新型裝配式基坑搶險(xiǎn)斜撐穩(wěn)定性研究

周 業(yè)王 勝劉曉明譚 鑫，*黃 華

（1.中建五局第三建設(shè)有限公司，長(zhǎng)沙 410116；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

隨著我國(guó)城市化水平快速提高，城市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為解決人口、資源、環(huán)境問(wèn)題的重要措施和實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。向地層更深處開(kāi)發(fā)各類地下空間的同時(shí)也催生了大量深基坑工程。基坑工程在天然地層中開(kāi)挖，往往具有強(qiáng)烈的區(qū)域性和個(gè)體性，因此風(fēng)險(xiǎn)性較高［1-3］。

基坑失穩(wěn)往往會(huì)造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失［4］，一旦基坑變形達(dá)到某個(gè)預(yù)警值則必須立即對(duì)其進(jìn)行搶險(xiǎn)加固。采用鋼管斜撐加固的方法是目前基坑工程中最常采用的搶險(xiǎn)措施之一［5］。如圖1所示，將鋼管一端固定于坑底穩(wěn)定區(qū)域，另一端支撐于基坑側(cè)壁，形成斜撐。斜撐能夠及時(shí)對(duì)坑壁形成有力支持，在大量基坑搶險(xiǎn)工程中得到了應(yīng)用［6-10］。陳喜和許曉燕［6］在基坑搶險(xiǎn)工程中采用樁錨和斜撐除險(xiǎn)加固獲得了較好的效果。楊佳等［7］采用彈性地基梁的有限元法和瑞典條分法對(duì)“樁+斜支撐”進(jìn)行計(jì)算分析，得到了支護(hù)樁體和斜撐的位移及內(nèi)力的分布變化規(guī)律。Thoms等［11］和Feng等［12］研究了斜支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移分布規(guī)律，并基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，指出當(dāng)對(duì)斜支撐結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，可更有效地防止基坑變形。

圖1 基坑搶險(xiǎn)斜撐（澆筑混凝土基座）Fig.1 Diagonal brace for emergency reinforcement of excavation

但斜撐加固的穩(wěn)定性往往受到斜撐撐腳地基土體的強(qiáng)度限制，當(dāng)基坑坑壁穩(wěn)定需要的抗力過(guò)大時(shí)易發(fā)生撐腳處局部地基失穩(wěn)。雖然采用澆筑混凝土或鋼結(jié)構(gòu)基座能提高斜撐撐腳穩(wěn)定性［13-14］，但現(xiàn)場(chǎng)澆筑或焊接施工工序較多，用在搶險(xiǎn)工程中存在無(wú)法立即處置險(xiǎn)情以及后續(xù)回收困難等缺點(diǎn)。

本文提出了一種新型基坑裝配式斜撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，該種斜撐可快速處理基坑突發(fā)險(xiǎn)情，及時(shí)遏制變形等災(zāi)害的進(jìn)一步發(fā)生，并可在基坑回填后回收和重復(fù)利用。為揭示所提出的裝配式斜支撐的承載特性，進(jìn)行了室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究，獲得了不同參數(shù)下斜撐荷載位移曲線和地基土變形特征，并據(jù)此討論了斜撐承載機(jī)理及失穩(wěn)模式。

2 裝配式斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的裝配式斜支撐結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，由①埋入段鋼管；②裝配式底板；③拼接段鋼管三部分組成，通過(guò)插銷和螺栓連接的形式可以對(duì)三者進(jìn)行裝配式拼接。埋入段鋼管端部有多個(gè)開(kāi)孔，通過(guò)插銷插入不同位置的開(kāi)孔可實(shí)現(xiàn)斜撐撐腳不同的地基埋入深度。拼接段鋼管通過(guò)螺栓與埋入段鋼管連接，可靈活調(diào)整斜撐長(zhǎng)度。

在工程實(shí)際使用時(shí)，在選定坑底位置插入埋入式鋼管撐腳后，便可以由吊機(jī)等直接吊裝底板和裝配式斜撐，對(duì)基坑發(fā)生大變形的位置進(jìn)行支撐加固。斜撐通過(guò)埋入式撐腳和底板組合作用能夠有效提高撐腳處局部地基的穩(wěn)定性。針對(duì)不同的基坑承載力需求可相隔一定的間距布置，如圖2（b）所示。

圖2 裝配式斜撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustraction of fabricated diagonal brace

3 物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)模型裝置如圖3（a）所示，模型箱凈空間尺寸為770 mm×520 mm×500 mm（長(zhǎng)×寬×高），模型箱的兩側(cè)分別安裝10 mm厚的透明鋼化玻璃，以便觀察撐腳地基的失穩(wěn)形式。根據(jù)模型箱尺寸，縮尺模型斜撐鋼管選用304不銹鋼無(wú)縫鋼管，斜撐鋼管傾斜角度設(shè)置為45°，直徑為50 mm，長(zhǎng)度為900 mm，壁厚為2 mm。L形底板長(zhǎng)300 mm，寬200 mm，豎直面高100 mm，厚度為10 mm，底板中間開(kāi)孔面積為135 mm×60 mm，上部焊接兩塊楔形鋼板，楔形鋼板厚度20 mm，中間開(kāi)孔孔徑20 mm，插銷穿過(guò)該孔可與斜撐鋼管進(jìn)行連接。

圖3 模型試驗(yàn)裝置及加載方式示意圖Fig.3 Model test setup and loading illustration

試驗(yàn)豎向荷載由豎向加載框架上部伺服電機(jī)提供，電機(jī)最大推拉力能達(dá)到50 kN。采用YSF-I/25-4型電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行加載控制，可以通過(guò)位移、載荷及手搖三種加載方式進(jìn)行加載的控制，伺服電動(dòng)缸中安裝有壓力和位移傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加載力、速度和位置的精密伺服控制。如圖3（b）所示，通過(guò)楔形加載塊可以將豎向加載轉(zhuǎn)換為斜撐的軸向荷載。試驗(yàn)的加載采用位移控制，控制豎向傳力桿以0.167 mm/s的速度推動(dòng)楔形加載塊勻速下降，直至達(dá)到斜撐軸向位移行程（40 mm）或者撐腳地基出現(xiàn)明顯破壞。加載過(guò)程中傳感器每隔1 s采集一次對(duì)應(yīng)時(shí)刻的位移和荷載值。模型試驗(yàn)中對(duì)撐腳鋼管埋置長(zhǎng)度分別為5 cm、10 cm、15 cm和20 cm的斜撐進(jìn)行了豎向加載試驗(yàn)。

3.2 模型用土

地基土選用干燥中砂，試驗(yàn)前將所有試驗(yàn)砂放置烘箱內(nèi)烘干24 h。所選砂土界限粒徑d10、d30、d60分別為0.21 mm、0.43 mm和1.29 mm，平均粒徑d50為0.81 mm，不均勻系數(shù)Cu為6.14。為保證試驗(yàn)地基的密實(shí)度和均勻性，往模型箱內(nèi)填筑時(shí)采用分層壓實(shí)填筑。試驗(yàn)砂的最大和最小干密度分別為1.951 g/cm3和1.523 g/cm3，通過(guò)分層壓實(shí)后，試驗(yàn)地基土的密度為1.681 g/cm3，此時(shí)地基土的相對(duì)密實(shí)度為0.428，屬于中密砂。試驗(yàn)用砂的主要性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)砂的主要性質(zhì)參數(shù)Table 1 Mechanics Parameters of Soil

3.3 模型試驗(yàn)結(jié)果

為能更清晰地觀察加載結(jié)束后撐腳處地基土的變形及破壞情況，使用白石灰粉在地基土表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所劃分的網(wǎng)格單元為4 cm×4 cm的方格（圖4（a）），填土和底板安裝完畢后則開(kāi)始進(jìn)行加載試驗(yàn)。加載結(jié)束后記錄各工況下地基土的破壞情況，如圖4（b）—（f）所示。不同斜撐撐腳埋置長(zhǎng)度情況下的地基土破壞形式基本相同，均為地表的隆起開(kāi)裂，且破壞范圍和地表隆起量基本相同，破壞區(qū)域的形狀與底板單獨(dú)承載時(shí)相同，都表現(xiàn)為一個(gè)從底板端部處開(kāi)始擴(kuò)散的扇形區(qū)域，扇形破壞區(qū)域在垂直底板運(yùn)動(dòng)方向的尺寸為41 cm左右，在沿底板運(yùn)動(dòng)方向的尺寸為34 cm左右。

圖4 地基土破壞情況Fig.4 Failure states of the ground at brace foot

如圖3（b）所示，傳感器所采集的位移和荷載值分別是加載塊的下降高度h和加載塊上的豎向荷載。斜撐的軸向位移s=2/2h。斜撐所受到的軸力值則應(yīng)為電動(dòng)缸推桿所提供的豎向推力F沿斜撐軸線的分力，軸向壓力為軸力除以截面積計(jì)算獲得：P=2F/2A。對(duì)斜撐承載試驗(yàn)的位移和軸向壓力進(jìn)行處理后，得到斜撐承載的荷載-位移曲線（P-s曲線）如圖5所示。可以看到，組合承載時(shí)與底板單獨(dú)承載時(shí)的荷載-位移曲線的變化趨勢(shì)基本一致，均有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，取曲線發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的斜撐軸向壓力作為組合承載時(shí)的極限承載力Pu。圖5中底板單獨(dú)承載為斜撐撐腳無(wú)埋置深度對(duì)應(yīng)的荷載-位移曲線。

圖5 斜撐承載荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of diagonal braces

對(duì)應(yīng)于不同斜撐刺入深度的斜支撐極限承載力分別如下：斜撐沒(méi)有埋入時(shí)Pu=1566 kPa，對(duì)應(yīng)的斜撐位移L=15.23 mm；斜撐埋入長(zhǎng)度5 cm時(shí)，Pu=2687kPa，對(duì)應(yīng)的斜撐位移L=16.54 mm；斜撐埋入長(zhǎng)度10 cm時(shí)，Pu=3259 kPa，對(duì)應(yīng)的斜撐位移L=17.88 mm；斜撐埋入長(zhǎng)度15 cm時(shí)，Pu=3607 kPa，對(duì)應(yīng)的斜撐位移L=18.63 mm；斜撐埋入長(zhǎng)度20 cm時(shí)，Pu=3884 kPa，對(duì)應(yīng)的斜撐位移L=18.72 mm。可以看到，埋入撐腳+底板組合承載時(shí)的承載能力明顯大于底板單獨(dú)承載時(shí)的承載能力，在斜撐埋置長(zhǎng)度20 cm時(shí)，組合承載力約為底板單獨(dú)承載力的2.48倍，表明有一定埋深的斜撐撐腳可以有效提高斜撐整體的承載能力，且從圖5中可以看到隨著斜撐埋置長(zhǎng)度的增大，組合承載的承載力也不斷提高。埋置深度從5 cm（1倍管徑）增加到10 cm（2倍管徑）承載力提升幅度較大（21%），因此建議在實(shí)際工程應(yīng)用中確保斜撐撐腳有2倍管徑以上的埋置深度。

4 數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

為了進(jìn)一步從土體內(nèi)部變形及應(yīng)力等方面分析斜撐撐腳地基破壞模式，利用FLAC3D建立了斜撐承載試驗(yàn)的數(shù)值模型。數(shù)值模型尺寸均與物理模型一致，考慮到模型的對(duì)稱性，取一半進(jìn)行建模如圖6所示。數(shù)值模型的底面及側(cè)面邊界均為簡(jiǎn)支條件（限制法向位移），地表為自由邊界；斜撐橫截面為應(yīng)力邊界，施加軸向荷載。

其中藍(lán)色網(wǎng)格為斜撐撐腳及底板部分。模型試驗(yàn)中的斜撐模型采用的是鋼材，可認(rèn)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中斜撐鋼管處于線彈性變形狀態(tài)，故使用彈性本構(gòu)模型（elastic）進(jìn)行模擬，斜撐鋼管的相關(guān)模型參數(shù)如表2所示。地基土體選用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果選取，見(jiàn)表3。為更準(zhǔn)確反映鋼制斜撐與地基土之間的接觸和滑移作用，在斜撐與地基土之間建立接觸面單元進(jìn)行模擬（圖6）。地基土與底板接觸面摩擦角參數(shù)取值根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行反推確定。模型試驗(yàn)中的斜撐位移主要來(lái)自于土體自身的壓縮（由土體剛度決定）以及接觸界面的滑移（由接觸摩擦角控制），因此接觸面剛度參數(shù)根據(jù)FLAC3D程序手冊(cè)推薦的經(jīng)驗(yàn)方法選取。接觸面參數(shù)見(jiàn)表4。數(shù)值模型采用逐級(jí)加載方式計(jì)算，在斜撐的上表面施加均布法向壓力，在該級(jí)荷載作用時(shí)計(jì)算平衡后，讀取該級(jí)荷載作用下的斜撐軸向位移，最終繪制斜撐承載數(shù)值模擬獲得的荷載-位移曲線。

圖6 數(shù)值模型Fig.6 Numerical model

表2 斜撐鋼管及底板模型相關(guān)參數(shù)Table 2 Mechanics parameters of braces

表3 地基土體力學(xué)參數(shù)Table 3 Parameters of soil in numerical model

表4 接觸面單元力學(xué)參數(shù)Table 4 Parameters of interface in numerical model

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

上節(jié)室內(nèi)模型試驗(yàn)獲得了斜撐撐腳地基土承載能力的變化規(guī)律，利用數(shù)值模型計(jì)算能夠得到斜撐承載過(guò)程中地基土的變形特征，可對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效解釋。圖7為不同撐腳埋置長(zhǎng)度情況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果，與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看到利用數(shù)值計(jì)算得到的荷載-位移曲線與相對(duì)應(yīng)斜撐埋置長(zhǎng)度下的模型試驗(yàn)結(jié)果整體十分吻合，因此可以認(rèn)為該數(shù)值模型和相關(guān)參數(shù)的取值是合理可靠的，可以利用該模型開(kāi)展進(jìn)一步的分析。

圖7 斜撐承載數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between numerical results and model tests

圖8為斜撐模型達(dá)到承載力后的土體變形場(chǎng)，從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與圖4所示模型試驗(yàn)結(jié)果顯示出較為一致的隆起破壞模式。底板下方的土體變形最大，其次是底板前方的擋土。達(dá)到極限承載力后，地基土出現(xiàn)了一個(gè)圓弧形的滑動(dòng)面，說(shuō)明對(duì)應(yīng)極限承載能力的破壞狀態(tài)均為撐腳處地基土體出現(xiàn)被動(dòng)土壓力狀態(tài)。但由于斜撐的加入，產(chǎn)生被動(dòng)土壓力狀態(tài)的整體剪切滑動(dòng)面將隨著斜撐埋深而往更深處發(fā)展，因此也提高了達(dá)到被動(dòng)土壓力狀態(tài)時(shí)地基土體能夠提供支持斜撐撐腳的合力。

圖8 斜撐承載時(shí)地基土的變形Fig.8 Displacement filed in the ground at the failure state

圖9 顯示了沒(méi)有埋置斜撐撐腳和斜撐撐腳埋置長(zhǎng)度為20 cm兩種情況下的土體最大主應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由于斜撐在承載過(guò)程中產(chǎn)生位移，引起相應(yīng)位置地基土體壓應(yīng)力產(chǎn)生增量，因此土體最大主應(yīng)力（壓力）可以在數(shù)值上近似表示不同部位土體對(duì)斜撐產(chǎn)生的最大抗力。可以看到撐腳地基土體的主要抗力產(chǎn)生在底板下方。有無(wú)埋置斜撐撐腳的模型底板下最大主應(yīng)力均在200～450 kPa之間，兩者區(qū)別不大。但是斜撐撐腳有一定埋置深度的模型，在撐腳鋼管的端部和側(cè)部均出現(xiàn)了較大的主應(yīng)力增量，達(dá)到了400～600 kPa，大大超過(guò)了底板下土體提供的最大抗力。因此對(duì)于斜撐的極限承載能力，撐腳有埋置深度的斜撐比沒(méi)有埋置深度的斜撐更高。提高的承載能力主要來(lái)自由斜撐撐腳埋置段所受到的端阻力和側(cè)阻力。

圖9 撐腳地基破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的土體大主應(yīng)力場(chǎng)Fig.9 Maximum principal stress filed in the ground at the failure state

根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和數(shù)值分析揭示的現(xiàn)象，本文提出的裝配式斜撐承載機(jī)理可如圖10所示。當(dāng)斜撐撐腳具有一定埋置深度時(shí)，斜撐所受荷載將由斜撐和底板兩部分承擔(dān)。底板所受抗力分布在底板下方以及底板側(cè)方，其中側(cè)方抗力由于底板埋置深度較淺，遠(yuǎn)小于底板下方地基土所提供的抗力。斜撐撐腳埋入段側(cè)摩阻力及端阻力均較大，對(duì)斜撐整體承載力貢獻(xiàn)十分重要。隨著斜撐埋置深度加大，斜撐側(cè)阻力和端阻力的合力均會(huì)增加，因此斜撐極限承載力也隨之增加。

圖10 斜撐撐腳地基承載機(jī)理Fig.10 Bearing mechanism and failure modes

5 結(jié)論

本文提出了一種新型基坑裝配式斜撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，該斜撐應(yīng)用于基坑搶險(xiǎn)加固具有施工快速及可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。為揭示所提出的裝配式斜支撐的承載特性，進(jìn)行了室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究，結(jié)合試驗(yàn)及模擬結(jié)果分析了斜撐撐腳地基的變形特征、承載機(jī)理及破壞模式。

斜撐所受荷載將由斜撐和底板兩部分共同承擔(dān)；底板下方地基土所提供的抗力遠(yuǎn)大于底板側(cè)方土體；斜撐+底板組合承載時(shí)的承載力明顯大于底板單獨(dú)承載時(shí)的承載力，且組合承載力隨著斜撐的埋置長(zhǎng)度增加不斷增大，表明斜撐與底板共同承載具有良好的效果。

斜撐撐腳埋入段側(cè)摩阻力及端阻力均較大，對(duì)斜撐整體承載力貢獻(xiàn)十分重要，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中要確保斜撐撐腳有2倍管徑以上的埋置深度。

本文模型試驗(yàn)揭示的承載機(jī)理和破壞模式適用于砂土地層，有必要進(jìn)一步開(kāi)展針對(duì)軟黏土地層的斜撐穩(wěn)定性研究。