粉土基坑柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征

王銳松, 郭成超*, 曹鼎峰, 葉鈞陶, 葉思聰

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院, 廣州 510275; 2.廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心, 廣州 510275; 3.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510275)

隨著地面設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，合理地開發(fā)利用城市地下空間，是解決城市日益嚴(yán)重的土地緊缺、環(huán)境惡化、交通擁堵、能源浪費(fèi)、防災(zāi)減災(zāi)等問題的重要途徑?；庸こ套鳛榈叵驴臻g開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，在地下結(jié)構(gòu)施工期間發(fā)揮著舉足輕重的作用。大量工程實(shí)踐表明：合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)既能保證基坑工程安全施工，又能避免因結(jié)構(gòu)自身與周圍土體發(fā)生較大變形而出現(xiàn)基坑整體失穩(wěn)[1]。近年來，人們對巖土工程領(lǐng)域的技術(shù)、設(shè)備和土木工程材料等的研究不斷深入，基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的選擇受到了極大的關(guān)注，相應(yīng)的出現(xiàn)了土釘墻、復(fù)合土釘墻、地下連續(xù)墻和樁錨支護(hù)等類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。這些結(jié)構(gòu)給地下空間的開發(fā)帶來了顯著的效益[2-6]。但是，在城市建筑密集區(qū)的基坑工程結(jié)束后，上述傳統(tǒng)型支護(hù)結(jié)構(gòu)被回填埋入地下，鄰近地區(qū)地下工程被干擾的同時(shí)，后期地下工程開發(fā)過程中廢棄支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除引發(fā)的問題也較為突出。此外，傳統(tǒng)基坑支護(hù)手段施工技術(shù)要求高，施工工期長，以及工程造價(jià)高，重復(fù)利用率低，導(dǎo)致這類支護(hù)結(jié)構(gòu)在一些短期工程尤其市政管網(wǎng)施工和檢修過程中并不適用，甚至?xí)o后續(xù)的地下工程空間開發(fā)和周圍建筑及地下管線的安全埋下嚴(yán)重的隱患。

為了提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的利用率，降低成本，減小對后期工程地基及基礎(chǔ)的投入成本，近年來涌現(xiàn)了一些新型可回收的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，如泥土攪拌墻(soil maxing wall,SMW)工法樁[7]、拉森鋼板樁[8]、可回收錨桿+鋼支撐體系[9]等形式，但上述結(jié)構(gòu)依然存在造價(jià)較高、回收保證率低、可重復(fù)利用率低、防水性能不強(qiáng)、施工控制要求較高等問題。為此，王復(fù)明等[10]研發(fā)出了一種柔性復(fù)合防滲裝配式可回收支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，該體系具有安全可靠、施工工期短、操作簡易、重復(fù)利用率高、綜合經(jīng)濟(jì)環(huán)保指標(biāo)優(yōu)越等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，目前柔性體系依然是一項(xiàng)新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用過程中的受力特征、對土體擾動、支護(hù)效果、對環(huán)境影響等問題尚不清楚[11]。

為了對柔性基坑支護(hù)體系進(jìn)一步完善，對其受力特征及支護(hù)效果進(jìn)行定量描述，現(xiàn)采用ABAQUS有限元軟件建立基于摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)和修正劍橋(modified Cam-clay)土體本構(gòu)模型下的裝配式可回收矩形工作井支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值分析模型。通過模型結(jié)果數(shù)據(jù)對比，對裝配式可回收支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的受力變形規(guī)律以及基坑開挖完畢后坑底土體回彈量等情況進(jìn)行了模擬分析,以期對該類支護(hù)結(jié)構(gòu)在粉土地區(qū)基坑開挖過程中的支護(hù)效果作進(jìn)一步的了解，并為后期同類工程的施工提供一定的借鑒。

1 新型柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)介紹

新型柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)是將鋼骨架支撐結(jié)構(gòu)與高聚物注漿防滲堵涌技術(shù)[12]相結(jié)合的一種剛?cè)釓?fù)合裝配式可回收支護(hù)結(jié)構(gòu)。其在確保安全的情況下，通過高效率的回收，匹配重復(fù)使用達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。支護(hù)結(jié)構(gòu)組成及功能如下：①鋼骨架：主要承載構(gòu)件，加工性能好，力學(xué)性能穩(wěn)定；②柔性面板：分散水土壓力，協(xié)調(diào)鋼骨架整體受力;③高聚物注漿層：快速形成柔性封閉防滲體，封堵滲漏。

支護(hù)結(jié)構(gòu)施工及回收過程如圖1所示。

圖1 新型柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)施工及回收流程圖Fig.1 Construction process of the new flexible support structure

圖1步驟(1)所示，在施工區(qū)域利用專業(yè)的成孔設(shè)備完成支護(hù)鋼樁樁孔施工，并完成型鋼構(gòu)件的加工。

圖1步驟(2)所示，利用吊車等吊裝器械，將型鋼樁置入預(yù)先成孔的樁孔之中，放樁期間要嚴(yán)格控制樁體的垂直精度，待支護(hù)樁吊裝完畢，對槽孔內(nèi)的空隙部分回填水泥碎石料(強(qiáng)度等級C20)，以保證型鋼支護(hù)樁周圍土體的穩(wěn)定。

圖1步驟(3)所示，冠梁與支護(hù)鋼樁體的固定方式采用高強(qiáng)度螺栓連接。

圖1步驟(4)～步驟(8)所示，待基坑第一次開挖到指定深度，利用螺栓將鋼面板固定在型鋼支護(hù)樁上(圖2)，隨后采用高聚物注漿的方法填充鋼面板與土體之間的空隙，以保證面板與側(cè)面土體的緊密結(jié)合協(xié)同變形(圖2)，并安裝腰梁。

圖1步驟(9)所示，重復(fù)步驟(4)～步驟(8)直至基坑施工完畢，完成裝配式可回收支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。

圖1步驟(10)～步驟(12)所示，待基坑工程項(xiàng)目完工，依次拆掉腰梁、鋼面板，并進(jìn)行土體回填，當(dāng)土體回填至地表平面，拆除頂部冠梁，并利用液壓拔樁機(jī)將支護(hù)鋼樁拔出，最后回填樁孔并修整土體以完成裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)的回收施工。

鋼骨架主要構(gòu)件之間以及鋼骨架與柔性面板的連接方式為高強(qiáng)度螺栓連接，詳細(xì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖2(a)所示。高聚物密封形成的防滲體系剖面圖如圖2(b)所示。

圖2 支護(hù)構(gòu)件栓接以及高聚物密封層剖面圖Fig.2 The profile of bolting member and sealing polymer

2 工程概況與有限元模型

2.1 工程概況

依托鄭州市?？谟S工程干線管道工程，基坑長7.85 m，寬5.0 m，平面布置圖如圖3所示。場地勘察深度范圍內(nèi)地層共分5層。根據(jù)區(qū)域資料及地質(zhì)勘查結(jié)果，勘查期間未見地下水，因此，可以不考慮地下水對基坑開挖的影響。結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，采用支護(hù)樁，內(nèi)支撐腰梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)樁水平間距根據(jù)工作需要確定，工作井樁長15.5 m，采用內(nèi)置HW350型鋼(樁孔直徑600 mm)。裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)面層采用鋼板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴射面層，鋼板與側(cè)壁土體之間未采用高聚物注漿處理，確保鋼板面板與支護(hù)樁、腰梁有效連接。

圖3 基坑平面布置圖Fig.3 Layout of the foundation pit

2.2 有限元模型

2.2.1 模型的建立

基于模型間土體本構(gòu)模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)換算的差異，分別建立了三種類型的有限元模型(如表1所示)：模型A、模型B、模型C。為降低人為設(shè)定的模型邊界條件對計(jì)算區(qū)域的影響，當(dāng)基坑邊緣距離模型邊界長度大于4～5倍基坑開挖深度時(shí)，模型邊界條件的設(shè)定對計(jì)算的影響可以忽略不計(jì)。模型水平邊界距離取至基坑外側(cè)約5.5倍基坑開挖的最大深度，即模型縱向長度為120 m，橫向長度也為120 m，計(jì)算深度為40 m，如圖4所示，整體模型尺寸為120 m×120 m×40 m(長×寬×高)。土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)和混凝土底板均采用C3D8實(shí)體線性單元，鋼面板選用S4殼體單元，腰梁支撐選用B31梁單元進(jìn)行模擬，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算限制以及網(wǎng)格劃分過多對于計(jì)算時(shí)長和收斂性的影響，有限元模型基坑開挖深度由11.4 m調(diào)整為11.5 m，基坑底部腰梁間距由3 725 mm調(diào)整為4 000 mm，忽略C30混凝土底板的安裝和鋼板間連接方式的影響，鋼面板采用整體鋼面板替代。

表1 有限元模型Table 1 The finite element model

圖4 有限元模型與施工現(xiàn)場圖Fig.4 The Finite element model and construction site photo

2.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)的等剛度換算

模型A采用等效剛度換算的方法，將支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為等厚度的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)[13]。模型B、模型C在模型A的基礎(chǔ)上，考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)裝配性和剛?cè)釓?fù)合性的特點(diǎn)，將工作井周圍支護(hù)樁體，簡化為具體尺寸的矩形鋼樁。設(shè)地下連續(xù)墻厚度h=0.5 m，彈性模量為Ed，截面慣性矩為th3/12(t為模型樁體間距)。模型支護(hù)樁體換算截面長度為a，寬度為b(a=b=0.5 m)，彈性模量為Ea，截面慣性矩為ab3/12，HW350型鋼彈性模量Eb=210 GPa，截面慣性矩Iz；型鋼外部填充的水泥碎石料，忽略HW350型鋼尺寸影響，考慮為直徑600 mm的3/4圓形C20級混凝土樁體，彈性模量Ec=210 GPa，截面慣性矩Iy，模型樁體間距與實(shí)際間距相同均為t，如圖5所示。根據(jù)抗彎剛度相等原則可得

(1)

(2)

(3)

(4)

綜合式(1)～式(4)可以計(jì)算出模型中地下連續(xù)墻彈性模量Ed=16.8 GPa。矩形實(shí)體鋼樁的彈性模量Ea=36.2 GPa。其余各部件參數(shù)如表2所示。

圖5 裝配式可回收樁與等剛度地下連續(xù)墻和矩形鋼樁彈性模量折算Fig.5 The prefabricated recyclable pile is converted into the elastic modulus of diaphragm wall and rectangular steel pile with equal stiffness

2.2.3 土體本構(gòu)模型的選取

模型B中土體選用摩爾庫倫土體本構(gòu)模型，參數(shù)見表3?？紤]到基坑開挖過程中存在著卸荷問題，土體模型的選取需要能夠區(qū)別加荷和卸荷的差異，為簡化計(jì)算，考慮單一工程地質(zhì)條件，模型A，模型C中的土體選用鄭州市東區(qū)粉土修正劍橋土體本構(gòu)模型[14]，參數(shù)如表4所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 修正劍橋土體模型參數(shù)Table 4 Properties of soil

2.2.4 模型基本假定

(1)模型中土體視作單一均質(zhì)的彈塑性體。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)、腰梁支撐以及混凝土底板均視作理想型彈性體。

(3)假定基坑開挖、腰梁支撐的施加都是瞬時(shí)完成的，不考慮基坑開挖過程中時(shí)間效應(yīng)和地下水的影響。

2.2.5 土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)各部件間接觸模型

在ABAQUS有限元軟件中，結(jié)構(gòu)與土體之間是由兩者重合的節(jié)點(diǎn)形成的零厚度界面，它可以模擬結(jié)構(gòu)與土體界面之間的滑動。其力學(xué)模型主要定義接觸面的法向行為(normal behavior)和切向行為(tangential behavior)，土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸采用摩擦型接觸，法向擠壓受“Hard”接觸模型控制；切向摩擦行為受“Penalty”接觸模型控制，其中切向摩擦行為由極限剪切滑移量γcrit和摩擦因數(shù)μ控制，服從庫倫彈塑性摩擦定律，參照文獻(xiàn)[15]，模型取γcrit=5 mm，μ=0.3。模型中結(jié)構(gòu)與土體接觸面分別建立表面接觸。矩形鋼樁底部與土體采用“Tie”接觸模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)各部件間亦采用“Tie”接觸模型。

2.2.6 模型邊界條件與開挖過程模擬

有限元模型四周設(shè)置水平方向約束條件，底面設(shè)置水平方向和豎直方向約束條件，模型頂面設(shè)置自由面。模型開挖過程模擬如表5所示。

表5 基坑開挖的施工方案

3 有限元模型可行性分析

如圖6所示為基坑開挖完畢后，模型A、模型B和模型C到的地表沉降線和支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移圖。圖6(a)和圖6(b)為基坑開挖完畢，基坑X方向和Y方向上支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度方向上的變化情況；圖6(c)為基坑開挖完畢，D1方向(圖4)的地表沉降曲線。

如圖6(a)和圖6(b)所示，基坑X方向上，三種模型均能較好地模擬基坑開挖完畢后的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化，三種模型得到的水平位移曲線變化趨勢基本相同，均呈現(xiàn)“凸”形，模型B中樁體最大水平位移為6.4 mm，模型A和模型C最大水平位移分別為3.3 mm和3.4 mm，計(jì)算結(jié)果數(shù)值上的差異考慮是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力形式及土體本構(gòu)模型間的差異導(dǎo)致的。在基坑Y方向上，模型A中支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移遠(yuǎn)小于模型B和模型C支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化形式與模型B和模型C的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化形式明顯不同。依據(jù)Clough等[16]對有支撐類支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向運(yùn)動的描述，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向運(yùn)動形式一般表現(xiàn)為“凸”形,這說明模型A中地下連續(xù)墻在Y方向的側(cè)向變形模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)預(yù)測相差較大。

D表示D1方向上沉降測點(diǎn)到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最短距離圖6 基坑開挖完畢后的支護(hù)樁水平位移與地表沉降圖Fig.6 The horizontal displacement of pile and ground surface settlement after foundation pit excavation completed

如圖6(c)所示，模型C得到的地面沉降曲線與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較為匹配，模型A由于忽略了鋼板變形對于土體沉降的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用單一地下連續(xù)墻形式，其得到的地面沉降曲線沉降值較模型C偏??；模型B模型地表沉降曲線卻表現(xiàn)為整體回彈，計(jì)算結(jié)果與徐中華等[17]所述一致。對比結(jié)果顯示，模型C中樁體最大水平位移為3.4 mm,與實(shí)測最大值3.0 mm基本吻合，支護(hù)結(jié)構(gòu)外地表豎向位移較模型A更大，而且在支護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣位置處并未出現(xiàn)地表土體隨支護(hù)結(jié)構(gòu)上移而出現(xiàn)的高出地表水平面的現(xiàn)象，整體表現(xiàn)為沉降；沉降形式與Pan等[11]地表的沉降形式相似。綜上考慮，模型C對于模擬裝配式可回收支護(hù)結(jié)構(gòu)在粉土地區(qū)的受力特征更為準(zhǔn)確。

圖7 基坑開挖過程中的樁體水平位移與樁身彎矩Fig.7 The horizontal displacement and bending moment of retaining pile during foundation pit excavation

4 結(jié)果與分析

4.1 支護(hù)樁水平位移

如圖7所示為基坑X方向和Y方向上中部樁體水平位移與樁身彎矩隨基坑開挖進(jìn)行中的變化曲線。如圖7(a)、圖7(b)所示，由于受基坑空間效應(yīng)的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑X方向跨中位置處往往發(fā)生較大水平位移，具體表現(xiàn)為在開挖初始階段(開挖至-3 m處位置)，X方向樁頂水平位移較Y方向樁頂水平位移更大。隨著基坑開挖的進(jìn)行，支護(hù)樁體水平位移逐漸增大，最大位移位置逐漸加深；樁體水平位移變化在基坑深度7～11 m部位處水平位移量較其他部位變化更為劇烈，這種加劇現(xiàn)象受基坑開挖深度的影響尤為明顯，表現(xiàn)為基坑開挖深度越大，水平位移加劇越明顯。考慮原因是受下部頂管施工影響，基坑深度7～11 m未設(shè)置任何支撐導(dǎo)致的結(jié)果，這也從另一方面說明環(huán)梁施工完畢并充分發(fā)揮了支撐作用。基坑開挖結(jié)束時(shí)，基坑X方向和Y方向上的樁體最大水平位移均出現(xiàn)在9 m左右的位置，基坑X方向的樁體最大水平位移較Y方向上的樁體水平位移更大，支護(hù)樁最大水平位移為3.4 mm，支護(hù)樁體水平位移變化曲線呈現(xiàn)典型的“凸”形。

如圖7(c)、圖7(d)所示，X方向樁身最大彎矩為35.1 kN·m，Y方向樁身最大彎矩為40.9 kN·m，且均位于樁體最大水平位移處附近，隨著基坑開挖的進(jìn)行，樁身彎矩在支撐位置逐漸減小并出現(xiàn)負(fù)彎矩，考慮原因在于環(huán)梁逐步發(fā)揮支撐作用限制了樁體變形，樁體受力由受拉形式向受壓形式發(fā)生轉(zhuǎn)變。樁身彎矩分布模式與張家國等[18]和Pan等[11]分析結(jié)果相似，都表現(xiàn)為明顯的雙向分布特征，樁身彎矩分布趨于合理[19]。

4.2 基坑底部回彈量

由于本工程后期需要進(jìn)行頂管施工，為了解基坑開挖完畢基坑整體穩(wěn)定性情況，對于開挖面土體隆起情況作了數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)計(jì)算，從而為后續(xù)基地處理方式提供一定的參考。利用Mindlin解和e-lgp模型結(jié)合的方法[20-22]來計(jì)算基坑底部土體隆起情況，并與本文數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，基坑開挖引起的回彈量s由式(5)計(jì)算得出，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

(5)

式(5)中：e0為土體初始孔隙比；λ為修正劍橋土體模型的原始壓縮曲線斜率；u1為土體壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)相關(guān)系數(shù)；u2為λ與回彈指數(shù)相關(guān)系數(shù)；p為土體側(cè)向壓縮試驗(yàn)中的豎向應(yīng)力；H為土體分層高度。u1取0.15，u2取0.434。

表6 Mindlin解和e-lgp模型結(jié)合求解計(jì)算結(jié)果

如圖8所示為基坑開挖面及下部土體隆起情況，圖8(a)為基坑開挖完畢，采用摩爾庫倫土體本構(gòu)模型和修正劍橋土體本構(gòu)模型得到的基坑開挖面土體回彈曲線。如圖8(a)所示，模型C回彈曲線呈現(xiàn)拱形，最大回彈量為12.0 mm，位于基坑中心位置處附近。模型B回彈曲線形式表現(xiàn)為由拱形向雙峰馬鞍形(常見于圓形基坑)變化，即最大回彈量逐漸由中間大兩邊小向中間小兩邊大過渡，最大回彈量出現(xiàn)位置與模型C相同，但最大回彈量約為模型C的2倍。結(jié)合圖8(b)模型C數(shù)值模擬結(jié)果以及采用Mindlin解和e-lgp模型計(jì)算所得土體回彈量之間的關(guān)系圖可知，兩者土體回彈量隨深度變化趨勢基本一致。理論計(jì)算所得土體回彈曲線與模型C得到數(shù)值模擬所得土體回彈量曲線符合度較高，采用Mindlin解和e-lgp模型結(jié)合理論計(jì)算所得土體回彈量，基坑最大回彈量為13.1 mm，與數(shù)值模擬得到的基坑最大回彈量12.0 mm基本吻合。這說明模型C對于基坑開挖完畢，基坑底部土體的隆起情況模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果較為符合，基地最大隆起量較小，基坑底部整體穩(wěn)定性較好。

圖8 基坑底部土體隆起Fig.8 Soil uplift at the bottom of the foundation pit

5 結(jié)論

基于鄭州市粉土地區(qū)柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑變形特征分析的問題，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立了不同類型的有限元模型。通過比較分析模型的差異并結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與理論計(jì)算以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，對該類型結(jié)構(gòu)支護(hù)效果及對周邊環(huán)境的影響作了定量的描述，得出以下結(jié)論。

(1)采用修正劍橋本構(gòu)模型建立的鄭州市粉土地區(qū)工作井基坑模型模擬結(jié)果較好，模擬數(shù)據(jù)顯示，支護(hù)系統(tǒng)中的樁體穩(wěn)定性較高，最大水平位移僅為3 mm，遠(yuǎn)小于同類傳統(tǒng)支護(hù)系統(tǒng)中樁體的變形。

(2)基坑開挖結(jié)束后，基坑坑底土體回彈形式表現(xiàn)為拱形，基底最大隆起量位于基坑中心位置處，約為12 mm，與理論計(jì)算值13.1 mm較為吻合；基坑整體穩(wěn)定性較高，可為后續(xù)頂管施工提供安全的施工環(huán)境。

(3)新型裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種柔性支護(hù)系統(tǒng)，具有安全可靠、施工工期短、操作簡易、重復(fù)利用率高、綜合經(jīng)濟(jì)環(huán)保指標(biāo)優(yōu)越等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，其在確保大型深基坑的穩(wěn)定性方面具有較大的應(yīng)用前景。