戴志成 （蘇州高新區(qū)（虎丘區(qū)）建設(shè)工程設(shè)計(jì)施工圖審查中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)力度不斷加大，基坑開(kāi)挖深度日益加深，周邊環(huán)境情況也越來(lái)越復(fù)雜[1]，如某新建總部大樓基坑即位于東高西低的山坡腳下并且高差很大。地形起伏較大引起的不平衡土壓力對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的影響，是本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算面臨的一道重大難題。論文通過(guò)采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行單元計(jì)算、利用有限元進(jìn)行偏壓建模計(jì)算，較為準(zhǔn)確地獲得了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性狀，并對(duì)工程進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。通過(guò)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，證明計(jì)算方法基本可行，為后續(xù)同類型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)工程提供了有益參考[2]。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

擬建總部大樓為地上1-7層地下1層辦公建筑，按照“洄歸”設(shè)計(jì)理念結(jié)構(gòu)層層退臺(tái)，建筑剖面如下圖1所示。項(xiàng)目±0.00為85國(guó)家高程5.40m，首層層高6.05m，地下室頂板標(biāo)高-0.80m，東南角純地庫(kù)位置頂板為-1.80m。由于地勢(shì)變化，基坑西側(cè)開(kāi)挖深度6.6m，東側(cè)基坑開(kāi)挖深度11.15m，基坑總平面圖見(jiàn)圖2。

圖1 建筑剖面

圖2 基坑總平面圖

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，本工程地層分布由上而下依次如下。

①填土：層厚0.50～3.70m，層底標(biāo)高3.39～8.22m。

②粉質(zhì)黏土：層厚3.00～6.00m，層底標(biāo)高-0.21～3.31m。全場(chǎng)地分布。

③粉質(zhì)黏土：層厚3.30～5.50m，層底標(biāo)高-4.49～-1.25m。

④粉質(zhì)黏土：層厚1.70～14.50m，層底標(biāo)高-18.51～-3.85m。

⑤粉質(zhì)黏土夾碎石：層厚1.00～16.90m，層底標(biāo)高-24.66～-5.39m。

⑥強(qiáng)風(fēng)化砂巖：揭穿處層厚4.80～20.30，層底標(biāo)高-33.66～-17.69m。

⑦中風(fēng)化砂巖：?jiǎn)屋S飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為21.49MPa，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，巖芯采取率在60～80%，RQD=30～50。本層未揭穿，全場(chǎng)地分布。

本基坑側(cè)壁土層為第1，2，3層?；油翆犹匦钥梢?jiàn)表1。

基坑土層特性表 表1

1.3 水文地質(zhì)條件

對(duì)本工程基坑開(kāi)挖有影響的地下水主要有兩種類型，即潛水和承壓水[3]。

①潛水：潛水含于第（1）層填土，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、向近河滲透等方式排泄，水位隨晴雨天氣變化。本場(chǎng)地地下水的穩(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(zhì)黏土夾碎石及（6）強(qiáng)風(fēng)化砂巖中。該層水具弱承壓性。根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告，該層水位標(biāo)高為6.93～7.20m（85國(guó)家高程基準(zhǔn)）。

2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑特點(diǎn)

本基坑地下僅1層，開(kāi)挖面積約5000m2。由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，因此底板及頂板標(biāo)高種類繁多。底板周邊有地梁和承臺(tái)并且下落深度較大，設(shè)計(jì)計(jì)算需按不利的承臺(tái)深度考慮。

基坑西側(cè)基坑開(kāi)挖深度6.6m左右，而東側(cè)則為11m左右，基坑?xùn)|西兩側(cè)相對(duì)高差超過(guò)4m，土壓力不平衡現(xiàn)象明顯。如何考慮土體偏壓?jiǎn)栴}、確保基坑工程的安全，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算提出較高挑戰(zhàn)。

2.2 基坑設(shè)計(jì)方案選型

一般來(lái)說(shuō)，基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)選型一般綜合下列因素考慮確定：

①結(jié)合基坑平面形狀及尺寸選擇合適的支撐布置形式及手段；

②結(jié)合基坑的設(shè)計(jì)等級(jí)及開(kāi)挖深度選擇合適重要性系數(shù)；

③結(jié)合基坑工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件選擇合適的支護(hù)體系；

④結(jié)合基坑環(huán)境對(duì)變形的要求選擇合理的變形控制標(biāo)準(zhǔn)；

⑤結(jié)合主體地下結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)類型選擇便于施工、節(jié)能環(huán)保的支護(hù)材料。

本工程周圍環(huán)境較為復(fù)雜，場(chǎng)地東西為市政道路且臨近基坑有市政管線，項(xiàng)目不具備放坡條件需直立開(kāi)挖?？紤]到排樁結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的變形控制能力，同時(shí)結(jié)合本地關(guān)于錨索使用政策的限制[4,5]，故初步選用灌注樁/地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)形式。

在進(jìn)一步的支護(hù)結(jié)構(gòu)選型上，考慮到地下連續(xù)墻工程造價(jià)較高，且本基坑土質(zhì)較好，選擇灌注樁做支護(hù)結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)可行。根據(jù)地層特性，本次灌注樁采用旋挖成孔。

對(duì)于內(nèi)支撐的選型，考慮到本基坑為偏壓荷載，鋼支撐受力分析復(fù)雜并且對(duì)施工要求較高，一旦破壞則后果不堪設(shè)想。又由于混凝土內(nèi)支撐抗壓強(qiáng)度較大并且節(jié)點(diǎn)可靠整體性好，更有利于協(xié)調(diào)基坑的不均勻土壓，因此選擇了混凝土支撐體系。支護(hù)樁采用φ900@1200鉆孔灌注樁，設(shè)置一道支撐，支撐設(shè)置在標(biāo)高-0.9m處，截面1000*800mm。設(shè)計(jì)考慮采用角撐+對(duì)撐的支撐方式，以進(jìn)一步發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，形成較為開(kāi)闊的土方開(kāi)挖空間，并節(jié)省材料[6]。支撐平面圖見(jiàn)圖3。

圖3 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

3 設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元分析

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需依據(jù)基坑工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，結(jié)合基坑周邊不同環(huán)境進(jìn)行分段處理設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理科學(xué)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本基坑總體側(cè)壁安全等級(jí)按二級(jí)考慮，重要性系數(shù)為1.0；東側(cè)深度較大接近11m，側(cè)壁安全等級(jí)一級(jí)考慮，重要性系數(shù)為1.1。根據(jù)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，采用彈性支點(diǎn)法分別對(duì)基坑?xùn)|北角、西北角、東西南北側(cè)進(jìn)行單元計(jì)算，以朗肯理論模型分析計(jì)算主動(dòng)土壓力。

經(jīng)反復(fù)計(jì)算調(diào)整，支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果均滿足整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起及抗?jié)B流等多項(xiàng)規(guī)范指標(biāo)要求，得到了不同支護(hù)剖面的位移及內(nèi)力包絡(luò)圖。典型剖面東側(cè)剖面3a圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力包絡(luò)圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)比分析，可見(jiàn)東西兩側(cè)計(jì)算結(jié)果差異不大，樁身變形及彎矩分布形態(tài)較為接近，東側(cè)計(jì)算所得支護(hù)樁身最大彎矩大于西側(cè)。其中，支護(hù)樁身最大位移約11mm，滿足一級(jí)基坑變形控制要求。

圖4 3a剖面基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.2 有限元數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究偏壓基坑受力性狀，采用有限元數(shù)值模擬方法，模擬計(jì)算基坑在東西兩側(cè)高差導(dǎo)致的土壓力不平衡條件下支護(hù)體系的整體位移、內(nèi)力分布及支撐軸力情況。

3.2.1 計(jì)算模型

本基坑平面較為規(guī)則，形狀近似長(zhǎng)方形，因此可基于平面應(yīng)變假定采用二維平面模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告選取，混凝土材料按線彈性本構(gòu)模型；土體計(jì)算采用HSS小應(yīng)變硬化模型。本模型已經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明其對(duì)于基坑開(kāi)挖卸載工況具有較好模擬精度；計(jì)算工況完全按照實(shí)際開(kāi)挖工序進(jìn)行模擬，二維模型如圖5所示。

圖5 基坑模型圖

圖6 水平位移云圖、變形趨勢(shì)圖

3.2.2 計(jì)算工況

根據(jù)施工總體安排，本次模擬計(jì)算工況包括如下幾步：首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，然后工況一開(kāi)挖至-0.9m；工況二激活混凝土支撐單元模擬施工樁頂冠梁及支撐；工況三開(kāi)挖至-8.1m處，挖至基坑底部。

4 計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本基坑工程自2020年10月開(kāi)始施工支護(hù)樁，至2021年8月地下室完成施工并回填，共歷時(shí)10個(gè)月。在基坑工程施工過(guò)程中，委托第三方專業(yè)單位進(jìn)行了全工況信息化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的項(xiàng)變形和受力情況，部分主要監(jiān)測(cè)成果與計(jì)算分析進(jìn)行對(duì)比分析如下。

4.1 支護(hù)樁樁身水平位移

本基坑?xùn)|側(cè)剖面采用直徑900@1200鉆孔樁+一道混凝土支撐，采用彈性支點(diǎn)法和二維平面有限元計(jì)算結(jié)果均表明，支護(hù)樁樁身彎矩及位移最大值均出現(xiàn)在支護(hù)樁中部接近坑底位置。對(duì)比樁身測(cè)斜曲線，可見(jiàn)樁身變形基本發(fā)生在8m左右深度處，計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

圖7 東側(cè)支護(hù)樁工況一、二位移圖

圖8 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

此外，由監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果可知，樁身位移實(shí)測(cè)值最大，單元計(jì)算值最??；同時(shí)由于坑底土質(zhì)較好，為硬塑粉質(zhì)粘土，因此單元計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果均表明開(kāi)挖到底后變形穩(wěn)定，支護(hù)樁位移不再增加。

4.2 支撐軸力對(duì)比分析

二維整體有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果（圖9）所示，軸力變化較為穩(wěn)定，軸力最大值發(fā)生在基坑開(kāi)挖至基底部分。

圖9 支撐軸力變化圖

5 結(jié)論

本基坑深6.85m～11.15m，周邊環(huán)境復(fù)雜，東西兩側(cè)地形高差較大，具有顯著偏壓受荷特點(diǎn)。本文介紹了本次工程的基坑支護(hù)方案對(duì)比選型、彈性支點(diǎn)法設(shè)計(jì)計(jì)算及平面有限元模擬情況，通過(guò)對(duì)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①基于某公司新建總部大樓基坑工程的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，采用彈性支點(diǎn)法和有限元仿真模擬，得到了在基坑工程不同開(kāi)挖工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力性狀，并進(jìn)行了分析；

②在考慮不平衡土壓力的情況下采用鉆孔灌注樁和混凝土支撐的支護(hù)方案，計(jì)算結(jié)果顯示會(huì)產(chǎn)生向土壓力較小一側(cè)的整體偏移，但偏移結(jié)果不明顯。表明此設(shè)計(jì)方案思路可行，可有效控制基坑變形，可以為后期同類型基坑支護(hù)方案提供參考，具有一定的參考意義；

③采用彈性支點(diǎn)法及二維平面有限元分析的支護(hù)樁身位移、支撐軸力數(shù)據(jù)均小于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表明由于在參數(shù)不確定性、本構(gòu)模型理想化及實(shí)際施工工況復(fù)雜多變的影響下，理論計(jì)算尚無(wú)法完全翔實(shí)模擬基坑施工過(guò)程中的內(nèi)力及位移性狀，但是其計(jì)算結(jié)果所得到的變形及內(nèi)力規(guī)律與實(shí)測(cè)較為相符，基坑工程施工仍需高度重視信息化監(jiān)測(cè)工作。