北京某深基坑支護(hù)體系穩(wěn)定性研究

許昭

摘要：隨著城市地下空間的發(fā)展，深基坑的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)越來越重要。通過對(duì)北京市某自來水搶險(xiǎn)中心地下工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，cable單元模擬錨桿，beam及pile分別模擬腰梁及支護(hù)樁，得出不同施工階段下基坑側(cè)壁的位移、樁頂位移及錨桿軸力的變化規(guī)律。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)得出開挖深度對(duì)基坑側(cè)壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律，可為類似基坑工程提供參考。

Abstract： With the development of city underground space， the deep foundation pit stability evaluation become more and more important. Through the monitoring of underground engineering in Beijing city tap water rescue center and FLAC3D numerical model， cable is used to simulate the beam and pile were used to simulate the anchor retaining pile and beam waist， we can obtain the shear displacement simulation of foundation pit wall， the variation of pile top displacement and the axial force of the anchor in different construction stages. Combining with the actual engineering experience， we can obtain the influence of excavation depth on the stability of foundation pit， which can provide reference for similar foundation pit engineering.

關(guān)鍵詞：基坑；樁錨支護(hù)；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

Key words： foundation pit；piled anchor supporting；numerical simulation；stability

中圖分類號(hào)：TV551.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0100-04

0 引言

隨著城市地下工程的增多，如何有效地利用這些地下空間引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。地下空間的利用也從最早的防空工程發(fā)展成地下停車場(chǎng)、地下超市、車站等。地下空間工程的規(guī)模也隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越大，地下空間的開發(fā)利用越來越受到重視，都極大地推動(dòng)了基坑工程理論與技術(shù)水平的快速發(fā)展，然而基坑尺度的大深化、變形控制的嚴(yán)格化、支護(hù)形式的多樣化及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境等因素使基坑支護(hù)的難度越來越大因此基坑工程具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求[1-5]。張欽喜[6]等學(xué)者結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及土壓力反分析驗(yàn)證了其提出的土壓力反算的可行性；相關(guān)文獻(xiàn)[7-11]以實(shí)際工程為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)深基坑支護(hù)樁水平位移及樁頂位移進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，提前預(yù)警，以達(dá)到安全、高效、經(jīng)濟(jì)的施工目的。

1 深基坑工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

北京市自來水搶險(xiǎn)中心地基基礎(chǔ)工程位于北京市四季青鎮(zhèn)，工程場(chǎng)區(qū)最高地下水位標(biāo)高為27.2m左右，擬建基坑地下水位埋藏較深，可不考慮其水質(zhì)對(duì)擬建建筑物基礎(chǔ)的腐蝕問題?？碧?2m范圍分布土層主要分為三大類：人工堆積層、新近沉積層及第四紀(jì)沉積層。人工堆積層為碎石素填土①層和人工堆積的房渣土，有機(jī)質(zhì)粘土素填土、粉質(zhì)粘土素填土、粘質(zhì)粉土素填土①層及有機(jī)質(zhì)重粉質(zhì)粘土素填土①層。新近沉積層細(xì)分為重粉質(zhì)粘土、粘土②層，粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土②層及砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土②層；卵石、圓礫③層及細(xì)砂、中砂③層。第四紀(jì)沉積層分布于新近沉積層之下，為一般第四紀(jì)沉積之卵石④層，砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土④層及粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土④層；卵石⑤層及中砂⑤層；粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土⑥層，砂質(zhì)粉土⑥層，中砂⑥層及卵石⑥層。

1.2 支護(hù)方案

基坑采用鉆孔灌注樁加錨桿支護(hù)方式，樁徑0.8m，樁間距1.6m，樁長(zhǎng)16.8m，嵌固深度5.2m，樁頂標(biāo)高53.4m，樁配主筋樁配主筋15C22，箍筋A(yù)8@200，加強(qiáng)筋C16@2000連梁主筋8C22、2C16，箍筋A(yù)6.5@200，有A8@400鋼筋鉤。連梁尺寸為0.9m×0.6m，樁/連梁砼強(qiáng)度為C25；預(yù)應(yīng)力錨桿采用鋼絞線，自由段長(zhǎng)度7m，錨固段長(zhǎng)度15m，鎖定錨固力340kN。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

測(cè)試施工過程以及后續(xù)一段時(shí)間整個(gè)工程場(chǎng)地地層的空間變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)，測(cè)試項(xiàng)目包括地表沉降、地表水平位移、樁側(cè)土壓力、樁身應(yīng)力、冠梁應(yīng)力和冠梁位移等。

1.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1.4.1 樁頂位移隨時(shí)間的變化規(guī)律

基坑外邊土體產(chǎn)生位移的大小、周邊建筑物和管線及設(shè)施的安全等都與樁頂位移的大小有很大關(guān)系，所以，在基坑的施工過程中，對(duì)基坑監(jiān)測(cè)的中點(diǎn)則放在了樁頂位移的監(jiān)測(cè)上。圖1為樁頂位移變化較大的四個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移隨基坑開挖的曲線分布。

由圖1分析可知：在基坑開挖初期，樁頂水平位移及豎向位移均相對(duì)較小，隨著基坑開挖深度逐漸增大，樁頂水平位移及豎向位移均呈增大趨勢(shì)；樁頂水平位移隨著開挖深度的增加其變化速率呈先勻速后加速再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，當(dāng)開挖階段達(dá)到最大時(shí)，曲線曲率最大，但隨著樁及預(yù)應(yīng)力錨桿的共同作用，系統(tǒng)逐漸趨于平衡，位移值在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

1.4.2 預(yù)應(yīng)力錨桿軸力隨時(shí)間變化規(guī)律

錨桿軸力隨施工進(jìn)度的變化規(guī)律見圖2。

第一階段，預(yù)應(yīng)力錨桿在張拉鎖定完成后，軸力迅速下降，錨桿的預(yù)應(yīng)力損失比較嚴(yán)重，卸荷值達(dá)到了設(shè)計(jì)值的15%-20%。錨桿材料的預(yù)應(yīng)力損失、土體的蠕變、錨頭夾具、張拉系統(tǒng)、錨頭所在的工字鋼橫梁的預(yù)應(yīng)力損失等這些都將可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，使曲線出現(xiàn)了下降階段。

第二階段，隨著基坑開挖深度的不斷增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，基坑周圍土體向坑內(nèi)的壓力也在增大，這些都使得錨桿軸力增大，出現(xiàn)了上升階段。觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，錨桿軸力的變化曲率逐漸減小，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變形協(xié)調(diào)，并漸漸趨于穩(wěn)定。

第三階段，在這階段錨桿軸力變化很小，基本趨于穩(wěn)定，這個(gè)階段曲線呈平穩(wěn)趨勢(shì)，這說明錨桿與土體之間的作用已基本穩(wěn)定。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

本文選擇基坑?xùn)|南側(cè)側(cè)鄰近建筑物部分的基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析。同時(shí)，為保證模擬效果，模型還應(yīng)該足夠大，根據(jù)基坑開挖11.4m，設(shè)定模型高度為20m，根據(jù)最長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度為22m，設(shè)定模型長(zhǎng)度為50m，并設(shè)定模型寬度為13m，以消除邊界條件的影響。此模型范圍涵蓋42根雙排樁，8根單排樁，62根錨桿，支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

模型由27895個(gè)節(jié)點(diǎn)、24320個(gè)單元體所組成。共分三步進(jìn)行開挖，第一、二步分別挖3.5m，第三步挖4.4m。詳細(xì)土層物理指標(biāo)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、2、3。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 基坑水平位移分析

從圖4（a）、（b）、（c）可以看出：①隨著基坑不斷挖深，基坑的水平位移及其影響范圍逐漸增大且位移均指向基坑內(nèi)部。第三次開挖時(shí)水平位移的數(shù)值達(dá)到最大16mm，符合規(guī)范要求。②從坡頂邊緣沿基坑側(cè)壁向下，基坑四周土體的水平位移值不斷減小。因?yàn)榛悠马敒槿斯ざ逊e層，而往下走為卵石層，人工堆積層物理力學(xué)性質(zhì)較差，導(dǎo)致坡頂水平位移值大于基坑下側(cè)水平位移值。③從基坑坡頂邊緣向外，水平位移值漸漸變小，表明臨空面?zhèn)葦_動(dòng)大。④基坑開挖會(huì)為基底下方區(qū)域產(chǎn)生影響，尤其是第一次開挖時(shí)影響更明顯。

2.2.2 基坑豎向位移分析

對(duì)近幾年來基坑失穩(wěn)破壞的案例進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，基坑水平位移是導(dǎo)致基坑失穩(wěn)的一個(gè)重要因素，因此，在基坑數(shù)值模擬計(jì)算中，對(duì)基坑水平位移的研究是很有必要的。通過基坑水平位移云圖可得，基坑各施工工序進(jìn)行時(shí)周圍土體水平位移量的大小及影響范圍，并對(duì)變形較大的工序施工時(shí)予以重視，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于變形較大的地方施工時(shí)可適當(dāng)增加樁錨密度等，從而為基坑的施工提供一定幫助。

由圖5（a）、（b）、（c）可以看出：①三次開挖產(chǎn)生基底隆起最大值依次為7mm、14mm、17.5mm，且發(fā)生在基坑的中間部位，開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放是影響基底隆起的主要因素。基坑不斷開挖加深，產(chǎn)生的應(yīng)力釋放逐漸增加，所以第三步開挖產(chǎn)生的基底隆起值最大。②基底平面處隆起值最大，且離基底處越遠(yuǎn)隆起值越小。③基坑沉降的最大值為第三次開挖時(shí)的5.74mm，沉降值極值發(fā)生在離基坑側(cè)面一定距離處。④從上圖可見，隆起值明顯比沉降值大，可能是因?yàn)镕LAC3D未考慮時(shí)間效應(yīng)。施工時(shí)，基坑開挖后底部隆起需要經(jīng)過一段時(shí)間之后才會(huì)產(chǎn)生，而數(shù)值模擬時(shí)只要挖掉土體網(wǎng)格，隆起立即產(chǎn)生。

2.2.3 護(hù)坡樁水平位移分析

基坑不斷開挖，護(hù)坡樁受到的土壓力逐漸增加，必然引發(fā)樁體發(fā)生水平位移和變形，當(dāng)變形大到一定程度后支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)失穩(wěn)破壞且易造成安全事故，所以護(hù)坡樁在開挖過程中的變形進(jìn)行研究是必要的。

從圖6可以得出：①整體而言，護(hù)坡樁水平位移隨開挖深度的增大而單調(diào)遞增；②第一步開挖進(jìn)行時(shí)，護(hù)坡樁的水平位移突然增大，最大位移達(dá)到5mm，第二、三次開挖時(shí)位移也是突然增大；③當(dāng)每次施加錨桿工序完成時(shí)，樁頂水平位移均有所回彈，這說明了預(yù)應(yīng)力錨桿起了作用；④第三次開挖，由于開挖深度較大，水平位移增大速率很快，后期趨于穩(wěn)定，最大水平位移為16mm。

2.2.4 錨桿軸力分析

該基坑工程施加了兩排預(yù)應(yīng)力錨桿，分三次開挖，下圖為第一、二排錨桿隨基坑開挖而產(chǎn)生的軸力變化圖（圖7）。

從圖7可以看出：①錨桿在張拉鎖定后，隨著基坑不斷開挖，土體發(fā)生卸荷作用，土體發(fā)生相對(duì)位移，形成摩擦力并傳給錨桿，所以作用于錨桿的拉力逐漸增大，逐步發(fā)揮了作用；②在施加第二道錨桿后，第一道錨桿軸力有所減小，可能是因?yàn)榈诙厘^桿承擔(dān)了部分土壓力；③隨著開挖的進(jìn)行，錨桿所承受的拉力逐步趨于穩(wěn)定。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果略小于數(shù)值模擬結(jié)果，但曲線的變化趨勢(shì)基本一致，表明FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)基坑工程的施工具有指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

本文結(jié)合北京市自來水搶險(xiǎn)中心深基坑支護(hù)項(xiàng)目，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑開挖和支護(hù)過程進(jìn)行分析，探討了基坑位移、樁頂位移及預(yù)應(yīng)力錨桿軸力隨基坑開挖的變形情況，主要結(jié)論總結(jié)如下：

①各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量都在警戒值范圍內(nèi)，在基坑地板施工完成后，變形量明顯減小，且變形趨于穩(wěn)定。②基坑水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增大，在第三次開挖時(shí)水平位移達(dá)到最大；基底隆起最大值發(fā)生在基坑中間部位，沉降最大值出現(xiàn)在離基坑側(cè)面一定距離處，且由于數(shù)值模擬時(shí)未考慮時(shí)間效應(yīng)，隆起值明顯比沉降值要大的多；樁頂水平位移在每次開挖時(shí)均會(huì)突然增大，且在每次施加預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)位移值均會(huì)有所回彈；在施加第二道錨桿后第一道錨桿的軸力值有所減小。③通過數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，表明其結(jié)果基本一致，數(shù)值模擬對(duì)基坑的現(xiàn)場(chǎng)施工具有指導(dǎo)意義。

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