框架逆作與順作超大深基坑變形特性對比研究

柏 挺，陳仕洋，李文翔

(1.廣西建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站， 廣西 南寧 530022；2.廣西住房和城鄉(xiāng)建設廳保障處， 廣西 南寧 530028；3.廣西住房和城鄉(xiāng)建設廳設計處， 廣西 南寧 530028)

框架逆作與順作超大深基坑變形特性對比研究

柏 挺1，陳仕洋2，李文翔3

(1.廣西建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站， 廣西 南寧 530022；2.廣西住房和城鄉(xiāng)建設廳保障處， 廣西 南寧 530028；3.廣西住房和城鄉(xiāng)建設廳設計處， 廣西 南寧 530028)

框架逆作法；三維有限元分析；變形特性

深基坑工程既涉及到土力學的強度、變形與穩(wěn)定性問題，又涉及到土與支護結(jié)構(gòu)的共同作用問題。隨著基坑的深、大化，對基坑自身和基坑周邊環(huán)境的安全性提出了挑戰(zhàn)，對基坑的基坑支護方案設計也提出了更高的要求[1]。合理的基坑支護方案設計應從多方面考慮，而基坑的變形預測分析一直是變形控制的基坑設計中的核心內(nèi)容之一[2-3]。準確的預測基坑的變形，預測其對周圍環(huán)境的影響，有利于對基坑的支護方案設計進行不斷地優(yōu)化，進而將基坑周圍土體變形限制在允許范圍內(nèi)，確?；又車?構(gòu))筑物、地下管線等設施的正常運營。

超大面積深基坑工程目前常用的施工方案主要有常規(guī)順作法和傳統(tǒng)逆作法(即樓板逆作法)[4]。常規(guī)順作法施工超大面積深基坑，需要設置大量的臨時支撐，造成了資源的浪費，不符合當前社會節(jié)能環(huán)保的主題，而且支撐整體剛度小的特點決定了其控制變形的能力相對較弱[5]。針對傳統(tǒng)施工方法存在的問題和缺點，近年來在上海深基坑工程實踐中，發(fā)展出一種與傳統(tǒng)逆作法不同的新型半逆作法技術——框架逆作法?？蚣苣孀鞣ńY(jié)合了順作法和逆作法的施工優(yōu)點，僅需先澆筑框架梁，樓板待土方開挖完成后再澆筑，既加快了土體開挖和支撐安裝速度，又滿足了支撐體系的剛度要求[6]。

傳統(tǒng)的解析方法[1]在理論上都存在各自的局限性。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元法作為一種高效結(jié)構(gòu)分析方法，在眾多領域中得到了廣泛應用，數(shù)值分析方法已經(jīng)變成了深基坑工程最有效的分析手段之一[7]?？蚣苣孀鞣ㄊ┕さ纳罨泳哂袕碗s的支護結(jié)構(gòu)，開挖過程是一個土與結(jié)構(gòu)共同作用的三維問題。因此，對于不規(guī)則形狀的基坑，建立三維有限元模型進行模擬分析是很有必要的。

徐中華等[8]研究總結(jié)了各種土體模型在基坑工程分析中的適用性，綜合文獻[9]研究結(jié)果可見，彈性模型并不適合用于基坑開挖的分析，因為彈性模型不能反映土體的塑性性質(zhì)。小應變模型雖然可以體現(xiàn)土體更復雜的一些性質(zhì)[10]，但該模型的試驗參數(shù)較多，部分參數(shù)很難確定，這大大降低了它的適用性。

1 工程概況

1.1 基坑和周邊環(huán)境概況

背景工程基坑長、寬分別為251 m和189 m，基坑總面積約46 240 m2，屬超大型深基坑?；訓|側(cè)地下室距離23紅線約5.6 m，紅線外是寬約20 m的錦康路，道路對面為香梅花園，地下室外墻距離香梅花園建筑物(樁基)在30 m以上。南側(cè)地下室距離紅線約5.2 m，地下室外墻距離酒店主樓約35.1 m，這些建筑物均為純樁基礎，分界線附近無地下管線。西側(cè)地下室距離紅線約5.5 m，紅線外是寬約15 m的城市綠化帶，綠化帶外是寬約60 m的楊高南路；北側(cè)地下室距離紅線約5.1 m，紅線外是寬約10 m的城市綠化帶，綠化帶外是寬約40 m的花木路?？偟膩碚f，基地周邊環(huán)境條件十分復雜，對環(huán)境保護的要求較高，其與周圍環(huán)境的平面關系見圖1。

圖1 建筑平面圖

1.2 水文地質(zhì)情況與土體本構(gòu)模型

Hardening-Soil模型是一個高級本構(gòu)模型(簡稱HS模型)，可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體力學行為[11]。HS模型考慮了土體剛度的應力依賴性，并使用三個剛度(割線模量E50、回彈模量Eur及壓縮模量Eoed)來描述土體特性，不僅能區(qū)別土體加載與卸載，還考慮了軟黏土的應變硬化特征，且其剛度依賴于應力歷史和應力路徑，給出的墻體變形及墻后土體變形情況也較為合理[12]，HS模型具有以下物理力學性質(zhì)：在主偏量加載下，土體的剛度下降，并產(chǎn)生了不可逆的塑性應變；在三軸排水試驗中，軸向應變和偏應力的關系可以近似地用雙曲線來描述[13-14]。土體硬化分為剪切硬化與壓縮硬化，當土體的塑性應變是由初始偏應力產(chǎn)生時，用剪切硬化進行模擬。當土體的塑性應變是由靜水壓力產(chǎn)生時，用壓縮硬化進行模擬。使用HS模型可以分別分析這兩種硬化條件，因此本文數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型選用HS模型。

本基坑地下水靜止水位深度約為1.30 m，基坑開挖深度一般為13.5 m～15.0 m，局部深度達到20.5 m，應驗算基坑底部的穩(wěn)定性。各土層的物理力學參數(shù)以及土體模型相關計算參數(shù)見表1。

表1 土的物理力學指標及模型計算參數(shù)

2 基坑的三維數(shù)值模型建立

根據(jù)工程概況可知，本工程實例屬于較規(guī)則的基坑形狀，支護結(jié)構(gòu)近似對稱，為方便建模并節(jié)約計算資源，本文分析過程中在原基坑的東南角方位取1/4開挖平面，建立1/4對稱區(qū)塊模型。計算模型范圍為260 m×210 m×90 m，其中開挖區(qū)域的長、寬和挖深分別為146.0 m、108.0 m和13.6 m。本文計算模型基坑邊緣到邊界的距離均大于最大開挖深度的7倍，基坑深度方向取90 m，以盡量減小模型邊界條件對基坑變形的影響。水平支撐形式采用全框架梁形式，三維數(shù)值模型見圖2。

圖2 基本分析模型

3 不同方案基坑變形對比

3.1 圍護墻體變形比較

圖3為不同開挖方案基坑中心對稱面上各開挖階段下圍護墻最大側(cè)移對比情況，由圖3可以看出三者圍護墻的變形形態(tài)基本一致，最大位移均處于開挖面的附近。基坑開挖至底時，三者墻體最大位移對比關系為：順作法(53.8 mm)>框架逆作法(39.3 mm)>全逆作法(34.3 mm)。另外，由于順作法需要拆除臨時支撐，造成二次變形達6 mm左右，順作法最終墻體變形為59.5 mm。

由于支撐剛度較小，順作法施工的基坑圍護墻的頂端和底端位移也要遠大于其他兩種方法。在墻體最大位移位置方面，基坑開挖至底時：順作法施工的基坑圍護墻最大位移位于墻體的-13.6 m處，拆除臨時支撐后，由于支撐的位置發(fā)生改變，圍護墻最大位移出現(xiàn)在墻體的-12.8 m處；框架逆作法施工的基坑圍護墻體最大位移發(fā)生位置為墻體的-13.6 m處；全逆作法施工的基坑圍護墻體最大位移發(fā)生位置為墻體的-14.1 m處。這是因為順作法施工基坑，拆除支撐后，支撐位置上移，導致墻體最大位移上移，而全逆作法相比框架逆作法，支撐位置不變，但支撐剛度加大，導致墻體最大位移位置下移。這說明三種施工方法因為支撐剛度和支撐位置的改變，而最大位移和最大位移發(fā)生位置也相應的發(fā)生改變，其中，全逆作法墻體位移最小，僅為開挖深度的0.25%，最大位移位置最靠下，位于-14.1 m處；順作法墻體位移最大，為開挖深度的0.39%，最大位移位置最靠上，位于-12.8 m處。

圖3 不同開挖方法圍護墻側(cè)移對比

3.2 墻后地表沉降比較

圖4為不同施工方案基坑中心對稱面上各開挖階段下墻后地表沉降對比情況。由圖4可以看出三者地表沉降形態(tài)基本相似，與圍護墻體的位移相對應。基坑開挖至底時，三者最大地表沉降對比關系為：順作法(27.8 mm)>框架逆作法(14.9 mm)>全逆作法(13.2 mm)。另外，由拆除臨時支撐造成二次沉降達4 mm左右，順作法最終地表沉降為32.0 mm。因為支撐剛度較小，順作法施工的基坑靠近墻體的沉降也要遠大于其他兩種方法。地表沉降最大位置方面，基坑開挖至底時：順作法施工的基坑地表最大沉降位于墻體的-10 m處，拆除臨時支撐后，最大地表沉降位置并未發(fā)生明顯變化；框架逆作法施工的基坑和全逆作法施工的基坑最大地表沉降發(fā)生位置位于墻后-12 m處。三種施工方法墻后地表沉降因水平支撐剛度的改變而改變，水平支撐剛度越小，靠墻處土體沉降和墻后最大沉降越大，而最大沉降發(fā)生位置越靠近圍護墻。

圖4 不同開挖方法截面處墻后地表沉降對比

3.3 二次變形

圖5為不同施工方法圍護墻二次變形對比，具體圍護墻位置如圖右上角所示。由圖5可看出，順作法基坑拆除臨時起的墻體位移分別為3.9 mm和1.6 mm，而拆除第一道支撐時墻體最大位移增大0.2 mm，幾乎沒有發(fā)生變化，這是因為基坑的土壓力由第3道和第2道支撐承擔大部分，圍護墻變形增長主要集中在開挖面以下較深的位置，因此拆除第一道支撐對基坑總變形影響并不大。

圖5 不同施工方法圍護墻二次變形對比

由于背景工程采用的是框架梁結(jié)合臨時圓環(huán)支撐的支撐體系設計方案，因此這里對拆除臨時圓環(huán)支撐造成的二次變形也進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)拆除臨時圓環(huán)支撐后，圓環(huán)區(qū)域的墻體變形總體上略有增大，但不超過1.5 mm，非圓環(huán)區(qū)域由于樓板或框架梁的支撐剛度足夠大，墻體變形基本不變。

另外，通過不同臨時支撐的水平剛度對比發(fā)現(xiàn)，基坑開挖至底時臨時水平支撐剛度越大，墻體最大位移明顯越小，但拆撐后墻體二次變形量卻越大。這說明二次變形與水平支撐剛度大小有關。另一方面，即使臨時支撐水平剛度已經(jīng)較小，至坑底時墻體已經(jīng)發(fā)生較大變形，但拆撐后依然存在一定量的二次變形，這部分的變形主要是由水平支撐位置改變造成的，且伴隨水平支撐位置的上移，最大位移發(fā)生位置也同時上移，不同支撐剛度下順作基坑圍護墻最大位移發(fā)生位置基本一致。

綜上，順作基坑的二次變形主要是由于支撐位置的調(diào)整造成的，其大小與臨時支撐與主體結(jié)構(gòu)梁板的間距以及臨時支撐水平剛度大小有關，間距越大，二次變形越大，臨時水平支撐剛度越大，二次變形越大。

4 結(jié) 論

(1) 順作法、全逆作法和框架逆作法因為支撐剛度和支撐位置的改變，最大位移和最大位移發(fā)生位置也相應發(fā)生改變。其中，全逆作法墻體側(cè)移最小，最大位移位置最靠下；順作法墻體位移最大，為最大位移位置最靠上?；娱_挖至底時，順作法基坑墻體最大側(cè)移量要大于框架作法和全逆作法基坑。全逆作法基坑與框架逆作法基坑變形規(guī)律相似，相應的側(cè)移量比框架逆作法基坑略小。

(2) 順作法施工的基坑靠近墻體的沉降也要遠大于全逆作法和框架逆作法。三種施工方法墻后地表沉降因水平支撐剛度的改變而改變，水平支撐剛度越小，靠墻處土體沉降和墻后最大沉降越大，而最大沉降發(fā)生位置越靠近圍護墻。

(3) 順作法基坑拆除臨時支撐引起圍護墻體發(fā)生6 mm左右的二次變形，其中拆除第3道支撐、第2道支撐時引起的墻體位移分別為3.9 mm和1.6 mm，而拆除第一道支撐時對墻體最大位移影響較?。涣硗忭樧骰拥亩巫冃沃饕芍挝恢玫母淖円鸬?，其變形量的大小與水平支撐位置改變量以及臨時水平支撐剛度的大小有關。

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Contrastive Analysis of Deformation Characteristics of Excavations Constructed by Frame Top-down and Bottom-up Methods

BAI Ting1, CHEN Shiyang2, LI Wenxiang3

(1.ConstructionEngineeringQualitySupervisionHeadStationofGuangxi,Nanning,Guangxi530022,China;2.SecurityDepartmentoftheHousingandConstructionDepartmentofGuangxi,Nanning,Guangxi530028,China;3.DesignDepartmentoftheHousingandConstructionDepartmentofGuangxi,Nanning,Guangxi530028,China)

frame-top-down method; 3-D FEM; deformation characteristic

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.022

2017-01-20

2017-02-24

柏 挺(1984—)，男，河南信陽人，博士，工程師，主要從事工程管理工作。E-mail:baitng1984@126.com

TU443

A

1672—1144(2017)02—0116—05