徐孟龍，王 輝，楊廒葆，高東源，劉學(xué)會(huì)

(河南理工大學(xué) 土木學(xué)院，河南 焦作 454000)

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著地上建筑高度的增加，對(duì)基坑支護(hù)的要求越來(lái)越嚴(yán)，地下情況復(fù)雜隱蔽工程較多，稍有不慎，即有可能危及基坑本身以及附近建筑設(shè)施的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]?；又ёo(hù)方法眾多，最經(jīng)濟(jì)的非土釘墻莫屬[4-5]，但《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)規(guī)定：在土質(zhì)為砂土、碎石土、松散填土等的基坑支護(hù)工程中，確定土釘墻坡度時(shí)尚應(yīng)考慮開(kāi)挖時(shí)坡面的局部自穩(wěn)能力；微型樁、水泥土樁復(fù)合土釘墻，應(yīng)采用微型樁、水泥土樁與土釘墻面層貼合的垂直墻面[6]。劉緒鋒提出了微型樁能在很大程度上提高未支護(hù)土體的局部穩(wěn)定性[7]，若墻面垂直被動(dòng)土壓力就會(huì)增大，不利于支護(hù)。因此，本文提出了仰斜超前微樁和傳統(tǒng)土釘相結(jié)合的新體系，應(yīng)用于黃泛區(qū)某基坑工程。

1 工程概況

開(kāi)封地區(qū)地處華北地層區(qū)，整體屬于黃河中下游地段，歷來(lái)受黃河影響較大，處于黃河泛濫帶中心位置。該工程位于開(kāi)封市安康路與第五大街交叉口西南角，基坑開(kāi)挖深度為9.5 m，地下2層為地下車(chē)庫(kù)屬于框架結(jié)構(gòu)，地上10層為擬建大廈屬于框剪結(jié)構(gòu)。該工程的重要性等級(jí)為二級(jí)、場(chǎng)地復(fù)雜程度為二級(jí)(中等復(fù)雜)場(chǎng)地，地基復(fù)雜程度為二級(jí)(中等復(fù)雜)地基，巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)。

1.1 工程地質(zhì)條件

該場(chǎng)地地勢(shì)平坦，所處地貌為沖洪積平原，場(chǎng)地比較穩(wěn)定，地層結(jié)構(gòu)比較明顯，場(chǎng)地內(nèi)地層可劃為6層，其各層土體具體參數(shù)如表1所示，土樣分析結(jié)果表明土對(duì)建筑材料有微腐蝕性。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)條件

該場(chǎng)地上部砂層賦水性能好，含豐富的淺層地下水。地下水類(lèi)型屬孔隙潛水類(lèi)型，水位變化主要受大氣降水和人為活動(dòng)影響?？辈炱陂g，穩(wěn)定地下水位埋深在地面下約4.5 m，歷史最高水位地面下2.0 m(水位標(biāo)高-2.0 m)，抗浮水位按地面下2.0 m(抗浮水位標(biāo)高-2.0 m)。據(jù)場(chǎng)地水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果：該場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替環(huán)境中有微腐蝕性。

2 仰斜式理論分析

法國(guó)學(xué)者庫(kù)倫在1776年提出了一種計(jì)算土壓力的理論，稱(chēng)為庫(kù)倫土壓力理論。該理論是根據(jù)擋土墻后的靜力平衡條件進(jìn)行分析。假設(shè)擋土墻體屬于剛性的。如圖1所示，當(dāng)土體在擋土墻的支擋下達(dá)到極限平衡時(shí)，墻后的土體以三角楔體的形式沿著滑動(dòng)面或者墻背向下滑動(dòng)(圖1中R為滑裂面BC上的反力，E為墻背對(duì)土楔的反力)。根據(jù)擋土墻后三角狀楔體的力學(xué)平衡條件，可得出墻背所受到的庫(kù)倫主動(dòng)土壓力[8]。

圖1 擋土墻與三角滑動(dòng)土體

(1)

(2)

其中：Ea-庫(kù)倫主動(dòng)土壓力；Ka-庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)；H-擋土墻高；γ-墻后土體重度；ε-墻背與垂線(xiàn)的夾角；β-土體表面與水平面夾角；θ-滑裂面與水平面夾角；φ-土體內(nèi)摩擦角；δ-墻背與土體的摩擦角。

由公式(1)可以看出，主動(dòng)土壓力主要與土體重度，擋土墻高度以及庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)有關(guān)，在前兩個(gè)參數(shù)保持一定時(shí)庫(kù)倫主動(dòng)土壓力又主要與ε，δ，φ，β四個(gè)參數(shù)有關(guān)。而在普通的基坑支護(hù)中墻后土體表面一般為水平，也即β為零。另外，在土體內(nèi)摩擦角φ和墻背與土體的摩擦角δ一定的情況下，支擋墻體所受到的庫(kù)倫主動(dòng)土壓力就僅僅與墻背與垂線(xiàn)的夾角ε相關(guān)。經(jīng)過(guò)代入具體參數(shù)驗(yàn)算以及查表容易得出，在其他參數(shù)一定時(shí)，墻背與垂線(xiàn)夾角ε為負(fù)值時(shí)的主動(dòng)土壓力系數(shù)均比ε為正值或零時(shí)小(ε自垂線(xiàn)起，順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。采用仰斜式支擋結(jié)構(gòu)要比垂直式支擋結(jié)構(gòu)的支擋體所受到的庫(kù)倫主動(dòng)土壓力小，這也是本文中超前微樁復(fù)合土釘支護(hù)要采用仰斜式的主要原因，如圖2所示。

圖2 仰斜式擋土墻與滑動(dòng)土體

εφ20°25°30°20°0．6480．5690．49810°0．5600．4780．4070°0．4900．4060．333-10°0．4330．3440．270-20°0．3800．2870．212

注：表中數(shù)據(jù)為在δ= 0，β= 0時(shí)得出。

3 FLAC3D模擬

3.1 模型建立

考慮到基坑開(kāi)挖范圍太大，另外基坑坑底標(biāo)高不一致，因此選擇其中一段開(kāi)挖深度最大(考慮最不利情況)的一段進(jìn)行數(shù)值模擬。為了降低模擬邊界條件對(duì)基坑開(kāi)挖模擬過(guò)程的影響，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，模型在水平方向上的大小取開(kāi)挖深度的4倍，在豎直方向上取3倍開(kāi)挖深度[9-10]。模型的尺寸大小為長(zhǎng)×寬×高=30 m×1.5 m×25 m，共有9 000個(gè)實(shí)體單元、12 444個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)、20個(gè)pile結(jié)構(gòu)單元、72個(gè)cable結(jié)構(gòu)單元(計(jì)算模型如圖3所示)。

圖3 基坑計(jì)算模型圖

開(kāi)挖深度為9.5 m，在x=0 m及x=30 m約束x軸方向位移，y軸方向上的位移在y=1.5 m和y=0 m處進(jìn)行約束，z軸方向只約束底面z=-25 m處的位移，基坑頂面自由。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型[11-12]，開(kāi)挖用Null空模型模擬，鋼管微樁選用pile結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬(具體參數(shù)見(jiàn)表3)，土釘采用cable結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬(具體參數(shù)見(jiàn)表4)，面層采用shell結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬(具體參數(shù)見(jiàn)表5)。

3.2 數(shù)值模擬參數(shù)的確定

土體的剪切模量G和體積模量K可用下述公式3和公式4計(jì)算，即：

(3)

(4)

其中：E-彈性模量，ν-泊松比。

表3 仰斜微樁參數(shù)表

表4 土釘主要參數(shù)表

表5 面層參數(shù)表

3.3 基坑開(kāi)挖及計(jì)算

模擬過(guò)程最大程度的還原基坑實(shí)際開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程，具體模擬計(jì)算過(guò)程為：

(1)建立理想基坑模型為各層土體賦參，進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，得到平衡狀態(tài)。

(2)初始各方向的位移、速度歸零，加入仰斜pile結(jié)構(gòu)單元，pile單元長(zhǎng)度為0.5 m，間距1.5 m，直徑0.09 m，整個(gè)樁長(zhǎng)10 m，注漿采用M20水泥砂漿，然后對(duì)pile單元進(jìn)行賦參，設(shè)置基坑頂部水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、基坑頂部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、基坑側(cè)壁水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。

(3)工況一：基坑開(kāi)挖至-2 m，即超挖0.5 m，以方便下一步的土釘施做，開(kāi)挖部分用空單元進(jìn)行模擬。工況二：開(kāi)挖至-2 m后及時(shí)施做第一排土釘然后噴射混凝土面層，進(jìn)行solve計(jì)算。工況三：開(kāi)挖至-3.5 m，進(jìn)行平衡計(jì)算。工況四：開(kāi)挖至-3.5 m后及時(shí)施做第二排土釘然后噴射混凝土面層，進(jìn)行平衡計(jì)算。工況五：基坑開(kāi)挖至-5 m，進(jìn)行solve計(jì)算。工況六：開(kāi)挖至-5 m后盡快進(jìn)行第三排土釘和混凝土面層的施做，然后進(jìn)行平衡計(jì)算。工況七：基坑開(kāi)挖至-6.5 m，進(jìn)行平衡計(jì)算。工況八：待基坑開(kāi)挖至-6.5 m后及時(shí)施做第四排土釘和混凝土面層，然后進(jìn)行平衡計(jì)算。工況九：基坑開(kāi)挖至-8m，然后進(jìn)行平衡計(jì)算。工況十：待基坑開(kāi)挖至-8m后，及時(shí)進(jìn)行第五排土釘和混凝土面層的施做，然后進(jìn)行平衡計(jì)算。工況十一：基坑開(kāi)挖至9.5 m，進(jìn)行solve計(jì)算。工況十二：待基坑開(kāi)挖至-9.5 m后，及時(shí)施做第六排土釘和混凝土面層，進(jìn)行平衡計(jì)算。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

(1)基坑頂水平位移分析

圖4基坑頂水平位移模擬值圖5基坑頂水平位移實(shí)測(cè)值

由圖4可知：基坑頂部水平位移隨基坑的開(kāi)挖有逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)開(kāi)挖至-2m時(shí)變形速率較大，隨后變形速率變小，這是由于在下一步的開(kāi)挖過(guò)程中設(shè)置的第一排土釘起到了作用；基坑開(kāi)挖完成后頂部位移穩(wěn)定在14.5mm左右。由圖5可知：基坑頂部水平位移模擬值與監(jiān)測(cè)值變化規(guī)律基本一致，但在基坑開(kāi)挖至-8m時(shí)水平位移有突然增大趨勢(shì)。

由圖6可知：隨著基坑的開(kāi)挖基坑側(cè)壁水平位移逐漸增大，在-8 m到-9.5 m開(kāi)挖時(shí)位移增長(zhǎng)速度較快，說(shuō)明此步開(kāi)挖是基坑開(kāi)挖全過(guò)程中最危險(xiǎn)的一步，一定要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)加強(qiáng)防范措施；圖6中顯示隨基坑開(kāi)挖側(cè)壁最大位移逐漸下移，在基坑深度-7 m位置達(dá)到最大，最大值為35.6 mm。

(2)坑外地表沉降分析

圖6 基坑側(cè)壁水平位移

圖7坑外地表沉降模擬值圖8坑外地表沉降實(shí)測(cè)值

由圖7可知：基坑外土體沉降隨基坑開(kāi)挖先有逐漸增大的趨勢(shì)，在距離基坑10 m左右的位置達(dá)到最大值，而后沉降開(kāi)始逐漸變小，在17 m左右沉降值達(dá)到平衡，其變形曲線(xiàn)近似呈“碗口狀”；-2 m到-5 m開(kāi)挖過(guò)程沉降變化較小，最后一步開(kāi)挖沉降明顯增大且在坑外0到3 m位置沉降突然增大，在距坑邊緣10 m遠(yuǎn)的位置達(dá)到最大值18.56 mm。圖8中實(shí)測(cè)基坑外土體沉降規(guī)律與模擬值的規(guī)律呈現(xiàn)出一致性，同樣在基坑開(kāi)挖至-8 m時(shí)，基坑沉降突然增大，尤其在距基坑3 m范圍內(nèi)變化明顯。分析其原因：實(shí)際基坑施工工程中，開(kāi)挖至-8 m后有天降大雨情況的發(fā)生，增大了基坑土體自重，進(jìn)而引起了基坑位移與沉降的突然增大。因此，在實(shí)際施工過(guò)程中一定要時(shí)刻關(guān)注天氣變化，避免在雨天施工，且要有良好的基坑防排水措施。

(3)土釘軸力分析

圖9開(kāi)挖完成后土釘軸力模擬值圖10開(kāi)挖完成后土釘軸力實(shí)測(cè)值

土釘軸力僅分析基坑開(kāi)挖完成后的受力狀態(tài)，即開(kāi)挖至-9.5 m時(shí)，圖9顯示，各排土釘軸力均為中間大，兩頭小[13]；第三、四排土釘軸力最大為86 kN，最大位置均出現(xiàn)在4.5 m左右，而第一、二和五排土釘最大軸力分別為50 kN、75 kN和45 kN，位置分別出現(xiàn)在距離土釘頭約6 m、4.5 m和3.5 m，說(shuō)明此時(shí)第三、四排土釘其主要作用。圖10是開(kāi)挖完成后實(shí)測(cè)到的土釘軸力值，圖10中顯示每排土釘軸力最大的位置出現(xiàn)在距離釘頭約4 m處；第三排和第四排土釘軸力最大，最大值比模擬值要大一些，約為90 kN，但規(guī)律表現(xiàn)出一致性，這與實(shí)際施工過(guò)程中的環(huán)境條件有很大的關(guān)系；第六排土釘軸力較小，這說(shuō)明土釘支護(hù)不能立即發(fā)揮作用，具有一定的滯后性。

(4)超前鋼管微樁彎矩分析

圖11仰斜微樁樁身彎矩模擬值圖12仰斜微樁樁身彎矩實(shí)際值

由圖11可知：隨基坑開(kāi)挖深度的增加樁身最大彎矩逐漸下移，最大彎矩的位置均出現(xiàn)在當(dāng)前開(kāi)挖深度附近。由樁的受力狀況可知：仰斜微樁分擔(dān)了一部分基坑的土側(cè)壓力，抑制了局部変形，提高局部穩(wěn)定性。對(duì)比圖11樁身彎矩模擬值，實(shí)測(cè)彎矩整體較大，分析其原因可能是數(shù)值模擬中只考慮了主要的影響因素，而忽略了一些偶然因素，工程現(xiàn)場(chǎng)可變因素較多，如惡劣天氣、周?chē)说幕顒?dòng)等。根據(jù)施工記錄，在-8 m開(kāi)挖后出現(xiàn)了大雨的惡劣天氣，導(dǎo)致樁身彎矩的實(shí)測(cè)值比模擬值大。

4 結(jié)論

(1)在砂土與粉砂土等松散地質(zhì)條件下，運(yùn)用仰斜超前微樁技術(shù)和傳統(tǒng)土釘技術(shù)相結(jié)合形成的新組合體系，可以抑制基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，提高了局部穩(wěn)定性。

(2)當(dāng)基坑開(kāi)挖至-9.5 m時(shí)，軸力最大的土釘位置出現(xiàn)在第3、4排，每排土釘?shù)淖畲筝S力位置距土釘頭約4.5 m，呈向土釘兩端遞減趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)這兩排土釘發(fā)揮主要作用。建議以后在類(lèi)似工程中加大這兩排土釘?shù)牟荚O(shè)密度、長(zhǎng)度和土釘直徑。

(3)隨著基坑的開(kāi)挖，基坑側(cè)壁水平位移以及基坑外土體沉降都逐漸增大；當(dāng)開(kāi)挖到-8 m到-9.5 m位置，即最后一步開(kāi)挖時(shí)位移增長(zhǎng)速度最快；開(kāi)挖完成后基坑側(cè)壁最大位移出現(xiàn)在深度-7 m的位置，最大沉降位置在距基坑邊緣10 m處。建議在以后類(lèi)似工程中可設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索代替土釘。

(4)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果略大，原因是數(shù)值模擬中只考慮了主要的影響因素，而忽略了一些偶然因素，而工程現(xiàn)場(chǎng)可變因素較多，尤其在惡劣天氣條件下要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、注意基坑降排水；本工程中各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值均在可控以及規(guī)范要求范圍之內(nèi)，同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示的規(guī)律與模擬結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了FLAC3D模擬的可行性，而且說(shuō)明了該支護(hù)體系在該工程中發(fā)揮了很好的支護(hù)作用。

[1] 于丹，郭舉興，莊巖，呂勇.某停車(chē)場(chǎng)深基坑支護(hù)方式的FLAC3D模擬分析[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,31(1)：38-44.

[2] 徐凌，陳格際，劉帥.FLAC3D的深基坑支護(hù)方式的模擬對(duì)比分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015,35(11)：1279-1283.

[3] 徐凌，陳格際，劉帥.基于FLAC3D的深基坑開(kāi)挖與支護(hù)數(shù)值模擬應(yīng)用[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,31(1)：91-96.

[4] 李象范，尹驥，管飛.松軟地層中基坑工程的復(fù)合型土釘支護(hù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(21)：3876-3 881.

[5] 曾憲明，林皋，易平，等.土釘支護(hù)軟土邊坡的加固機(jī)理試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(3)：429-433.

[6] JGJ120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[7] 李巖．微型樁和部分預(yù)應(yīng)力復(fù)合土釘影響下深基坑的穩(wěn)定與變形[D]．濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2008.

[8] 劉傳孝.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].鄭州：黃河水利出版社，2014.

[9] 楊柳.深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及數(shù)值模擬分析[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2013.

[10] 趙文華,張彬,張海榮,等.交通載荷作用下樁側(cè)土對(duì)樁的橫向影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,33(1)：71-75.

[11] 王明龍，王景梅.深基坑樁錨支護(hù)中樁內(nèi)力變化規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013,9(3)：576-584.

[12] 張尚根.復(fù)合土釘墻支護(hù)FLAC3D數(shù)值模擬與實(shí)際結(jié)果對(duì)比[J].巖土力學(xué)，2008,29:129-134.

[13] 張欽喜，段勇剛，李繼紅等.CNC科研中心辦公樓土釘拉力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010,32(2):545-549.