間的接觸界面。圍護(hù)樁及鋼支撐采用線彈性本構(gòu)模型，土體采用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型。模型共劃分12 757個單元，10 602個節(jié)點。模型左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移?；油鈧?cè)地面施加20 kPa超載，鋼支撐上施加預(yù)加軸力。建立模型見圖1,圖2。

各層土的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

由于進(jìn)行的是基坑施工的全過程模擬，計算過程較為煩瑣，計算結(jié)果量大，選擇開挖至第四道支撐以下、開挖至坑底兩步工況作為典型工況，選取兩種模型樁身水平位移、地表沉降、圍護(hù)樁彎矩進(jìn)行比較，分析不對稱基坑的受力特點。圖3～圖8給出了典型工況下對稱基坑與不對稱基坑的結(jié)果比較，可看出土層對稱的基坑在開挖過程中，其樁身水平位移、地表沉降、圍護(hù)樁彎矩都呈現(xiàn)出良好的對稱性，相反，一側(cè)存在大量雜填土的不對稱基坑，其結(jié)果完全不對稱，且雜填土一側(cè)的樁身水平位移、地表沉降、圍護(hù)樁彎矩均遠(yuǎn)大于非雜填土一側(cè)的數(shù)值。分析其原因，由于雜填土的物理力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)小于其對側(cè)土體，其自穩(wěn)能力更差，使得雜填土一側(cè)土體傳遞至圍護(hù)樁上的壓力遠(yuǎn)大于對側(cè)土體，導(dǎo)致雜填土側(cè)的圍護(hù)樁產(chǎn)生更大的水平位移，進(jìn)而導(dǎo)致圍護(hù)樁產(chǎn)生更大的彎矩和變形，地表產(chǎn)生更大的沉降，基坑兩側(cè)地層位移出現(xiàn)明顯的不對稱特性。此時如果還按照常規(guī)的基坑計算方法進(jìn)行設(shè)計，將出現(xiàn)重大設(shè)計錯誤，引發(fā)工程事故。

將兩種模型在兩種工況下的樁身水平位移、地表沉降、圍護(hù)樁彎矩的峰值整理得到表2，可以看出不對稱基坑在兩種工況下，樁身水平位移最大值、地表沉降最大值、圍護(hù)樁彎矩最大值均遠(yuǎn)大于對稱基坑的結(jié)果，因此在設(shè)計施工過程中，必須對不對稱基坑采取一定的處理措施，以保證基坑的安全性。

表2 計算結(jié)果比較統(tǒng)計

3 不對稱基坑的處理措施分析

3.1 分析工況簡介

針對地層不對稱基坑，為了保證施工安全，需采取必要的措施減小基坑的不對稱性。對于本基坑，雜填土一側(cè)地層疏松，物理力學(xué)性質(zhì)差，應(yīng)采取措施提高其物理力學(xué)參數(shù)，以減小基坑不對稱性。常用工程措施有注漿、旋噴、攪拌等地層加固措施，對雜填土進(jìn)行加固。由于地層加固范圍直接影響加固工程造價，為了確定合理的加固位置、加固范圍，本文利用MIDAS GTS對以下六種工況進(jìn)行了模擬分析，加固土相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1)基坑內(nèi)外土體均不加固。2)加固基坑內(nèi)所有雜填土。3)加固基坑外地表5 m以下，水平3 m內(nèi)雜填土。4)加固基坑外地表5 m以下，水平5 m內(nèi)雜填土。5)加固基坑外地表5 m以下，水平7 m內(nèi)雜填土。6)加固基坑地表5 m以下，基坑內(nèi)水平2 m，基坑外水平5 m內(nèi)雜填土。模型簡圖如圖9所示。

3.2 計算結(jié)果對比

選擇開挖至坑底為典型工況，比較6種處理措施下的樁身水平位移、地表沉降、圍護(hù)樁彎矩，以此分析各種加固措施的加固效果。圖10～圖12分別給出了6種處理措施下的樁身水平位移、地表沉降、圍護(hù)樁彎矩對比圖。圖中注明了峰值水平位移、地表沉降和圍護(hù)樁彎矩。

從圖10～圖12中可以看出，以基坑內(nèi)外均不加固為基準(zhǔn)，對基坑內(nèi)部或外部雜填土進(jìn)行加固，均可以減小樁身水平位移、地表沉降和圍護(hù)樁彎矩。將各種工況下的結(jié)果與基準(zhǔn)工況比較，得到各工況相對于基準(zhǔn)工況的變化幅度如表3所示。

對比上述圖中的工況(1)和工況(2)，可以看出對坑內(nèi)所有雜填土的加固可較大幅度的減小樁身水平位移和地表沉降，但是對于圍護(hù)樁彎矩的減小作用較小，減小幅度只有14.49%。

表3 位移、沉降、彎矩變化幅度表 %

對比上述圖中的工況(1),工況(3),工況(4)和工況(5)，可以看出在只加固坑外雜填土的情況下，隨著加固范圍的增大，雜填土側(cè)樁身水平位移、地表沉降和圍護(hù)樁彎矩逐漸減小，且減小幅度較大；非雜填土側(cè)樁身水平位移和地表沉降呈緩慢增大的趨勢，圍護(hù)樁彎矩呈緩慢減小的趨勢。分析其原因，隨著加固范圍的增大，雜填土側(cè)土體自穩(wěn)能力逐漸提高，其對于圍護(hù)樁的土壓力逐漸減小，在對側(cè)土壓力不變的情況下，使得雜填土側(cè)的樁身水平位移和地表沉降逐漸減小，對側(cè)的樁身水平位移和地表沉降緩慢增大。在只加固基坑外5 m范圍內(nèi)雜填土的工況下，基坑兩側(cè)的樁身水平位移相差2.0 mm、地表沉降相差 2.4 mm、圍護(hù)樁彎矩相差182 kN·m，差值均較小，說明在該工況下，基坑兩側(cè)土體對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力值相近，基坑呈現(xiàn)出較好的對稱性。

對比上述圖中的工況(4)和工況(6)，可以看出在加固坑外土體的基礎(chǔ)上再對坑內(nèi)土體進(jìn)行加固，可以減小基坑兩側(cè)的地表沉降和圍護(hù)樁彎矩，但是減小幅度均較小。

4 結(jié)論

通過上述計算分析，對于兩側(cè)地層不對稱的樁撐支護(hù)基坑，得到如下規(guī)律：

1)在一側(cè)存在深厚雜填土的不對稱樁撐支護(hù)基坑中，雜填土一側(cè)的圍護(hù)樁水平位移、彎矩和地表沉降均遠(yuǎn)大于地層對稱基坑的相應(yīng)數(shù)值，在設(shè)計施工過程中，須對不對稱基坑采取一定的處理措施，以保證基坑的安全性。

2)對基坑內(nèi)雜填土進(jìn)行加固處理，可以明顯減小圍護(hù)樁水平位移和地表沉降，但是對圍護(hù)樁彎矩影響較小。

3)對基坑外雜填土土體進(jìn)行加固處理，可以明顯地減小雜填土側(cè)圍護(hù)樁水平位移、彎矩和地表沉降，且隨著加固范圍的增大，雜填土側(cè)的圍護(hù)樁水平位移、彎矩和地表沉降逐漸減小，其對側(cè)圍護(hù)樁水平位移和地表沉降緩慢增大。存在一個合適的加固范圍，可使得基坑呈現(xiàn)出較好的對稱性。

4)同時對基坑內(nèi)外雜填土進(jìn)行加固處理的效果與只加固基坑外雜填土效果相差不大。

據(jù)此，本文得到結(jié)論如下：

1)對于兩側(cè)地層差異較大的不對稱樁撐支護(hù)基坑，應(yīng)對較差一側(cè)的地層進(jìn)行加固處理。

2)對較差一側(cè)的地層進(jìn)行加固處理時，可只加固基坑外部地層。通過計算選擇合適的加固范圍，可使得基坑受力、變形恢復(fù)一定的對稱性。

由于樁撐支護(hù)基坑工程的大量應(yīng)用，對于工程中兩側(cè)地層不對稱的情況是難以避免的。本文對此進(jìn)行了研究分析，得到了一定規(guī)律，并提出了針對性的處理方案，可為類似工程提供借鑒。