廣州地區(qū)深厚軟土地層深基坑大面積放坡支護(hù)有限元數(shù)值模擬研究

謝 晟

（廣東省地質(zhì)建設(shè)工程集團(tuán)公司 廣州 510060）

關(guān)鍵字：深基坑；深厚軟土地層；邊坡；內(nèi)插木樁；三維有限元

0 引言

隨著基建行業(yè)的快速發(fā)展，深大基坑工程的建設(shè)量逐年上升，而受周圍環(huán)境因素的影響，深基坑支護(hù)穩(wěn)定性逐漸成為研究學(xué)者的研究焦點(diǎn)［1-3］。放坡支護(hù)由于具有施工進(jìn)度快、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，在深基坑工程中有廣泛的應(yīng)用［4-6］。然而，采用放坡支護(hù)對(duì)施工場地和土質(zhì)條件有很高的要求，尤其是深厚軟土地區(qū)的深基坑工程，為滿足文獻(xiàn)［7］對(duì)放坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求，放坡的坡率往往需要小于1∶4，導(dǎo)致基坑開挖和回填的土方量大，工程造價(jià)高。木樁憑借其便捷的施工、低廉的成本，使得木樁與其他支護(hù)形式相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)體系在軟土基坑支護(hù)中得到較多應(yīng)用，例如：李建元等人［8］通過理論計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，分析了內(nèi)插木樁對(duì)復(fù)雜條件下邊坡的穩(wěn)定性的影響規(guī)律；戴菊英等人［9］采用橋梁博士計(jì)算軟件，獲取了內(nèi)插木樁水平抗力的大小，完善了木樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律的計(jì)算理論；鄭堅(jiān)等人［10］通過一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，證明內(nèi)插木樁可有效提高邊坡的穩(wěn)定性；李潤等人［11］利用Plaxis有限元程序分析了木樁在軟土基坑支護(hù)中的支護(hù)效果及其加固機(jī)理；高秀琴［12］通過現(xiàn)場實(shí)測分析，指出內(nèi)插松木樁可有效地控制邊坡的水平位移；彭定新［13］分析了木樁對(duì)邊坡的加固機(jī)制并給出了內(nèi)插木樁邊坡的設(shè)計(jì)方法。雖然上述研究成果已初步分析了木樁在邊坡支護(hù)中的應(yīng)用，但內(nèi)插木樁+放坡的組合支護(hù)體系在深厚軟土地層中深度超過10 m的基坑工程的應(yīng)用效果及其加固機(jī)理仍未見報(bào)告。

為此，本文以廣州亞運(yùn)城某10.1 m 深的基坑支護(hù)工程項(xiàng)目為依托，研究大面積放坡+內(nèi)插松木樁的支護(hù)形式在深厚軟土地層的應(yīng)用效果，基于塑性應(yīng)變能判據(jù)［14-15］，利用Midas/GTS 有限元軟件模擬和預(yù)測松木樁的長度及間距，對(duì)深厚軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響規(guī)律，同時(shí)將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以期為廣州深厚軟土地區(qū)其他類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

廣州亞運(yùn)城某基坑支護(hù)工程位于廣州市番禺區(qū)石樓鎮(zhèn)廣州亞運(yùn)城東側(cè)，基坑開挖深度為10.10～15.10 m，基坑周長約1 251 m?；觽?cè)壁安全等級(jí)：東側(cè)F～M 段為三級(jí)，其余區(qū)段為一級(jí)。基坑北側(cè)為樂羊路，地下室邊線距道路邊線約為4 m?；?xùn)|側(cè)空地，項(xiàng)目施工期間可使用?；幽蟼?cè)為興亞三路，地下室邊線距道路邊線約為4 m，距離地下室邊線約92 m 外為裕豐涌?；游鱾?cè)為亞運(yùn)大道，地下室邊線距道路邊線約8 m。

1.2 水文地質(zhì)概況

場地質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，由上到下依次為2.5～7.3 m雜填土層、3.5～14.8 m 淤泥層、0.6～11.1 m 粉質(zhì)粘土層、0.9～5.3 m淤泥質(zhì)土層、0.8～5.7 m殘積土層、0.8～9.9 m全風(fēng)化砂層、0.5～26.1 m強(qiáng)風(fēng)化砂層，地層分布不均。基坑開挖范圍主要為雜填土、淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土等?；涌拥字饕獮榉圪|(zhì)粘土，局部為淤泥?；余徑佑?，基坑開挖前，在基坑周邊設(shè)置φ800@600的攪拌樁作為止水帷幕?；拥闹饕ёo(hù)形式為：東北角、西南角和西北角采用樁撐支護(hù)，東側(cè)采用大面積放坡支護(hù)，其余采用樁錨支護(hù)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示，其中東側(cè)的放坡支護(hù)，其開挖深度范圍的土層為1.8 m的雜填土和8.31 m的淤泥，對(duì)開挖邊坡的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求，放坡支護(hù)的典型剖面如圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置Fig.1 Plan of Foundation Pit Support Structure（mm）

圖2 放坡區(qū)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.2 Slope Release Section Profile（mm）

2 三維有限元模型的建立

2.1 基本情況

基坑?xùn)|側(cè)為預(yù)留用地，位置開闊，因此，這一側(cè)采用放坡支護(hù)，基坑放坡開挖深度10.1 m，坡率1∶2.5，坡面噴80 mm 厚C20 混凝土掛φ6@250 mm×250 mm 鋼筋網(wǎng)，坡頂、中間平臺(tái)和坡腳分別設(shè)置1排、2排和4排φ800@600的水泥攪拌樁，同時(shí)，為提高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，擬在邊坡坡面打插直徑100～200 mm 的松木樁，基坑放坡區(qū)段的典型支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面分別如圖2 所示。有限元數(shù)值模擬分別分析松木樁長度和間距對(duì)支護(hù)效果的影響規(guī)律。三維有限元模型取130 m×15 m×30 m（長×寬×高）的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側(cè)邊限制對(duì)應(yīng)方向的水平位移，三維有限元模型如圖3所示。

圖3 Midas/GTS有限元模型Fig.3 Midas/GTS Finite Element Model

2.2 基本假定

該模型建立的基本假定主要如下：①土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系本構(gòu)模型采用線性彈性模型，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示；②假定各土層都為成層均質(zhì)水平分布；③不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響；④邊坡穩(wěn)定性分析采用有限元強(qiáng)度折減法。

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Material in the Finite Element Model

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 松木樁長度對(duì)軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

在Midas/GTS 有限元模型中，分別設(shè)置松木樁的長度為2 m、4 m、6 m 和8 m。松木樁長度對(duì)軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響結(jié)果如圖4?所示。

3.1.2 松木樁間距對(duì)軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

在Midas/GTS 有限元模型中，分別設(shè)置松木樁的間距為0.75 m×0.75 m、1.50 m×1.50 m、2.25 m×2.25 m以及3.00 m×3.00 m。松木樁間距對(duì)軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響結(jié)果如圖4?所示。

圖4 松木樁長度及間距對(duì)軟土邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響Fig.4 Effect of Pine Pile Length and Spacing on Safety Factor of Soft Soil Slope Stability

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 松木樁長度的影響分析

由圖4?可知，軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁長度的增加而增加，但隨木樁間距的不同而表現(xiàn)出不同的趨勢，當(dāng)木樁間距＞2.25 m 時(shí)，打插木樁對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻(xiàn)不大，對(duì)于木樁間距＝3.00 m 時(shí)，即使木樁長度達(dá)到8.0 m，穩(wěn)定安全系數(shù)僅增加0.1（10%）；對(duì)于木樁間距＜2.25 m 的情況，例如s=0.75 m 和1.50 m 時(shí)，打插木樁對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻(xiàn)較大，當(dāng)木樁長度為6.0 m 時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)增加0.3（30%），因此，建議打插的木樁長度不宜＜6 m。不同木樁長度對(duì)應(yīng)的軟土邊坡的廣義塑性應(yīng)變分布如圖5 所示，由圖5 可知，當(dāng)不打插木樁時(shí)，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變集中在坡腳位置且延展范圍較大，邊坡穩(wěn)定土層的抗剪強(qiáng)度得不到充分調(diào)用，其穩(wěn)定安全系數(shù)較?。⊿F=1.01）；當(dāng)邊坡打插木樁后，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變集中在坡頂位置且延展范圍很窄，隨著木樁的長度增加，塑性區(qū)的開展范圍增加，總塑性應(yīng)變能增加，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)增加，與華成亞等人［14-15］的研究結(jié)論一致。

圖5 不同松木樁長度軟土邊坡的塑性應(yīng)變分布（s=1.5 m）Fig.5 Plastic Strain Distribution of Soft Soil Slopes with Different Pine Pile Lengths（s=1.5 m）

3.2.2 松木樁間距的影響分析

由圖4?可知，軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁間距的增加而減小，尤其值得關(guān)注的是，對(duì)于木樁長度大于5.0 m的情況，當(dāng)木樁間距＞1.5 m時(shí)，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)迅速降低，對(duì)于木樁長度為5.0 m的情況，木樁間距增加至3.0 m 時(shí)，安全系數(shù)較s=0.75 m 時(shí)降低0.22。因此，建議打插的木樁間距不宜小于1.5 m。不同木樁間距對(duì)應(yīng)的軟土邊坡的廣義塑性應(yīng)變分布如圖6所示，由圖6可知，不同木樁間距條件下，邊坡的塑限區(qū)延展范圍大致相同，但相應(yīng)的最大廣義塑性應(yīng)變分布位置不同，對(duì)于木樁間距較大，如s=2.25 m和s=3.00 m的情況，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變集中在坡腳位置，與不打插木樁的情況相似，因此當(dāng)木樁間距大于2.25 m 時(shí)，打插木樁對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響不明顯；對(duì)于木樁間距較小，如s=0.75 m 和s=1.50 m 的情況，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變集中在滑動(dòng)面中部木樁底部的位置，說明木樁起到有效調(diào)整廣義塑性應(yīng)變分布的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)木樁與土體的協(xié)調(diào)變形［16］，提高邊坡的安全系數(shù)。

圖6 不同松木樁間距軟土邊坡的塑性應(yīng)變分布（L=6.0 m）Fig.6 Plastic Strain Distribution of Soft Soil Slopes with Different Pine Pile Spacing（L=6.0 m）

4 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較

根據(jù)上述分析，亞運(yùn)城項(xiàng)目自編號(hào)F地塊F1分區(qū)基坑支護(hù)工程?hào)|側(cè)采用放坡支護(hù)，其中坡率為1∶2.5，內(nèi)插長度L=6.0 m，間距1.5 m×1.5 m的φ150～200松木樁，坡面噴80 mm厚C20混凝土掛φ6@250 mm×250 mm鋼筋網(wǎng)，坡頂、中間平臺(tái)和坡腳分別設(shè)置1排、2排和4排φ800@600 的水泥攪拌樁，項(xiàng)目對(duì)該放坡區(qū)段做了土體深層水平位移監(jiān)測（測斜），基坑的具體監(jiān)測方案和典型監(jiān)測結(jié)果分別如圖7～圖8所示。其中圖8給出了Midas/GTS有限元模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對(duì)比。

圖7 基坑監(jiān)測平面布置Fig.7 Foundation Pit Monitoring Plan Layout

由圖8 可知，邊坡的實(shí)測深層水平位移最大值為83 mm，小于文獻(xiàn)［7］限定的水平位移控制值100 mm，同時(shí)，邊坡土體深層水平位移的監(jiān)測值與有限元模擬結(jié)果具有良好的一致性。目前項(xiàng)目已完工，基坑?xùn)|側(cè)的內(nèi)插木樁放坡支護(hù)應(yīng)用效果良好，本文的研究成果可為廣州深厚軟土地區(qū)其他類似工程提供參考。

圖8 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of Numerical Results and Monitoring Results

5 結(jié)論

廣州亞運(yùn)城某基坑支護(hù)工程的工程場地地層復(fù)雜，地質(zhì)條件差，地下水豐富，基坑開挖深度大，對(duì)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)選型提出了較高的要求，其中，基坑?xùn)|側(cè)采用大面積放坡+內(nèi)插松木樁的支護(hù)形式，確保了基坑工程的順利實(shí)施，并有效地節(jié)約了成本和工期，得到的主要結(jié)論如下：

⑴從支護(hù)性能方面來看，大面積放坡+內(nèi)插松木樁的支護(hù)形式在廣州地區(qū)深厚軟土地層深基坑支護(hù)中的應(yīng)用是可行的。

⑵軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁長度的增加而增加，但隨木樁間距的不同而表現(xiàn)出不同的趨勢，當(dāng)木樁間距＞2.25 m 時(shí)，打插木樁對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻(xiàn)不大；對(duì)于木樁間距＜2.25 m 的情況，打插木樁對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的貢獻(xiàn)較大。

⑶軟土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均隨打插木樁間距的增加而減小，對(duì)于木樁長度較大的情況，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)隨木樁間距的增加迅速降低。

⑷當(dāng)不打插木樁時(shí)，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變集中在坡腳位置且延展范圍較大，其穩(wěn)定安全系數(shù)較??；當(dāng)邊坡打插木樁后，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變集中在坡頂位置且延展范圍很窄，隨著木樁的長度增加，塑性區(qū)的開展范圍增加，總塑性應(yīng)變能增加，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)增加。隨著木樁間距的減小，邊坡的最大廣義塑性應(yīng)變由集中于坡腳轉(zhuǎn)變?yōu)榧杏诨瑒?dòng)面中部木樁底部的位置，說明木樁起到有效調(diào)整廣義塑性應(yīng)變分布的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)木樁與土體的協(xié)調(diào)變形，提高邊坡的安全系數(shù)。