非平衡堆載下基坑支護結構位移及內力分析*

徐宏增,楊開放,陳方民,孔躍躍,徐長節,5,丁 智

(1.宏潤建設集團股份有限公司,上海 200235; 2.浙江大學平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310058; 3.杭州市錢江新城建設開發有限公司,浙江 杭州 310020; 4.中鐵十四局集團第四工程有限公司,山東 濟南 250002; 5.華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室,江西 南昌 330013; 6. 浙大城市學院工程學院,浙江 杭州 310015)

0 引言

目前,基坑工程仍是地下空間研究的熱點問題之一。由于基坑工程場地的限制,導致建筑材料及土體常堆積在坑周附近,所以基坑堆載現象越來越普遍。因基坑兩側堆載的荷載不同,兩側支護結構承受不同的應力分布,進而產生多余的變形和內力,有無堆載對基坑的變形與受力有很大區別。

常規的基坑設計主要是針對兩側無堆載情況下的平衡基坑工程,并且相關學者也做了大量關于無堆載基坑工程的研究[1-3],而關于非平衡堆載下的基坑工程研究比較匱乏。徐長節等[4-5]通過解析解和有限元軟件研究兩側開挖深度不同的非對稱基坑,并得出不同挖深差下基坑變形及圍護結構的設計參數。吳劍鋒[6]和蔡袁強等[7]通過有限元軟件研究了不同開挖深度下的支護結構內力和變形,提出在基坑設計中需要考慮由于不同挖深產生的支護結構位移和內力,并對基坑支護結構設計進行了優化研究。金亞兵等[8]歸納總結非對稱荷載的5種典型類型,提出了非對稱荷載條件下深基坑支護結構設計計算方法。石鈺鋒等[9]和路小軍等[10]以地鐵基坑為背景,分別用實測數據和有限元軟件分析了偏壓基坑的支護結構內力和變形,并歸納了非對稱超載條件下內力和變形的分布規律。

綜上所述,關于無堆載基坑開挖引起支護結構內力及變形的研究較多,而關于非平衡堆載下基坑工程的變形研究較少。本文以杭州市兩側非平衡堆載的管廊基坑為背景,通過有限元軟件建立數值模型,并分析不同堆載高度下基坑開挖引起支護結構的內力和變形,文中得到的方法和結論可為類似工程提供參考。

1 工程概況

杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊基坑呈長條形,基坑開挖長度為980.0 m,開挖寬度為6.9 m,開挖深度達到6.35 m。如圖1所示,由于基坑開挖施工受兩側土體分布的影響,只平整了基坑一側的土體,而對另一側土體則采用了放坡支護形式,因此基坑兩側的堆土產生了1.0～3.0 m的高差,導致該基坑兩側處于非平衡堆載狀態。本基坑支護結構采用SMW工法樁加內支撐的形式,其中采用直徑850 mm、間距600 mm的SMW工法樁,設計長度為14.5 m,內支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐,第1道鋼筋混凝土支撐的截面尺寸是1.2 m×0.8 m,第2道支撐采用φ609鋼管支撐,典型支護結構剖面如圖2所示。

圖1 基坑現場Fig.1 Field of foundation excavation

圖2 典型支護結構剖面Fig.2 Profile of retaining structure of foundation excavation

2 數值模型建立

2.1 土體本構模型選取

巖土工程實踐表明,土體在破壞前實際上在荷載作用下處于小應變狀態。小應變土體硬化模型(hardening soil model with small-strain stiffness,簡稱HSS模型)具有土體的剪切模量隨應變增大而減小的特點,并能體現出軟黏土的壓硬性和剪脹性,可以區分土體的加卸載剛度[11-12],因此數值模型的土體使用HSS本構模型,土體參數取值如表1所示。

表1 模型土體參數Table 1 The paremeters of soil model

2.2 邊界條件

由于該管廊基坑具有狹長形的特點,基坑長度遠大于寬度,因此采用有限元軟件PLAXIS建立二維平面應變的數值模型。根據前人研究經驗[13-14],模型水平方向上取基坑開挖深度的4倍,豎直方向上取基坑開挖深度的3倍,如圖3所示。同時模型的邊界條件為下表面全部約束,側面只約束法向位移,頂部為自由面。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 模型參數選取

基坑工程中的堆載土體是由于場地未全部進行平整而遺留下的土體,該部分堆載土體和填土具有相同的參數。在PLAXIS中使用板單元來模擬SMW工法樁,通過增加界面單元實現樁與土之間的相互作用,SMW工法樁的模型參數以設計參數為依據;基坑支護結構中的混凝土支撐和鋼支撐用點對點錨桿進行模擬;采用板單元來模擬護坡噴漿,各支護結構參數取值如表2所示。

表2 各支護結構參數Table 2 Parameters of retaining structure

2.4 開挖工況

根據現場工況,有限元模擬具體步驟為:①建立場地及基坑模型;②初始平衡地應力,重置初始地應力產生的位移為0;③激活基坑支護結構。具體基坑開挖的關鍵工況如表3所示。

表3 開挖階段關鍵工況Table 3 Key construction stages

2.5 模型驗證

如圖4所示,在基坑施工過程中,通過對比分析支護樁水平位移的監測值與有限元模型的計算值,無論是無堆載的左側還是有堆載的右側,計算值與監測值的變化規律基本吻合,支護樁的最大水平位移幾乎一致且均在基坑坑底附近,驗證了該有限元模型的正確性與準確性。在本模型中,未能考慮局部支護結構的加固作用,所以支護樁的計算值會偏大。

圖4 樁體水平位移計算值與實測值比較Fig.4 Comparison of calculated and measured value of horizontal displacement of pile

3 計算結果分析

為研究由土體堆載高度引起基坑支護結構的位移和內力變化規律,通過有限元軟件建立6種不同的數值模型,左側土體始終處于無堆載狀態,而右側土體堆載高度分別為0,0.5,1.0,1.5,2.0 m和3.0 m。

3.1 支撐水平位移分析

如圖5a所示,基坑處于工況2階段,當基坑兩側無堆載時(堆載高度0 m),第1道支撐向坑內產生位移且兩側水平位移值相同;當右側堆載高度增加到3.0 m時,第1道支撐左側的位移逐漸減小并轉為向坑外位移,位移值從0.7 mm減小至-1.6 mm,變化量為328.6%,第1道支撐右側的位移向坑內運動的趨勢更為顯著且增加速率較快,位移值由0.7 mm增加至4.9 mm,增加了600.0%。

圖5 支撐的水平位移變化Fig.5 Horizontal displacement of support

如圖5b所示,當基坑開挖深度增加到6.35 m時(工況3階段),當基坑右側堆載高度增加時,第1道支撐左右兩側位移變化規律和第2道支撐相同,但第2道支撐的右側位移大于第1道支撐的右側位移。當基坑右側堆載高度達到3.0 m時,第1道支撐左右兩側位移變化量分別為-484.3%和757.1%(位移變化量達到7倍以上);第2道支撐左右兩側位移變化量分別-72.0%和201.8%。

3.2 支撐軸力分析

如圖6所示,無論是工況2還是工況3,支撐軸力都會隨著堆載高度的增加而增加,這是由于堆載高度的增大,樁后主動土壓力也會隨之增加,支撐需要承受更多的軸力以抵抗主動土壓力。當基坑處于工況3階段時,同步架設了支護結構的第2道支撐,第1,2道支撐的軸力均隨堆載高度的增加而增加,但第1道支撐軸力隨基坑開挖深度的增加而減小,這是由于第2道支撐的施工架設,第1道支撐的軸力會重新分布并傳遞給第2道支撐,所以第1道支撐軸力增加速率變緩,而第2道支撐軸力的增加速率較快。因此近鄰基坑存在堆載時,應當及時監測基坑支撐軸力的變化,防止支撐失效。

圖6 支撐的軸力變化Fig.6 Axial force variation of support

3.3 樁體深層水平位移

從數值模型計算結果中,提取基坑左右兩側樁體在不同堆載高度下的計算數據,繪制樁體水平位移曲線如圖7所示。由圖7可知,基坑兩側支護樁的水平位移隨著堆載高度的增加而增加,特別是樁頂位移變化較為明顯,并且支護樁最大水平位移值始終處于基坑坑底-6.4 m附近。①基坑兩側無堆載時,兩側樁體位移變化趨勢基本一致,呈對稱分布;②當基坑右側的堆載逐漸增加時,基坑右側的支護樁需要承受更大的主動土壓力,導致支護結構產生向左(坑內)的位移,基坑右側支護樁內力和位移通過支撐傳遞給左側的支護樁,因此左側支護樁也會產生向左(坑外)的位移;③堆載高度越高時,左側支護樁向坑外位移的趨勢越明顯。

圖7 樁體深層水平位移變化Fig.7 Variation of horizontal displacement of pile

4 結語

以杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊非平衡堆載基坑為背景,建立相關有限元模型,分析了由非平衡堆載引起的支護結構內力和位移的變化,主要得到以下結論。

1)本文通過有限元軟件建立非平衡堆載下基坑開挖的數值模型,現場實測數據充分驗證數值模型的準確性,本模型所選取的參數可為相似工程提供借鑒。

2)基坑右側存在非平衡堆載時,支撐的變形和受力會明顯不同于平衡堆載時的情況,當非平衡堆載高度達到3.0 m時,支撐向坑內位移的增量達到7倍以上,并且第2道支撐承受的軸力顯著增大。

3)當基坑處于非平衡堆載作用下,左右兩側支護樁的水平位移趨勢相反,尤其要注意由堆載大小引起的右側支護樁發生破壞的風險。

4)基坑監測單位應及時監測支撐的內力和位移,同時也要監測支護樁的水平位移,防止基坑支護結構因位移及內力的快速增長而失效。