雙排樁—錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果數(shù)值分析

冀彥卓 郭 強(qiáng) 李慶文

(1.遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽 110013;2.錦州石化公司，遼寧 錦州 121001;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

伴隨著我國土木建設(shè)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，迫切需要解決充分利用有效場地進(jìn)行基坑開挖等施工問題。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制與受力狀態(tài)最為復(fù)雜［1，2］，主要體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖土體間空間受力狀態(tài)、巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的相互響應(yīng)、工序與巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)相互影響等復(fù)雜的非線性力學(xué)問題［3，4］。支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展形勢趨向多樣化，不斷產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)樣式，其中雙排樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)樣式的產(chǎn)生受到工程人員不同程度上的重視［5-7］。本文以錦州石化公司新建柴油罐基坑支護(hù)擋土墻作為研究對象，利用有限差分FLAC3D數(shù)值分析軟件對雙排樁—錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值仿真研究，進(jìn)而獲得了整體水平方向的變形情況、復(fù)合樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向的變形發(fā)展趨勢、前后排樁水平位移對比分析。雙排樁—錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中支護(hù)效果顯著，為其他類似工程提供一定的參考作用。

1 工程概況

該工程建筑場地位于錦州石化公司廠內(nèi)西側(cè)，場地因山體走勢總體呈現(xiàn)東側(cè)高，西側(cè)低，高程介于29.53 m～46.24 m，高差約為16.71 m。地貌單元為丘陵地貌，成因以殘坡積為主。錦州市位于中緯度地帶，屬于溫帶季風(fēng)型氣候，常年溫差較大，全年平均氣溫8℃ ～9℃，年降水量平均為540 mm～640 mm，無霜期達(dá)180 d。地下水主要賦存于回填層中，地下水按埋藏條件屬上層滯水，隔水底板為粉質(zhì)粘土;下部中砂亦含少量地下水，地下水主要受大氣降水補給。氣候主要特征是:四季分明，各有特色，季風(fēng)氣候顯著，大陸性較強(qiáng)。通過野外鉆探揭露，地層主要由填土、粉土、粉質(zhì)粘土，中砂、礫巖等組成。①素填土:主要分布在山坡消防路和舊罐區(qū)部位，表面為混凝土路面，下部由砂土、粘性土、碎石等組成，層底標(biāo)高26.55 m～44.42 m。②粉質(zhì)粘土(Q4el+dl):受油浸呈灰褐色，軟塑狀態(tài)，局部可塑狀態(tài)，無搖震反應(yīng)，韌性中、干強(qiáng)度中，層底標(biāo)高22.93 m ～29.36 m，層底埋深5.00 m ～6.60 m，主要分布在場地的中部及西部擋土墻位置，只有8個鉆孔揭露該層。②1粉土(Q4el+dl):棕褐色，稍密狀態(tài)，韌性低，干強(qiáng)度低，搖震反應(yīng)迅速，無光澤，含少量礫石，稍濕。層底標(biāo)高29.08 m～42.63 m，層底埋深0.40 m～2.20 m，主要分布在場地中部。③粉質(zhì)粘土(Q4el+dl):褐色，軟塑狀態(tài)，無搖震反應(yīng)，韌性中、干強(qiáng)度中，層底標(biāo)高20.13 m ～27.86 m，層底埋深 6.50 m ～9.40 m，主要分布在場地的中部及西部擋土墻位置，只有8個鉆孔揭露該層。③1中砂(Q4el+dl):黃褐色，長石、石英質(zhì)顆粒組成，粒徑均勻，稍密，濕，層底標(biāo)高19.94 m ～21.04 m，層底埋深8.90 m ～10.00 m，只在擋土墻部位揭露兩個鉆孔。④強(qiáng)風(fēng)化礫巖:灰褐色，礦物成分為碎屑物等，礫狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。層底標(biāo)高19.53 m～42.81 m，層底埋深1.20 m～10.00 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，該層厚度變化較大。⑤中風(fēng)化礫巖:灰褐色，礦物成分為碎屑物等，礫狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。控制層底標(biāo)高17.06 m～38.91 m，控制層底埋深5.00 m～12.50 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈塊狀及柱狀。

2 數(shù)值試驗分析

基于FLAC3D平臺建立計算模型及模型參數(shù)如下:此次數(shù)值計算模型考慮到基坑近似于對稱結(jié)構(gòu)，計算范圍取為整體工程1/4模型，模型為均勻土體，不考慮地下水及止水帷幕對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。按照類似基坑計算得知，基坑開挖的影響范圍一般為開挖深度的2倍～3倍，則深度方向考慮50 m，故三維模型尺寸大小為200 m×200 m×50 m(長×寬×高)。仿真材料本構(gòu)關(guān)系取為彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb屈服破壞準(zhǔn)則。三維模型四周取對稱約束，即分別限制模型6個邊界面中的5個固定面，即位移為零，頂部設(shè)置為自由面。土體外部不施加任何力，依靠土體自身重力，不考慮地下水的影響。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。基坑開挖按照三個步驟進(jìn)行，用Null結(jié)構(gòu)單元來模擬。同時進(jìn)行基坑支護(hù)，用Pile結(jié)構(gòu)單元來模擬樁，用Cable結(jié)構(gòu)單元來模擬錨桿和錨索。三維計算模型如圖1～圖6所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 未開挖時模型

圖2 第一步放坡開挖模型

圖3 第二步開挖模型

圖4 第三步最終開挖模型

圖5 樁以及冠梁拉梁施工完成后模型

圖6 錨索施工完成后模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 整體水平變形分析

利用數(shù)值仿真軟件FLAC3D對三步驟開挖的基坑整體水平方向變形進(jìn)行分析，支護(hù)樁的最大水平位移發(fā)生在基坑坑壁的中下部，基坑內(nèi)部土體的水平變形量值沿遠(yuǎn)離基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的方向逐漸減小。基坑在水平方向發(fā)生的整體側(cè)移是向坑內(nèi)的位移，整體水平側(cè)移運動趨勢呈圓弧滑動，這主要與軟土基坑土體性質(zhì)有關(guān)，并符合軟土地區(qū)基坑開挖工程中基坑變形規(guī)律。雙排樁—錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系基坑水平方向的側(cè)移和支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、土體的性質(zhì)、地下水位、開挖工程等環(huán)境條件有著密切的聯(lián)系。在基坑開挖之前，土體保持原有的平衡狀態(tài)，隨著基坑土體的開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到了破壞，基坑開挖的施工工程實際上就是坑內(nèi)土介質(zhì)不斷被挖除，坑內(nèi)土體原有荷載不斷卸載過程。在荷載卸載過程中，雙排樁、錨索及土介質(zhì)不斷發(fā)生相互作用，整個過程是一個動態(tài)平衡的過程。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

由圖7和圖8對比分析可知:隨著施工過程的進(jìn)行，基坑深度的不斷增大，前、后排樁均呈現(xiàn)出向基坑內(nèi)產(chǎn)生較大水平位移的趨勢。土方開挖到基坑底部時，由于錨索提供了很大的抗拔力，前排樁呈現(xiàn)典型的“中間大，兩頭小”的復(fù)合錨索柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線，最大位移值出現(xiàn)在基坑底部開挖面附近的位置。后排樁是頂部水平位移最大，隨著樁長的增加，水平位移變形越來越小。

圖7 前排樁分部開挖水平位移

3.3 前后排樁水平位移對比分析

由于采用的是雙排樁—錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，雙排樁樁頂用拉梁以及冠梁相連接，并有一定的側(cè)移剛度，前排樁多增加一道錨索提供足夠大的抗拔力，為研究整個支護(hù)體系各單元結(jié)構(gòu)間變形協(xié)調(diào)，通過提取前后排樁的具體側(cè)移值進(jìn)行進(jìn)一步分析在開挖工程中前后排樁樁身的變形，不同開挖過程前后排樁樁身位移變形對比情況如圖9～圖11所示。

圖8 后排樁分部開挖水平位移

圖9 第一步開挖前后排樁水平位移

圖10 第二步開挖前后排樁水平位移

圖11 第三步開挖前后排樁水平位移

由分析結(jié)果可知，各開挖工程完成后，前后排樁樁頂?shù)奈灰浦凳窍嗤模@說明前后排樁之間的拉梁發(fā)揮了良好的剛性連接，提供很大的側(cè)移剛度，使前后排樁的樁頂連成一個整體，前排樁位移時帶動后排樁發(fā)生共同變形。前排樁產(chǎn)生的最大側(cè)移值并不是發(fā)生在支護(hù)結(jié)構(gòu)的最頂部，而是隨著開挖深度的不斷增大，最大位移位置逐漸向下移動，最大側(cè)移值大約位于開挖面附近。后排樁頂產(chǎn)生最大側(cè)移值，隨著開挖深度的不斷增大而逐漸增大，直到最后趨于穩(wěn)定。其變化規(guī)律和單純的雙排樁和單純的單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的側(cè)移變形規(guī)律相同，這說明錨索單元只作用于前排樁，對后排樁基本上沒有任何影響。前排樁的側(cè)移變化曲線比較快速，并且超前于后排樁，說明前排樁優(yōu)于后排樁發(fā)揮支護(hù)作用。在基坑開挖到底時前后排樁樁底附近都發(fā)生了一定的水平位移量，變化量并不是很大，并趨于穩(wěn)定。雙排樁—錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在基坑開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值有100 mm，相對于其他地區(qū)土質(zhì)較好的基坑來對比，側(cè)移值有些大，但對于復(fù)合地基深基坑變形量的對比屬于正常范圍內(nèi)，和單純只有雙排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)或者單排樁—錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在控制基坑變形方面效果更加顯著。

4 結(jié)語

本文基于大型有限差分軟件FLAC3D對雙排樁—錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果三維仿真研究，得到整體水平方向的變形情況和復(fù)合樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向的變形發(fā)展趨勢，得到主要結(jié)論:1)各開挖工程完成后，前后排樁樁頂?shù)奈灰浦凳窍嗤模@說明前后排樁之間的拉梁發(fā)揮了良好的剛性連接，提供很大的側(cè)移剛度，使前后排樁的樁頂連成一個整體，前排樁位移時帶動后排樁共同變形。2)后排樁的樁頂發(fā)生最大側(cè)移值，隨著開挖深度的不斷增大而逐漸增大，直到最后趨于穩(wěn)定。其變化規(guī)律和單純的雙排樁和單純的單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的側(cè)移變形規(guī)律相同，這說明錨索單元只作用于前排樁，對后排樁基本上沒有任何影響。3)前排樁的側(cè)移變化曲線比較快速，并且超前后排樁，說明前排樁比后排樁先發(fā)揮支護(hù)作用。4)雙排樁—錨索復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在基坑開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值有100 mm，相對于其他地區(qū)土質(zhì)較好的基坑來對比，側(cè)移值有些大，但對于復(fù)合地基深基坑變形量的對比屬于正常范圍內(nèi)，和單純只有雙排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)或者單排樁—錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在控制基坑變形方面效果更加顯著。

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