陳亞新，吳劍波

(1.無錫市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 無錫 214001；2.蘇州英格瑪服務外包股份有限公司，江蘇 蘇州 212004）

0 前言

隨著對周邊環(huán)境保護要求的增高，深基坑支護工程越來越多地采用排樁-支撐支護體系。其中支撐系統(tǒng)計算目前多簡化為平面框架后施加圍壓計算，要求施工過程中周邊土體圍壓盡可能保持均衡以確保實際受力與計算工況一致。這也是基坑工程反復強調對稱均衡開挖及周邊超載控制的原因之一。

但是對于臨近山坡的基坑工程，由于地勢起伏必然存在基坑開挖后臨山一側高度很大而遠山一側高度較小這種情況，此時如采用支撐方案則其兩側因土壓力差異將承受不均衡土壓力，支撐系統(tǒng)可能存在整體向一側位移情況，從而增加了樁撐體系設計計算的難度，稍有不慎可能導致計算結果出現(xiàn)較大偏差甚至帶來巨大安全隱患。對此進行深入研究勢在必行。

然而對于此類不均衡土壓力對支撐系統(tǒng)的影響及支撐系統(tǒng)的計算分析目前尚未見相關深入研究，更遑論納入規(guī)范規(guī)程，亟待進行系統(tǒng)性研究分析以指導生產(chǎn)。

本文以蘇南某臨近山體處于半山腰的基坑工程為例，初步探討了不均衡土壓力下基坑工程支護樁的變形性狀，簡要總結了此類基坑工程的設計注意事項，可為后續(xù)同類工程的實施提供參考，具有一定的示范及借鑒價值。

1 工程概況

某擬建總部大樓為辦公建筑，地上1- 7 層，層層退臺以實現(xiàn)建筑設計效果，地下設一層地下室，建筑功能為停車庫和設備用房。

本項目基坑呈不規(guī)則長條形，地下室底板面結構標高為- 5.50m，局部位置消防水池、設備用房降板區(qū)域底板面結構標高為- 6.60m。地下室頂板標高- 0.80m，局部位置地庫頂板為- 1.80m。

擬建項目地勢自西向東逐漸抬高，其西側道路路面相對標高0.5m 左右；東側道路路面相對標高為3.50m 左右，即東側比西側高出3m 左右，坡度約為5%，項目總圖如圖1 所示。

圖1 基坑工程總平面圖

2 工程地質與水文地質條件

2.1 工程地質條件

擬建場地20.00m 深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)沉積物，自上而下各土層特征如下：

①填土：灰黃、雜色，很濕～飽和，松散，以黏性土為主，上部主要是耕植土。填土年代大于10 年，高壓縮性，擬建場地表層淺部有碎石填土，粒徑約3～6cm。層厚0.50～3.70m，層底標高3.39～8.22m。土質不均，欠固結，全場地分布。

②粉質黏土：黃褐色，飽和，可～硬塑，稍有光澤，韌性中等，干強度中等，無搖振反應，含鐵錳結核，中等壓縮性。層厚 3.00～6.00m， 層 底 標 高 - 0.21～3.31m。全場地分布。

③粉質黏土：灰黃色，飽和，可塑，稍有光澤，韌性中等，干強度中等，無搖振反應，中等壓縮性。層厚3.30～5.50m，層底標高- 4.49～- 1.25m。

④粉質黏土：黃褐色，飽和，可～硬塑，稍有光澤，韌性中等，干強度中等，無搖振反應，中等壓縮性，夾碎石透鏡體，粒徑約3～5cm，分布較為隨機，無明顯規(guī)律。層厚1.70～14.50m，層底標高- 18.51～- 3.85m。

⑤粉質黏土夾碎石：棕紅色、黃褐色，可塑偏硬塑，夾有粒徑1～5cm 碎石，碎石含量在15%左右，其以角礫為主，主要成分為砂巖。層厚1.00～16.90m，層底標高- 24.66～- 5.39m。

⑥強風化砂巖：棕紅色、灰白色，巖石風化成碎塊狀，原巖結構破壞，有殘余結構強度，巖體破碎，不均勻，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層底標高- 33.66～- 17.69m。

⑦中風化砂巖：灰白、紫紅色，多呈短柱狀，少呈碎石狀，裂隙發(fā)育。錘擊聲較脆，不易擊碎，進尺慢。單軸飽和抗壓強度標準值為21.49MPa，巖體基本質量等級為Ⅳ級，巖芯采取率在60～80%，RQD=30～50。本層未揭穿，全場地分布。

2.2 地下水情況

根據(jù)地勘報告，本場地地下水情況如下。

①潛水：潛水含于第（1）層填土，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)、向近河滲透等方式排泄，水位隨晴雨天氣變化。量測得地下水的穩(wěn)定水位深度為0.50 ～1.40m。豐水期與枯水期地下水穩(wěn)定水位變化幅度在0.50～1.00m；

②微承壓水：承壓水埋藏于第（5）層粉質黏土夾碎石及（6）強風化砂巖中。該層水具弱承壓性。根據(jù)水文地質勘察報告，該層水位標高為6.93～7.20m（85 國家高程基準）。

擬建場地工程地質剖面如圖2 所示。

圖2 擬建場地工程地質剖面圖

3 基坑支護方案選型分析

本基坑工程主要有如下特點：

①地質條件較好，地層物理力學指標較高；

②場地地勢高差較大，東西向存在3m 高差，也就是土壓力相差接近60kPa，不同于常規(guī)基坑。

根據(jù)上述特點分析，本基坑支護方案最優(yōu)技術方案為樁錨支護，錨索可提供較大錨固力并且可針對不同基坑側壁高差分開設計，處理靈活。但是由于錨索超出用地紅線因此不被允許，最終確定采用內(nèi)支撐體系。

對于內(nèi)支撐體系目前多用鋼支撐和混凝土支撐兩種。鋼支撐施工速度快、造價低，并且其可重復回收利用因此具有綠色節(jié)能環(huán)保特點。但是本基坑因東西側高差較大，西側開挖后樁撐體系可能出現(xiàn)向地勢較低的西側整體位移趨勢，使得西側圍護樁樁頂存在后仰現(xiàn)象，導致此處鋼支撐節(jié)點可能產(chǎn)生拉應力進而帶來支撐脫落風險。

不均衡土壓力下樁撐體系變形示意圖如圖3 所示。

圖3 不均衡土壓下樁撐體系變形示意圖

混凝土支撐由于鋼筋與圍護樁壓頂梁通過鋼筋互相錨固，其節(jié)點可承受拉、壓、彎、剪等復雜工況，對于不均衡土壓力下受力情況復雜的支撐體系來說比較適用，因此最終確定采用混凝土支撐方案。

混凝土支撐常規(guī)可采用環(huán)形或者對撐+ 角撐布置，環(huán)形支撐雖然可充分發(fā)揮混凝土材料抗壓性能高這一優(yōu)點但是同樣需要受力均衡才能確保環(huán)形支撐的均勻壓縮，本基坑考慮到土壓力的復雜性，最終采用對撐+ 角撐體系，基坑東西向支護斷面如圖4 所示。

圖4 基坑東西向支護斷面圖

4 支撐系統(tǒng)計算與設計

4.1 支撐計算及不均衡土壓問題

樁撐系統(tǒng)計算原理在現(xiàn)行國家規(guī)程[有明確規(guī)定，即圍護樁按照彈性支點法、支撐體系采用平面框架有限元進行內(nèi)力分析，對于作用于支撐系統(tǒng)的土體圍壓，可先采用增量法模擬開挖過程進行單元計算獲取。

混凝土材料包括圍護樁及支撐均按照線彈性本構模型，材料計算參數(shù)包括其彈性模量及泊松比根據(jù)混凝土設計等級選?。豢油馔翂毫Σ捎美士贤翂毫?；坑內(nèi)采用被動土壓力。

根據(jù)單元計算結果，分別獲得本基坑支撐周邊圍壓結果如表1 所示。

可見，由于地勢高差原因導致支護結構不同位置的土體圍壓相差接近4倍。隨著基坑開挖支撐系統(tǒng)開始受力后，由于兩側土壓力差異，支撐系統(tǒng)必然會有向地勢較低一側位移趨勢，進而使得支撐實際的受力既非濟慈路一側的較高土壓力也非青山路一側的較低土壓力，因此簡單地選擇不同的土壓力取值都無法模擬真實的受力工況。

4.2 不均衡土壓下的支撐有限元計算

為進一步研究不平衡土壓下支撐系統(tǒng)的實際內(nèi)力情況，有必要采用有限元方法建立土體- 排樁- 支撐模型進行整體分析，建立有限元模型如圖5 所示。

有限元建模及計算原理如下：

圖5 不均衡土壓力有限元計算模型

①有限元計算模型尺寸根據(jù)基坑開挖深度外擴至5 倍開挖深度以外，左右邊界采用豎向自由法向約束，底部邊界采用豎向約束水平自由邊界以模擬地層實際受力工況；

②各土層本構模型采用HSS 小應變模型，該本構模型可以較為精確模擬基坑開挖卸載過程，混凝土結構包括圍護樁和支撐選擇線彈性模型，圍護樁與土體之間設置古德曼虛擬單元模擬樁土界面受力工況，地層計算參數(shù)按照地勘報告建議值選取，如表2 所示；

③模擬計算采用增量法，共分以下四個工況進行分析。

工況一：地應力平衡分析，進行位移置零模擬初始應力狀態(tài)；

工況二：支護樁施工，通過激活板單元模擬支護樁施工；

工況三：表層土開挖至第一道支撐，然后施工第一道混凝土支撐；

工況四：開挖到坑底。

有限元計算得到基坑開挖后土體及支護結構的水平位移如圖6、圖7 所示。

從圖6、圖7 可以看出，由于基坑東西側地勢不同，地勢較高的東側開挖后圍護樁向坑內(nèi)位移，最大位移量為8.82mm；而西側圍護樁由于其被動土壓力較小，圍護樁表現(xiàn)為樁身向坑內(nèi)位移，但是其量值很小，只有2.41mm，樁頂則向坑外位移，量值約1.2mm，整體圍護樁變形表現(xiàn)出明顯的不均衡土壓特征。

圖6 基坑開挖后水平位移云圖

圖7 不同側壁圍護樁水平位移曲線

基坑支撐系統(tǒng)不同位置土體圍壓結果 表1

地層計算參數(shù)一覽表 表2

此外，有限元計算得到支撐軸力為每延米209kN，與套用規(guī)范方法相比，得到計算結果相差較大，其原因可能是前者是基于經(jīng)典土壓力理論，不能反映土體受力變形后的彈塑性變化，因此土壓力偏小。

從前述分析可見，不均衡圍壓下如采用常規(guī)規(guī)范方法進行支撐設計，無論圍護樁的位移或者支撐的內(nèi)力均與實際情況差別較大，因此應引起高度重視。

4.3 不均衡土壓下的支撐體系布置及設計

如前所述，由于混凝土材料具有其可設計性，因此支撐體系布置具有高度靈活性，可采用圓形、對撐等多種布置形式?？紤]到基坑土壓力不均衡，采用環(huán)形支撐可能導致其內(nèi)部產(chǎn)生拉應力進而影響支撐體系的可靠性，故支撐體系采用傳力簡潔直接的對撐+ 角撐+ 邊桁架體系，支撐布置平面如圖8 所示。

圖8 支撐體系布置圖

在實際設計計算過程中，最終根據(jù)有限元模擬結果，考慮到實際工況的復雜性，采用規(guī)范法和有限元結果包絡設計思路，以確保支護結構有足夠安全度。

實際基坑支撐情況如圖9 所示。

5 變形實測結果分析

圖9 基坑實際支撐布置情況

基坑開挖前預先在圍護樁內(nèi)埋設深層水平位移監(jiān)測點，并且在開挖期間每天進行監(jiān)測，基坑開挖到底后圍護樁深層水平位移曲線如圖10 所示。

實測地勢較高的東側圍護樁最大深層水平位移為9.1mm，地勢較低的西側圍護樁最大水平位移為3.8mm，與有限元分析計算結果基本一致。圍護樁變形曲線表現(xiàn)為中部凸出，與單支點樁撐體系變形趨勢一致。

同時也注意到西側圍護樁樁頂水平位移要小于東側，說明西側圍護樁在不均衡土壓下抵消了一部分樁頂向坑內(nèi)變形的趨勢；同時看到樁頂實際向坑外位移量比有限元計算結果要小，表明支撐- 圍護樁系統(tǒng)形成復雜的剛性受力體系，存在一定的內(nèi)力再調整過程。

圖10 實測圍護樁深層水平位移曲線

6 結語

總體而言，不均衡土壓下的樁撐結構支護目前相關的研究尚不多見，類似的工程實例也報道較少，本次以實際工程為例進行了有意義的探討與實踐，取得了如下寶貴經(jīng)驗：

①不均衡土壓力下采用樁撐體系的深基坑工程如疊加外側超載、分區(qū)開挖進度后可能實際受力工況更為復雜，應高度重視其潛在風險，決不可簡單等同于常規(guī)基坑設計，建議采用規(guī)范方法并結合有限元必要時采用三維有限元進行模擬分析以確定其受力情況；

②不均衡土壓下樁撐體系設計，圍護樁應充分考慮土壓較小一側圍護樁可能出現(xiàn)頂部向外側位移而中間向坑內(nèi)位移這種變形特征，盡可能選擇延性材料如現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁或者鋼樁，對于高強預制樁等應慎用；

③不均衡土壓力下應重視支撐節(jié)點設計，建議支撐盡可能選擇混凝土材料并加強節(jié)點錨固，以防止出現(xiàn)復雜應力狀況后發(fā)生節(jié)點破壞；

④底支撐形式建議盡量采用受力明確傳力路徑簡潔的角撐及對撐體系，并且盡可能采用桁架體系提高結構冗余度；

⑤基坑開挖過程中應嚴格控制外側堆載，特別是地勢較高土壓力較大一側堆載，避免進一步增大不均衡土壓；

⑥應重視基坑土方的開挖工作，確保對撐區(qū)域均衡對稱，同時加強基坑監(jiān)測，做好應急預案，一旦出現(xiàn)設計工況外變形立即采取措施進行處理。