葉帥飛，王 輝，徐孟龍

(河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

隨著國家的發(fā)展與人口的急劇增加，大量的高層和超高層建筑出現(xiàn)在城市中，由此深基坑工程也變得越來越多.由于人口集中，道路與建筑密布，城市中的深基坑工程也變得越來越復雜，小變形控制變得尤為重要.設計者為了保證工程和周邊環(huán)境的安全，常常將支護結(jié)構(gòu)設計的過于保守，造成材料的浪費和經(jīng)濟的損失.因此深基坑支護方式設計變得尤為重要[1-3].樁錨支護是深基坑支護方式中的一種，在工程中得到了廣泛的應用，也取得了很好的經(jīng)濟性與支護效果[4-5].本文依據(jù)西安市某深基坑工程為例，對樁錨支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形情況以及基坑周邊的變形情況進行模擬，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，分析該支護方式的合理性.以期為基坑變形控制設計以及類似工程提供參考.

1 工程概況

該擬建建筑位于西安市某道路北側(cè)，其余3個方向均有建筑物與其相鄰，其中西側(cè)的酒店離基坑最近只有0.92 m.該擬建建筑為23 層住宅，地下2層，總高度67.3 m.基坑開挖深度為12.5 m，長64.7 m，寬50 m.建筑基坑位置見圖1.

2 工程地質(zhì)條件

工程場地地形平坦，地貌單元為黃土梁洼，場地高程介于410.89～411.20 m，最大高差只有0.3 m。根據(jù)勘察資料顯示地下水穩(wěn)定水位為9.4～9.8 m，標高范圍401.27～401.46 m，屬于潛水類型，季節(jié)性變化幅度為1～2 m，場地土和地下水對混凝土和鋼混結(jié)構(gòu)中的鋼筋均具有輕微的腐蝕性， 據(jù)此判定該場地環(huán)境類別為Ⅱ類環(huán)境.以下為該場地內(nèi)自上而下主要地層：

圖1 建筑基坑位置

第①層：素填土，層厚2.20～5.90 m，呈褐～黃褐色，以粘性土為主.

第②層：黃土，層厚1.30～5.10 m，呈褐黃色，含云母片，蝸牛殼，零星結(jié)核，針孔發(fā)育.

第③層：古土壤，層厚1.20～4.00 m，呈淺紅褐～褐紅色，含鈣膜，層底有約20 cm 厚的結(jié)核富集成層，孔隙較發(fā)育.

第④層：粉質(zhì)粘土，層厚8.30～9.00 m，呈褐黃～黃褐色，含蝸牛殼碎片，零星結(jié)核石，孔隙中等發(fā)育.

第⑤層：中粗砂，層厚0.90～2.70 m，呈褐黃～灰黃色，礦物成份以石英和長石為主，少量粘性土，顆粒較均勻密實.

第⑥層：粉質(zhì)粘土，層厚2.10～3.40 m，呈褐黃～黃褐色，含氧化鐵，孔隙欠發(fā)育.

第⑦層：中粗砂，層厚0.70～2.30 m，呈褐黃色，礦物成份以石英、長石和云母為主.

第⑧層：粉質(zhì)粘土，層厚6.70～12.00 m，呈褐黃～黃褐色，含氧化鐵、云母和蝸牛殼片，孔隙欠發(fā)育.

依據(jù)勘查報告，場地土層的物理力學參數(shù)如表1 所示.

表1 土體物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

模擬的模型只取該基坑工程的一部分進行，該部分為整個基坑工程中最危險的一段，即與悅洋酒店相鄰的一段，該段采用樁錨支護形式.建立模型時為了消除邊界影響，在模型的水平方向長度取5 倍開挖深度，豎直方向長度取3 倍開挖深度[6-7].模型尺寸大小為60 m×3 m×40 m(長×寬×高)共有57 600 個實體單元，68 607 個網(wǎng)格節(jié)點.模型上表面為自由面，其余5 個面均設有法向約束，土體單元采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型，混凝土灌注樁采用Pile 結(jié)構(gòu)單元，錨索采用Cable 結(jié)構(gòu)單元，混凝土冠梁和腰梁采用Beam結(jié)構(gòu)單元模擬，開挖土體采用空模型模擬.計算模型圖如圖2 所示.

圖2 計算模型

3.2 計算參數(shù)選取

支護樁采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為800 mm，樁長21 m，具體計算參數(shù)見表2.

表2 支護樁計算參數(shù)表

腰梁及冠梁的計算參數(shù)如表3、表4 所示.

表3 冠梁計算參數(shù)表

表4 腰梁計算參數(shù)

錨索計算參數(shù)如表5 所示.

表5 錨索計算參數(shù)表

3.3 計算步驟

為了能夠更好地模擬該支護段，將模擬過程與施工順序相結(jié)合，將每個開挖土方階段作為1個工況進行模擬計算，具體工況步驟如下.

工況1：開挖基坑至-4.5 m施工第1 道錨索；

工況2：開挖基坑至-7 m 施工第2 道錨索；

工況3：開挖基坑至-10 m 施工第3 道錨索；

工況4：開挖基坑至-12.5 m.

3.4 基坑模擬計算結(jié)果分析

最大不平衡力反映模擬計算結(jié)果是否收斂，當不平衡力的值接近于0 時，代表模型計算是收斂的，如果不平衡力不接近于0，代表模型已經(jīng)發(fā)生破壞或者進入了塑性流動狀態(tài)[8].圖3 為該模擬開挖至-12.5 m 時的最大不平衡力與迭代關(guān)系曲線圖，圖中每一個峰值代表1 次開挖，每次開挖后峰值都會下降至接近于0，說明每次開挖都會改變土體的平衡狀態(tài)，但最終又重新達到平衡，說明該模擬是收斂的，沒有發(fā)生破壞.

圖3 最大不平衡力曲線

3.4.1 基坑水平位移模擬分析

圖4 基坑側(cè)壁位移曲線

1)基坑側(cè)壁位移分析.圖4 為基坑側(cè)壁水平 位移曲線圖，由圖可以看出隨著開挖深度的增加基坑側(cè)壁的水平位移值在不斷增加，其中第2 次開挖與第4 次開挖所造成的位移增量基本相同，在0～1 m 的位置隨著開挖深度的增加，其水平位移速率在不斷增加，但是在深度1 m 的地方位移值出現(xiàn)了減小的趨勢，然后在3 m 深度處又開始出現(xiàn)了增大的趨勢，這是由于錨索與樁的聯(lián)合作用使其在1～3 m 處位移出現(xiàn)減小趨勢，位移值的回升點均為錨索的施加位置.4 次開挖的基坑側(cè)壁水平位移最大值分別出現(xiàn)在3，5，8 和10 m 的位置，最大值分別為1.9，5.0，9.0 和13.1 mm.

圖5 基坑深層位移曲線

2)基坑深層水平位移分析.此位移值是由設在距基坑邊2 m 處的監(jiān)測點得出的，如圖5 基坑 深層位移曲線圖所示，基坑在第1 次開挖后，頂部位移與第1 次開挖時基坑側(cè)壁頂端的位移值相同，說明第1 次開挖對基坑頂部的位移值影響不大，但是隨著深度的增加其位移值卻變得越來越大，且隨著開挖深度的增加，其位移值均出現(xiàn)了相同的趨勢即先增大后減小.在第3 次與第4 次開挖時，分別在深6 m 和9 m 的位置處位移達到最大，最大值分別為7.9 mm 和11.9 mm.圖6 為 基坑深層水平位移的實際檢測值與模擬值的對比曲線圖.基坑中共布置4 處測斜孔，模擬所對應的支護段有個3#測斜孔.對比監(jiān)測值與模擬值發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測值與模擬值變化規(guī)律基本相同，都是位移值隨著深度的增加先增大后減小，但模擬值整體比監(jiān)測值大，這可能是因為模擬是在理想狀態(tài)下進行的，與實際相比可能缺失很多因素造成.不論是模擬值還是監(jiān)測值都是在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，與規(guī)范的允許值相比，模擬值和實際監(jiān)測值分別小了67%和83%，因此該支護設計比較保守，需進行優(yōu)化設計.

圖6 深層水平位移監(jiān)測值與模擬值

3.4.2 基坑外地表沉降分析

圖7 基坑外部地表沉降曲線

1)基坑外地表沉降模擬值.如圖7 基坑外地 表沉降曲線圖所示，隨著開挖深度的增加，基坑外地表沉降曲線規(guī)律基本相同，都是先增大然后減小到一穩(wěn)定數(shù)值，曲線呈勺型，每次開挖的沉降最大值基本位于距基坑邊15 m 的位置，4 次開挖的最大沉降值分別為6.8，12.1，14.7 和15.9 m，勺把位置都在距基坑40 m 的位置，每次開挖在該位置處的沉降值都很小，說明基坑的開挖對40 m以外的建筑物影響很小.隨著開挖深度的增加，其最大沉降值的增量在不斷減小，第2 次開挖造成的最大沉降值增量最大，之后都比較小.由圖也可以看出，最大值并不是出現(xiàn)在離基坑最近的地方，可能是因為支護結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用使土體與支護結(jié)構(gòu)之間的摩擦力增大造成的.

圖8 基坑監(jiān)測點平面

圖9 基坑邊緣沉降監(jiān)測曲線

2)基坑邊緣沉降監(jiān)測值.在模擬對應的該段支護范圍內(nèi)設置了3 處沉降觀測點，分別為W1、W2 和W3，即對應圖8 中WY7，WY8 和WY9 3 個監(jiān)測點，圖9 為該3 處監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖.由圖9 可以看出，W1 與W2 兩監(jiān)測點均出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，然后又下降到穩(wěn)定數(shù)值；W1最終沉降值為-6 mm；W2 的最終沉降值為-4.6 mm；W3 監(jiān)測點曲線先下降然后在最后出現(xiàn)稍微的隆起，最后下降到最終的-7.2 mm.這3 個監(jiān)測點的最大沉降值都小于規(guī)范的要求，因此該基坑支護體系是安全可行的.

3.4.3 錨索軸力分析

1)錨索軸力模擬值分析.由圖10 可以看出，錨索自由段的軸力由第1 排至第3 排不斷增加，相較于第1 排錨索自由段軸力，第2、3 排的錨索自由段軸力更大些，因此第2、3 排錨索在基坑的支護中起著重要作用.在錨索的錨固段，錨索的軸力隨著錨索長度的增加不斷減小，最后趨于平穩(wěn)，但最終都不為0，在錨固段端頭2～3 m 的位置錨索軸力急劇下降，隨后下降速率減小.

圖10 工況4 各排錨索軸力分布曲線

2)錨索軸力監(jiān)測值分析.在模擬所對應的該支護段有2 個錨索軸力監(jiān)測點，分別設在第1 排和第2排.圖11為錨索軸力隨時間分布的曲線圖，由圖11 可以看出第1 排錨索軸力呈上升趨勢，最大自由段軸力為126.4 kN；第2 排錨索軸力先呈下降趨勢，然后開始上升，但整體變化幅度不大，最大自由段軸力為124 kN，與模擬值自由段軸力相比監(jiān)測值普遍偏小，可能是因為施工時漿體不飽滿或者養(yǎng)護不夠的原因.

圖11 錨索軸力實際監(jiān)測值

3.4.4 樁身彎矩模擬分析

圖12 是樁身彎矩隨樁長變化曲線，圖中表現(xiàn)的是樁身彎矩在不同開挖深度下，樁身彎矩隨樁長的變化.由圖12 可知，樁身彎矩在不同的開挖深度下變化規(guī)律基本相同，第1 次開挖完成后樁身彎矩最大值為37.7 kN·m，在樁長5 m 處；第2次開挖完成后樁身彎矩最大值為59.7 kN·m，在樁長9 m 處；第3 次開挖完成后樁身彎矩最大值為84.6 kN·m，在樁長12 m 處；第4 次開挖完成后樁身彎矩最大值為128.8 kN·m，在樁長15 m 處.最大樁身彎矩出現(xiàn)在第4 次開挖完成以后，樁身正負彎矩的轉(zhuǎn)折點基本位于基坑底部12.5 m位置，并且第4 次開挖以后樁身正負彎矩都明顯增大，說明第4 次開挖對基坑支護穩(wěn)定性影響較大.

圖12 樁身彎矩模擬分析

3.5 基坑支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對當前基坑設計過于保守，現(xiàn)對樁長與錨索長度進行優(yōu)化設計.

1)樁采用17 和19 m 兩種樁長進行優(yōu)化模擬，并與原樁長進行對比，模擬結(jié)果見圖13.

2)調(diào)整錨索長度，然后與原設計相比，模擬結(jié)果見圖14.

圖13 不同樁長的基坑側(cè)壁水平位移

圖14 不同錨索長度的基坑側(cè)壁水平位移

第1 種方案：第1 排錨索長17 m、第2 排錨索長19 m、第3 排錨索長21 m.

第2 種方案：第1 排錨索長15 m、第2 排錨索長17 m、第3 排錨索長19 m.

第3 種方案：第1 排錨索長14 m、第2 排錨索長16 m、第3 排錨索長18 m.

由圖13 可以看出樁長19 m 時最大水平位移為-15.95 mm，比樁長21 m 時的最大水平位移增加了21.57%；樁長17 m 時最大水平位移為-24.19 mm，比樁長21 m 時的最大水平位移增加了84.38%，但仍小于規(guī)范要求值，表明樁長為17 m時仍能保證基坑的安全.在錨索的優(yōu)化模擬中，當減小錨索長度時基坑側(cè)壁水平位移不斷增加.由圖14 可以看出，第3 種方案下基坑側(cè)壁水平位移達到最大值-19.77 mm，相較于原設計方案，該情況下更節(jié)省用料，同時位移值也在規(guī)范允許范圍內(nèi)，因此第3 種方案更加合理.

4 結(jié)論

1)基坑側(cè)壁水平位移在不同的開挖深度下，呈現(xiàn)出相同的規(guī)律性，基坑外土體沉降值隨開挖深度的增加也呈現(xiàn)出相同規(guī)律性.在基坑開挖完成后，模擬得到的基坑側(cè)壁水平位移值與基坑外土體沉降值同監(jiān)測到的兩者的數(shù)值都比規(guī)范值小說明了該基坑設計是安全的.

2)分析錨索軸力可知，從錨固段開始，每排錨索的軸力均是從錨固段的端頭向錨固段端尾逐漸衰減，在端尾處達到最小值；分析樁身彎矩可知，每次基坑開挖引起的樁身彎矩的分布規(guī)律基本一致，只是在數(shù)值的大小上存在差異，最大彎矩的位置出現(xiàn)在當前開挖深度以下1～2.5 m 范圍之內(nèi).

3)通過對比實際監(jiān)測值，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與監(jiān)測值趨勢一致，說明該模擬較合理，但同時發(fā)現(xiàn)模擬值與監(jiān)測值都比規(guī)范規(guī)定的值小很多，因此認為該支護方案設計比較保守.通過對原設計方案進行優(yōu)化，當樁長為17 m 第1～第3 排錨索長度為14，16 和18 m 時，該支護方案相對安全.