深基坑開(kāi)挖中支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉永劉 楊謝旋

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

有限元計(jì)算分析是深基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行之有效的方法,通過(guò)有限元計(jì)算能夠直觀、全面得到土體、樁體位移與變形以及土體、樁體、錨桿應(yīng)力.么夢(mèng)陽(yáng)[1]對(duì)基坑的最大水平位移與樁間距關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果表明基坑的最大水平位移隨樁間距減小而減小,但減小樁間距到一定程度后位移減小已不明顯;馬海翔[2]通過(guò)MIDAS GTS提出排樁直徑影響著樁水平位移大小,排樁水平位移最大值隨樁徑增大而減小;丁偉[3]對(duì)樁體嵌入不同土體深度對(duì)樁水平位移影響進(jìn)行了研究,得到了樁體水平位移與樁體嵌入土體深度關(guān)系;丁亞中[4]使用MIDAS GTS進(jìn)行基坑模擬,分析基坑水平位移與豎直位移,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬方法是有效的;徐可強(qiáng)等[5]借助MIDAS GTS提出錨索軸力衰減為0時(shí)錨索錨固段長(zhǎng)度可以作為最優(yōu)錨固段長(zhǎng)度;趙中椋[6]通過(guò)MIDAS GTS軟件對(duì)樁錨支護(hù)體系進(jìn)行了土體位移、基坑受力方面的研究;李明瑛等[7]通過(guò)MIDAS GTS對(duì)某基坑工程進(jìn)行分析,得到了開(kāi)挖過(guò)程中基坑最大位移的位置和錨桿錨固力的變化規(guī)律.Terzaghi和peck等[8-9]對(duì)基坑工程進(jìn)行了梳理總結(jié),結(jié)合當(dāng)時(shí)的一些工程案例,提出了應(yīng)用于基坑工程的總應(yīng)力法.Wong等[10]通過(guò)改變深基坑的開(kāi)挖深度以及基坑跨度并更換支護(hù)結(jié)構(gòu)材料,使用二維平面應(yīng)變方法研究了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.王緒鋒等[11]運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)建立三維單樁對(duì)稱(chēng)模型,模擬支護(hù)樁在不同工況下的水平位移,并與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證模型的合理性.

已有研究成果都是在特定區(qū)域、不同地層和工程實(shí)際需求,且支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定條件下進(jìn)行,而針對(duì)深基坑樁錨+圈梁(腰梁、冠梁)復(fù)合結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化和協(xié)同工作機(jī)制研究仍不夠深入,也不多見(jiàn).本文首先建立樁錨支護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)整體有限元模型,模擬開(kāi)挖過(guò)程并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,然后改變支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),通過(guò)變形狀態(tài)控制理論優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.為得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行多種錨桿入射角度組合計(jì)算,尋找最優(yōu)角度組合;進(jìn)行多種圍護(hù)樁體積與深度組合計(jì)算,尋找最優(yōu)體積和深度組合.重點(diǎn)分析復(fù)合結(jié)構(gòu)中上下兩層錨桿不同位置對(duì)圍護(hù)樁位移和坑外土沉降的影響機(jī)理.

1 工程概況

本項(xiàng)目為農(nóng)村抗旱應(yīng)急引調(diào)水工程,由引水頂管、抽水泵站和輸水管道三大部分組成,工程地處湖北省孝感市境內(nèi),擬建抽水泵站位于澴河右岸,工程中深基坑為擬建泵站的前池和沉砂池.勘察測(cè)得地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為23.7 m,地下水賦存于二層礫砂中,為孔隙承壓水.

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查,擬建場(chǎng)區(qū)覆蓋層由第四系全新統(tǒng)沖洪積覆蓋層黏土及礫砂組成,下伏基巖為白堊系上統(tǒng)河家坡組(堊系上統(tǒng)河家坡組(K2h),巖性為粉砂巖.場(chǎng)地內(nèi)巖土層按成因、成份、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及物理力學(xué)性質(zhì)的不同,自上而下分為粉質(zhì)黏土、砂礫和泥質(zhì)粉砂巖等3層.根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)資料,得到現(xiàn)場(chǎng)各土層的分布情況和MIDAS GTS NX 有限元軟件建模所需要的物理力學(xué)參數(shù),具體數(shù)值見(jiàn)表1.

在開(kāi)挖深度0.5 m 處設(shè)置第一層錨桿,錨桿入射角度15°,錨桿直徑150 mm,錨桿自由端長(zhǎng)5 m、錨固段長(zhǎng)9 m,預(yù)應(yīng)力設(shè)置為150 k N.在開(kāi)挖深度4 m 處設(shè)置第二層錨桿,錨桿入射角度15°,錨桿直徑150 mm,錨桿自由端長(zhǎng)5 m、錨固段長(zhǎng)9 m,預(yù)應(yīng)力設(shè)置為100 k N.基坑剖面結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)分布如圖1所示.

圖1 基坑剖面及支護(hù)結(jié)構(gòu)分布關(guān)系(單位:m)

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定如下:1)同一種材料為均質(zhì)、各向同性;2)樁和錨桿均為彈性體;3)不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)的影響;4)土體為理想彈塑性材料.

2.2 建立模型

根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際場(chǎng)地土層分布及周邊環(huán)境,按照基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際尺寸,采用有限元軟件MIDAS GTS NX 建立計(jì)算模型,進(jìn)行模擬分析,模擬過(guò)程采用彈塑性變形理論,破壞準(zhǔn)則為修正的摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則.

圖2為整體有限元模型,根據(jù)模擬經(jīng)驗(yàn),模型邊界距基坑距離取基坑深度的3～5倍,深度延伸尺寸一般取基坑開(kāi)挖深度的1.5倍.模型開(kāi)挖寬度30 m,開(kāi)挖深度8.5 m.模型采用2D 網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸定義為0.5,共劃分20 318個(gè)網(wǎng)格,單元類(lèi)型采用平面應(yīng)變;圍護(hù)樁混凝土支撐單元類(lèi)型采用梁?jiǎn)卧?錨桿采用植入式桁架單元;對(duì)底部和兩側(cè)施加邊界約束和自重,設(shè)置三次基坑排水邊界條件.由于圍護(hù)樁和土體的剪切模量相差較大,在兩者交界處設(shè)置了接觸面單元.

圖2 基坑-支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

為進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整,具體見(jiàn)表2.

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整

2.3 開(kāi)挖過(guò)程模擬

施工階段分為11個(gè),具體見(jiàn)表3.

表3 施工步驟

續(xù)表3 施工步驟

3 基坑開(kāi)挖變形模擬結(jié)果分析

3.1 模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

由圖3可知,開(kāi)挖二模擬值樁頂位移11.57 mm,最大水平位移也為11.57 mm,最大水平位移位置位于樁頂;開(kāi)挖三模擬值樁頂位移20.54 mm,最大水平位移20.54 mm,最大水平位移位置位于樁頂;這是由于基坑沒(méi)有采用內(nèi)支撐支護(hù),所以圍護(hù)樁位移懸臂梁最大樁位移在樁頂.

圖3 模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

由圖3 可知,開(kāi)挖二模擬水平位移最大值為11.57 mm,與開(kāi)挖二監(jiān)測(cè)值12.50 mm 相差不大,約為8.0%;開(kāi)挖三模擬水平位移最大值為20.54 mm,與開(kāi)挖三監(jiān)測(cè)值21.50 mm 相差不大,約為4.6%,模擬與監(jiān)測(cè)值最大水平位移值位置接近.通過(guò)對(duì)比曲線,驗(yàn)證了模型建立的有效性和參數(shù)取值的合理性.

3.2 錨桿入射角度對(duì)基坑位移的影響

1)由圖4(a)可以得出,坑外土沉降曲線呈兩頭小,中間大的下凹形狀.當(dāng)錨桿入射角度為10°和15°時(shí),坑外土沉降最大值位于距基坑邊距離14 m 左右;當(dāng)錨桿入射角度為25°、35°、40°時(shí),坑外土沉降最大值位于距基坑邊距離17 m 左右.坑外土沉降最大值不會(huì)隨錨桿入射角度增大而減小,但在錨桿入射角為25°時(shí),坑外土最大沉降值是最小的.

2)由圖4(b)可以得出,除了錨桿入射角度10°,其他錨桿入射角度的圍護(hù)樁變形曲線均呈懸臂梁形式,樁頂位移最大,主要原因是不存在內(nèi)支撐作用.當(dāng)錨桿入射角度為10°時(shí),水平位移最大值在圍護(hù)樁深度4 m 位置,看來(lái)錨桿入射角度太小將起不到有效錨固作用.同時(shí)發(fā)現(xiàn),水平位移最大值并不是隨著入射角度增加而減小,當(dāng)錨桿入射角為25°時(shí),樁頂最大水平位移值是最小的.

圖4 錨桿入射角對(duì)基坑位移的影響

3.3 圍護(hù)樁尺寸對(duì)基坑位移的影響

1)由圖5(a)可以看出,當(dāng)圍護(hù)樁深度為11、13、15、17 m 時(shí),坑內(nèi)土最大沉降值位于距基坑邊距離17 m 左右,隨著深度的增加而減小.當(dāng)圍護(hù)樁深度為19 m 時(shí),坑內(nèi)土沉降曲線高于其他圍護(hù)樁深度,說(shuō)明圍護(hù)樁深度增加到一定程度后對(duì)坑內(nèi)土沉降的影響變大.

2)由圖5(b)可以看出,隨著圍護(hù)樁厚度每增加0.2 m,坑外土沉降最大值改變量隨之減小,說(shuō)明圍護(hù)樁深度增加到一定程度后對(duì)坑外土沉降最大值的影響變小.

3)由圖5(c)可以看出,當(dāng)圍護(hù)樁厚度為0.4 m 和0.6 m 時(shí),圍護(hù)樁的變形曲線均呈兩頭小,中間大的形狀,主要原因是圍護(hù)樁厚度過(guò)小.當(dāng)圍護(hù)樁厚度為0.8、1.0、1.2 m 時(shí),圍護(hù)樁的變形曲線均呈懸臂梁形式,變形曲線接近重合,說(shuō)明圍護(hù)樁厚度增加一定程度后對(duì)圍護(hù)樁變形曲線影響變小.

4)由圖5(d)可以看出,圍護(hù)樁的變形曲線均呈懸臂梁形式.當(dāng)圍護(hù)樁深度為13、15、17 m 時(shí),圍護(hù)樁的變形曲線接近重合.圍護(hù)樁深度每增加2 m,其中樁頂水平位移變化量最大是由11 m 增加到13 m.當(dāng)圍護(hù)樁深度為19 m 時(shí),圍護(hù)樁的變形曲線高于其他圍護(hù)樁長(zhǎng)度.

圖5 圍護(hù)樁尺寸對(duì)基坑位移的影響

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 錨桿入射角度優(yōu)化

圍護(hù)樁樁長(zhǎng)對(duì)錨桿入射角度的影響如圖6所示.由圖6可知,圍護(hù)樁長(zhǎng)度的改變并不影響錨桿的最優(yōu)角度.由圖6(a)可知,在圍護(hù)樁長(zhǎng)度增加到15 m 以后,樁頂?shù)乃轿灰聘淖兞繙p小;由圖6(b)可知,在圍護(hù)樁長(zhǎng)度由17 m 增加到19 m,坑外土最大沉降值改變量最大.

圖6 錨桿入射角對(duì)基坑位移的影響

改變第一層錨桿入射角度和第二層錨桿入射角度,進(jìn)行交叉組合,存在兩層錨桿交叉除去,進(jìn)行模擬計(jì)算得到圍護(hù)樁樁頂水平位移值(圍護(hù)樁水平位移最大值)、坑外土沉降最大沉降值,見(jiàn)表4～5.

表4 圍護(hù)樁樁頂水平位移值 (單位:mm)

表5 坑外土沉降最大沉降值 (單位:mm)

由表4～5可知,當(dāng)兩層錨桿平行時(shí),錨桿入射角度為25°的樁頂水平位移和坑外土沉降達(dá)到最小值18.8 mm 和12.9 mm.當(dāng)兩層錨桿不平行時(shí),第一層錨桿入射角度為25°和第二層錨桿入射角度為30°組合,樁頂水平位移達(dá)到最小值18.8 mm,坑外土沉降達(dá)到最小值12.9 mm.錨桿平行與不平行得到的結(jié)果相差很小,結(jié)合安全與經(jīng)濟(jì)考慮,選取兩層錨桿平行和錨桿入射角度25°進(jìn)行優(yōu)化,樁頂水平位移相比原來(lái)減小1.7 mm,坑外土沉降相比原來(lái)減小1.2 mm.

4.2 圍護(hù)樁尺寸優(yōu)化

假定圍護(hù)樁原設(shè)計(jì)縱剖面面積為10.4 m2,取圍護(hù)樁縱剖面面積為原面積的80%、90%、110%、120%,與原面積對(duì)比分析,進(jìn)行模擬計(jì)算得到圍護(hù)樁樁頂水平位移值,見(jiàn)表6.

表6 圍護(hù)樁優(yōu)化時(shí)樁頂水平位移值 (單位:mm)

由表6可得,當(dāng)圍護(hù)樁樁長(zhǎng)為16m 和面積為原面積1.2倍時(shí),圍護(hù)樁樁頂水平位移為最小值17.85 mm,當(dāng)圍護(hù)樁樁長(zhǎng)為16m 時(shí),改變圍護(hù)樁縱剖面面積對(duì)樁頂水平位移影響不大,基本在18 mm 左右,因此可以取80%縱剖面面積作為優(yōu)化選取,相比原來(lái)水平位移減小了2.38 mm.

4.3 錨桿與圍護(hù)樁組合優(yōu)化

選取圍護(hù)樁樁長(zhǎng)16 m,錨桿入射角度25°,取圍護(hù)樁縱剖面面積為原面積的60%、70%、80%、90%與原面積對(duì)比分析,進(jìn)行模擬計(jì)算得到圍護(hù)樁樁頂水平位移值和水平位移最大值,見(jiàn)表7.

表7 錨桿與圍護(hù)樁組合優(yōu)化 (單位:mm)

由表7 可得,當(dāng)圍護(hù)樁縱剖面面積為60%和100%時(shí),樁頂水平位移值相差不大,水平位移最大值相差1.95 mm,結(jié)合工程實(shí)際和經(jīng)濟(jì)情況,最終選取圍護(hù)樁深度16 m,錨桿入射角度25°,圍護(hù)樁縱剖面面積為原面積60%進(jìn)行優(yōu)化.

由圖7(a)可得,優(yōu)化后圍護(hù)樁的最大剪力比原設(shè)計(jì)圍護(hù)樁的最大剪力減小了55 k N;由圖7(b)可得,優(yōu)化后圍護(hù)樁的最大彎矩比原設(shè)計(jì)圍護(hù)樁的最大彎矩減小了80 k N·m;由圖7(c)可得,優(yōu)化后圍護(hù)樁的最大軸力比原設(shè)計(jì)圍護(hù)樁的最大軸力減小了35 k N.

圖7 圍護(hù)樁內(nèi)力隨深度分布

5 最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和主要結(jié)論

根據(jù)以上研究,支護(hù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為圍護(hù)樁聯(lián)合錨桿支護(hù)體系,圍護(hù)樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,樁深度16 m,樁縱剖面面積為6.24 m2.在開(kāi)挖深度0.5 m 處設(shè)置第一層錨桿,錨桿入射角度25°,錨桿直徑150 mm,錨桿自由端長(zhǎng)7 m、錨固段長(zhǎng)9 m,預(yù)應(yīng)力設(shè)置為150 k N;在開(kāi)挖深度4 m 處設(shè)置第二層錨桿,錨桿入射角度25°,錨桿直徑150 mm,錨桿自由端長(zhǎng)5 m、錨固段長(zhǎng)9 m,預(yù)應(yīng)力設(shè)置為100 k N.實(shí)際工程采用了最優(yōu)方案.

施工現(xiàn)場(chǎng)樁身安裝了測(cè)斜管,在開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行樁身側(cè)向位移監(jiān)測(cè),測(cè)斜管探頭測(cè)出傾斜角,換算成樁頂側(cè)向位移,通過(guò)與初始觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,得到樁頂側(cè)向偏移的變化量.通過(guò)對(duì)比分析,監(jiān)測(cè)結(jié)果較好地驗(yàn)證了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的可行性.

主要結(jié)論如下:

1)當(dāng)錨桿入射角為25°時(shí),坑外土最大沉降和樁頂位移達(dá)到最小,為最優(yōu)角度.

2)當(dāng)圍護(hù)樁深度增加到開(kāi)挖深度一倍以上時(shí),對(duì)基坑位移的影響變大.將圍護(hù)樁深度從設(shè)計(jì)值13 m增加到16 m,同時(shí)縮小厚度,圍護(hù)樁縱剖面面積變?yōu)樵瓉?lái)的0.8倍,而圍護(hù)樁樁頂水平位移比原來(lái)略小.

3)錨桿與圍護(hù)樁組合優(yōu)化設(shè)計(jì)相比原假定設(shè)計(jì)樁頂水平位移值減小了3.93 mm.

本文對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮地下水發(fā)生滲透破壞的影響,另外,冠梁、腰梁結(jié)構(gòu)形式和位置分別對(duì)圍護(hù)樁位移的影響有待進(jìn)一步研究.