深基坑支護(hù)空間效應(yīng)研究

劉 寧 波

(貴州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，基坑工程必然會朝著深、大方向發(fā)展，基坑支護(hù)形式千差萬別，因此對基坑空間效應(yīng)進(jìn)行更深入的研究不僅關(guān)系到工程安全，更關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益。基坑工程空間效應(yīng)研究需要考慮的方方面面涉及到支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全，以及在保證安全的前提下節(jié)省工程造價(jià)、便于施工、縮短施工工期等。

目前巖質(zhì)深基坑多采用數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化研究，而對于空間效應(yīng)研究多采用數(shù)值模擬，而對于理論研究較少，理論結(jié)合數(shù)值分析的空間效應(yīng)研究則更少。耿化軍[1]通過有限元軟件對深基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行研究；應(yīng)宏偉等人[2-4]通過對計(jì)算方法和計(jì)算模型的創(chuàng)新，研究了考慮三維施工效應(yīng)的計(jì)算方法;雷明鋒等人[5]對粘性土體地區(qū)深基坑進(jìn)行了拉裂剪切型和純剪切型空間效應(yīng)理研究；商衛(wèi)東等人[6]利用FLAC3D對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和樁土相互作用進(jìn)行研究，并利用數(shù)值模擬研究了基坑工程的空間效應(yīng)。

本文通過對深基坑進(jìn)行理論公式推導(dǎo)并分析不同截面空間效應(yīng)強(qiáng)弱情況，與理論計(jì)算值加以對比分析，可以更好的優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。

1 深基坑破壞模式

楊雪等人[7]認(rèn)為基坑的破壞模式一般為沿著坑壁發(fā)生三維的失穩(wěn)破壞。對于無黏性土土體，基坑開挖破壞服從流動速度相容、相適的原則，并將基坑破壞模式分為拉裂—剪切復(fù)合型和純剪切型模式。

當(dāng)B-2q≥0時(shí)，基坑破壞以純剪切模式進(jìn)行破壞，此時(shí)滑裂體區(qū)別于拉裂—剪切復(fù)合模式，產(chǎn)生一個(gè)楔形破裂體，如圖1所示。

由圖1可知，此時(shí)滑動體產(chǎn)生的重力：

WH=WⅠ-2WⅡ

(1)

其中，WⅠ=ρgbBh/2;WⅡ=ρgbqh/6。

由圖2中力的三角形法則可知，對于單位寬度任意截面上的主動土壓力：

(2)

因此任意單寬截面下滑體重力為：W=ρgHy/2，代入式(2)可得到任意截面上主動土壓力：

(3)

再根據(jù)圖3所示，利用三角形相似得到：

(4)

在三角形AL1中：

tanφ=A1/L1

(5)

且有:

H/L1=sinβcr

(6)

所以：

q=A1=L1tanφ=Htanφ/sinβcr

(7)

其中，b=Hcotβcr。

由式(4)～式(7)代入式(3)，并進(jìn)行三角代換，可得到：

(8)

而對于二維狀態(tài)下的單寬土壓力上限值只需將任意截面變量y變?yōu)槌?shù)b，此時(shí)b對應(yīng)的巖體滑動破裂角度為θr，并將滑體破裂角取值為二維狀態(tài)下的破裂角θr：

(9)

所以純剪切破壞模式的空間效應(yīng)系數(shù)為：

(10)

2 工程概況

2.1 基坑周邊環(huán)境

該項(xiàng)目是重慶市內(nèi)某商業(yè)用地基坑工程，基坑開挖的總面積約5 000 m2，平均開挖深度約為20 m，基坑開挖土方量為100 000 m3。該基坑場地情況較為復(fù)雜，且地下管線密集，因此對于基坑支護(hù)的安全需要得到保障。

2.2 工程水文地質(zhì)

擬建場地地勢相對平坦，場區(qū)內(nèi)巖性分為四種：1)根據(jù)堆積的時(shí)間的不同，表層雜填土厚度1.4 m～3.8 m；2)粉質(zhì)粘土僅在為數(shù)不多的幾個(gè)鉆孔點(diǎn)有出露，且厚度0.4 m～1.4 m；3)在表層含有0.5 m～3.8 m的砂質(zhì)泥巖；4)其余巖性均為砂巖，并且含有0.5 m的強(qiáng)風(fēng)化層。勘察區(qū)內(nèi)含水條件差，基坑涌水量小。

2.3 深基坑支護(hù)方案對空間效應(yīng)影響研究

采用1×1.5 m的單排樁，混凝土采用C30，并按照分層分布開挖的方式進(jìn)行。

3 基坑支護(hù)方案對比數(shù)值模擬分析

3.1 基本假定

1)由于地下水匱乏，所以不考慮地下水對開挖過程的影響，但應(yīng)做好相應(yīng)的降水措施。

2)不考慮樁孔、地下連續(xù)墻開挖對巖土體的影響。

3)鋼筋混凝土、周圍土體等都為理想彈塑性體，服從摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。

3.2 模型建立和相應(yīng)參數(shù)的取值

該深基坑開挖深度最深約為20 m，且周邊環(huán)境較為對稱，因此取1/4模型加以分析研究，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖的影響寬度范圍約為基坑開挖深度的3倍，影響深度范圍為開挖深度的2倍。因此模型幾何尺寸取X，Y，Z方向長度分別為90 m，110 m，60 m，模型約束X，Y方向和模型底部，頂部以自由狀態(tài)，不同巖土層間采用attach建立接觸面，模型共有9 860個(gè)單元，2 116個(gè)節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

在數(shù)值模擬的過程中，將該地區(qū)的主要巖性分為三層加以分析，其計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 深基坑工程力學(xué)參數(shù)表

3.3 深基坑施工方案

深基坑開挖采用機(jī)械化施工為主，采用分層、分布、限時(shí)開挖，在清除了表層較薄的雜填土以后打入支護(hù)樁，并采用每級開挖3 m的形式向下掘進(jìn)，直至施作完畢。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

深基坑開挖到底部時(shí)，通過對支護(hù)樁1,2,4,6,8,10,12,14,16,17的各節(jié)點(diǎn)的x,y,z方向的應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，并通過matlab積分計(jì)算，得出各個(gè)剖面的x,y,z方向的應(yīng)力總和，并平方相加再開平方，得到不同截面的合力大小。由于深基坑在接近中間部位幾乎不受空間效應(yīng)影響，所以不妨假設(shè)把接近中間部分合力最大值作為二維狀態(tài)下的上限土壓力值，并把不同剖面的土壓力值和二維狀態(tài)上限土壓力值作商，用以進(jìn)行深基坑的空間效應(yīng)系數(shù)分析研究，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

3.5 理論計(jì)算結(jié)果分析

該地區(qū)分布的是2.6 m雜填土、2.1 m砂質(zhì)泥巖、0.5 m強(qiáng)風(fēng)化砂巖，其余均為弱風(fēng)化或者未風(fēng)化的砂巖，對于巖土體通過式(1)～式(3)進(jìn)行等效計(jì)算，取值Ф=77.38°，γ=25 kN/m3。

對于深基坑，假設(shè)其為純剪切破壞模式，通過對公式取不同的β值得到極限上限土壓力情況下βcr為83.7°。

由判定公式：

(11)

所以對于本基坑假設(shè)其為純剪切破壞模式是成立的，并且得到相應(yīng)條件下的空間效應(yīng)系數(shù)隨著基坑邊距離的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知深基坑開挖空間效應(yīng)只在一定范圍內(nèi)存在，并且理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果趨勢大體一致，能夠證明理論公式推導(dǎo)的正確性，可為工程實(shí)踐作一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

1)采用極上限理論和相容相適應(yīng)原則，確定了基坑開挖的破壞面，并計(jì)算推導(dǎo)了純剪切模式的巖土壓力值，計(jì)算純剪切模式的空間效應(yīng)系數(shù)關(guān)系。

2)運(yùn)用FLAC3D對重慶某基坑工程進(jìn)行實(shí)際工程數(shù)值模擬計(jì)算，利用不同位置樁體節(jié)點(diǎn)受力，積分求得不同剖面巖體主動土壓力值，取各截面中最大值作為不受空間效應(yīng)影響的最大二維狀態(tài)主動土壓力，與各截面主動土壓力比較作商，得出數(shù)值模擬情況下空間效應(yīng)系數(shù)和截面位置的關(guān)系。

3)對實(shí)際工程數(shù)值模擬圖表與理論計(jì)算曲線對比分析得到：基坑開挖情況下，空間效應(yīng)是明確存在的，并對于某一截面段產(chǎn)生影響，對于基坑中部附近，幾乎不產(chǎn)生作用。

本文的研究對于工程實(shí)踐和理論分析研究具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。