埋入式支護樁變形和土體位移場數(shù)值分析

趙 穎，趙 鶴

(1.江蘇省地質(zhì)局,江蘇 南京 210018;2.江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團有限公司,江蘇 南京 210007; 3.廣西科技大學,廣西 柳州 545006)

0 引言

在地下空間開發(fā)中,常出現(xiàn)不同面積和開挖深度的近接基坑及近接基坑之間銜接段[1-2]。近接基坑的施工時序分為同步施工和不同步施工,同步施工是指近接基坑的每道內(nèi)支撐同時施工,有利于圍護墻受力均勻,消除偏心載荷,降低近接基坑之間開挖卸荷產(chǎn)生的相互影響[3-6]。實踐中,近接基坑很難同步施工,以不同步施工時序居多。不同步施工時序歸結(jié)為兩種:“先深后淺”時序、“先淺后深”時序。

“先深后淺”時序最顯著的優(yōu)點是施工淺基坑時,淺基坑坑底土體阻止了深基坑通過銜接段向淺基坑位移,施工風險小,行業(yè)內(nèi)稱之為順時序。但因為協(xié)調(diào)等原因?qū)е率┕げ灰恢?實踐中常見“先淺后深”時序,其最明顯缺點是:深基坑施工時,在淺基坑中已建成建筑物荷載、土壓力、地下水壓力作用下,淺基坑可能通過銜接段向深基坑位移,施工風險大,行業(yè)內(nèi)稱之為逆時序。

因此,銜接段事關(guān)近接基坑安全,進行銜接段支護結(jié)構(gòu)安全性研究具有必要性和緊迫性。作者依托南京市歡樂廣場B地塊基坑工程,對近接基坑施工風險最大的逆時序,選取銜接段埋入式支護樁位移、銜接段周圍土體位移場作為代表進行了數(shù)值模擬分析,進一步驗證了貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)的安全性,文章中介紹的設(shè)計思路、支護結(jié)構(gòu)組成、參數(shù)選取和數(shù)值模擬方法等可供同行借鑒參考。

1 工程概況

歡樂廣場B地塊位于南京市六合區(qū),建筑面積312 840 m2,3層地下室,樁基礎(chǔ)。B地塊基坑圍長1 144 m,面積38 419 m2,B地塊基坑西北側(cè)為正在進行主體結(jié)構(gòu)施工的歡樂廣場A地塊基坑(見圖1)。A地塊為地下2層,基坑開挖深度8.85 m～9.25 m,先于B地塊開挖。B地塊基坑開挖深度14.40 m～16.15 m,B地塊3層地下室中的第一層、第二層地下室分別與A地塊中第一層、第二層地下室貫通。兩地塊外墻間距約為3.0 m。由上述描述可知:A地塊基坑、B地塊基坑為近接基坑,銜接段TA長434 m,貫通式銜接段中狹窄長條形土體寬度不大于3.0 m,施工時序為施工風險最大的逆時序。

2 貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)技術(shù)特點

銜接段支護結(jié)構(gòu)主要技術(shù)特點如圖2所示,由圖2可知:第一道內(nèi)支撐、第二道內(nèi)支撐通過承重柱分別對撐于已完成的淺基坑中-1層、-2層頂樓板;在淺基坑-2層頂樓板內(nèi)預埋了傳力型鋼,增強傳力性能、便于后期換撐;第二道圍檁中使用吊筋;銜接段支護樁為埋入式,沒有出露地表;第三道內(nèi)支撐對撐于銜接段預先施工的支護樁樁頂冠梁中心處,通過承臺配筋伸長與冠梁拉接,輔以與冠梁混凝土相同強度混凝土回填,與淺基坑中已完成底板連接。

3 貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)剖面計算支撐剛度按0.5倍取值,依托《北京理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件F～SPW》7.0版進行設(shè)計穩(wěn)定性計算,獲得貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)(如表1所示)[7],內(nèi)支撐中心標高分別為-0.40 m,-6.30 m和-10.45 m。因為土體性質(zhì)復雜性和計算模型局限性,理論計算很難得到深基坑開挖卸荷過程中銜接段埋入式支護樁位移、銜接段周圍土體位移場等[8],因此采用PLAXIS有限元軟件對銜接段在分步開挖過程中支護結(jié)構(gòu)和周圍土體的變形情況進行數(shù)值分析,同時驗證貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

表1 B地塊基坑內(nèi)支撐參數(shù)表

3.1 計算模型

B地塊基坑內(nèi)支撐跨度80 m以上(見圖1),相對于16.15 m開挖深度來說,按平面應變、對稱問題進行分析引起的誤差可忽略。從基坑正中心往A地塊方向取銜接段中部計算剖面進行分析,B地塊基坑第一、二道內(nèi)支撐是通過A地塊地下室最外側(cè)承重柱作用在樓板上,因此計算模型除包含B地塊的支護樁、內(nèi)支撐外,還應考慮A地塊地下室外側(cè)承重柱以及地下室內(nèi)部樓板對剛度的貢獻。

3.2 模型參數(shù)

表2 銜接段數(shù)值模擬計算參數(shù)表

為了便于模型建立和網(wǎng)格劃分,按剛度等效原則把埋入式支護樁等效成地下連續(xù)墻。貫通式銜接段支護樁樁徑為800 mm,樁間距為1 000 mm,按照剛度等效原則等效后的連續(xù)墻厚度為623 mm。另外,地下室結(jié)構(gòu)的軸向剛度和抗彎剛度可由混凝土強度等級、構(gòu)件尺寸計算得出。由于建模時不考慮地下室內(nèi)豎向墻、柱,因此對于地下室-1層頂樓板與-2層頂樓板,分析時只考慮其軸向剛度和抗彎剛度的貢獻,不考慮其結(jié)構(gòu)自重。支護樁、結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)如表3所示。

3.3 模型建立

從基坑正中心往A地塊方向選取銜接段中部的計算剖面進行有限元分析。在水平方向,坑內(nèi)部分為深基坑中心至支護樁,坑外部分自支護樁向A地塊方向延伸至少5倍開挖深度,由于A地塊地下室面積較大,模型豎向邊界處仍為地下室及其下土層;豎直方向按土層實際分層情況設(shè)置,并自坑底向下延伸約開挖深度的3倍,模型總尺寸為100 m×60 m。土體采用15結(jié)點的三角形等參單元模擬,支護樁、地下室結(jié)構(gòu)物均按線彈性材料考慮,采用板單元模擬,水平內(nèi)支撐采用彈簧單元模擬。左右邊界約束橫向位移,上邊界自由,下邊界為固定邊界,約束橫向位移和豎向位移(見圖3),有限元分析過程如表4所示。

表3 埋入式支護樁、地下室結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

表4 銜接段有限元分析過程

3.4 模擬結(jié)果分析

1)銜接段埋入式支護樁變形:圖4為數(shù)值模擬計算剖面處銜接段埋入式支護樁不同工況下最大側(cè)向位移及對應深度。由圖4(a)可知:支護樁側(cè)向位移在前兩次開挖時發(fā)展較慢,當開挖深度超過6.78 m后,樁體側(cè)移增長較快。因為開挖初期,埋入式支護樁頂位于開挖面下方較遠,支護樁兩側(cè)土壓力差較小,開挖對位于土層深處的支護樁影響較小;當開挖深度大于6.78 m后,坑內(nèi)遇到強度較低的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,支護樁內(nèi)、外側(cè)所受的土壓力差增大,且支護樁頂距離開挖面較近,導致樁體變形增長較快。由圖4(b)可知:當開挖面位于埋入式支護樁頂以上時,支護樁體最大側(cè)移位置出現(xiàn)在樁頂,隨著開挖深度增加,當開挖面位于埋入式支護樁頂下方時,樁體最大側(cè)移的深度也不斷下移,最大側(cè)移對應的深度位于開挖面附近以下。

圖5為數(shù)值模擬計算剖面處銜接段埋入式支護樁在不同工況下的樁頂變形。

由圖5(a)可知:開挖面位于埋入式支護樁樁頂上方時,樁頂側(cè)移隨基坑開挖深度的增大而增大,當開挖至埋入式支護樁深度后,樁頂側(cè)移逐漸減小,這是由于架設(shè)于支護樁頂?shù)牡谌阑炷林屋^好地約束了支護樁上部的變形,樁頂水平位移在鋼筋混凝土支撐的作用下出現(xiàn)一定的變形回復,樁頂?shù)乃轿灰茰p小。有限元計算結(jié)果顯示,基坑開挖至16.15 m深處樁頂側(cè)移為1.75 mm,緊鄰銜接段的CX3土體深層水平位移監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果顯示(如圖1所示),在16 m深處土體水平位移為1.46 mm,兩者數(shù)值非常接近,表明有限元計算結(jié)果較好地模擬了銜接段在基坑開挖過程中土體的變形情況,同時證明了貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全、經(jīng)濟的。

由圖5(b)可知:基坑開挖時土體處于卸荷狀態(tài),支護樁樁頂?shù)拇怪蔽灰票憩F(xiàn)為回彈非沉降;隨著基坑開挖深度的不斷增大,樁頂回彈表現(xiàn)為隨挖深線性增長;開挖至基底時,樁頂回彈呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。

2)銜接段周圍土體位移場:銜接段周圍土體位移場用坑底隆起量表示,實踐中無法對坑底隆起量進行監(jiān)測,只有通過數(shù)值模擬進行分析,圖6為銜接段深基坑側(cè)開挖引起的土體豎向位移場。從圖6可知:土體豎向位移主要集中于坑底被動土壓力區(qū)和坑外一倍開挖深度的主動壓力區(qū),推斷出深基坑開挖卸荷對周邊敏感環(huán)境的影響范圍在開挖深度的2倍左右。

圖7為不同工況下基坑內(nèi)土體隆起變形。由圖7(a)可知:B地塊深基坑底土體的隆起呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化的形態(tài),說明坑底土體隆起量處在彈性階段,基坑穩(wěn)定性較好。由圖7(b)可知:坑底土體的隆起量隨開挖深度的增加呈線性增長,但總體隆起量不超過15 mm,小于25 mm～35 mm的監(jiān)測報警值[13]。

4 結(jié)語

1)貫通式銜接段有益于地下空間的開發(fā)利用,但因為銜接段的支護樁為埋入式,目前市場上流行的基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件很難在設(shè)計階段準確獲得貫通式銜接段埋入式支護樁位移、銜接段周圍土體位移場等事關(guān)貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)安全性的參數(shù),而數(shù)值模擬是一種科學的基坑支護結(jié)構(gòu)安全性能評估的方法,能進一步驗證貫通式銜接段支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

2)對“先淺后深”逆時序的近接基坑,因為施工風險大,施工實踐中不可預測因素太多,建議在施工前進行不同開挖工況下銜接段支護結(jié)構(gòu)和周圍土體變形情況等數(shù)值模擬分析。