深基坑無支撐支護技術(shù)及其穩(wěn)定性分析

王小東，張啟志，曹中順

1.駐馬店市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 駐馬店 463000 2.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店 463000 3.河南黃淮學(xué)院建設(shè)工程有限責(zé)任公司，河南 駐馬店 463000

隨著深基坑項目的不斷增加，相關(guān)研究也越發(fā)深入。目前，深基坑的支護仍然采用中小基坑的地下連續(xù)墻或排樁擋土，同時設(shè)置多道水平支撐或錨桿[1-4]。這種方法存在施工周期長、造價高、拆除難度大、固體廢棄物多等缺點，不符合可持續(xù)發(fā)展的基本國策[5-7]。因此，研究人員提出了深基坑無支撐支護技術(shù)，并開展其穩(wěn)定性分析。如：焦德貴等[8]結(jié)合工程實例，選用加筋水泥土樁錨支護和放坡土釘墻支護的無內(nèi)支撐支護形式，解決了淤泥質(zhì)土層和微承壓含水層中常規(guī)土錨施工的難題；儲安勤[9]認(rèn)為無支撐圍護體系具有經(jīng)濟、快捷的優(yōu)勢，降低了支撐拆除的安全隱患；劉杰等[10]利用FLAC3D 對深基坑多級支護結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬分析，研究了支護結(jié)構(gòu)傾角對位移的影響規(guī)律；黃時鋒等[11-12]提出了上海白龍港污水處理廠工程深基坑的無支撐雙排樁支護方法，介紹了施工過程中出現(xiàn)的問題及其處理方法。基于上述研究，本文利用FLAC3D 數(shù)值軟件開展了天津大學(xué)地震模擬實驗中心深基坑工程無支撐支護的穩(wěn)定性研究，研究成果可為相近研究提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

天津大學(xué)地震模擬實驗中心基坑為長方形，周長898 m，為減小基坑開挖對臨近道路以及建筑物的影響并盡量降低工程造價，將基坑分為三級進行開挖，總開挖深度約14.7 m。其中，第1 級基坑開挖深度為2.5 m，采用放坡+噴射混凝土的支護型式；第2 級基坑開挖深度為5.5 m，采用放坡+斜直交替預(yù)制矩形樁的支護型式；第3 級基坑開挖深度6.0 m，采用鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索的支護型式。此外，為降低地下水對基坑開挖的影響，在基坑外2.5 m 設(shè)置了一排三軸水泥土攪拌樁，具體如圖1 所示。基坑場地影響范圍內(nèi)土層由上往下依次為素填土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂以及粉質(zhì)黏土，不同土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

圖1 深基坑無支撐支護示意

表1 基坑場地范圍內(nèi)不同土層的物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬模型建立以及數(shù)值模擬方案設(shè)計

2.1 數(shù)值模擬模型建立

取天津大學(xué)地震模擬實驗中心基坑其中一段進行數(shù)值模擬分析，采用FLAC3D 建立深基坑開挖數(shù)值模擬模型如圖2 所示。模型寬度為100 m、厚度為6 m、高為50 m，共包含57 239 個網(wǎng)格節(jié)點和48 024 個網(wǎng)格單元。模型邊界條件設(shè)置為頂面自由，左右以及前后四面法向位移約束，底面固定。

圖2 深基坑無支撐支護開挖數(shù)值模擬模型

模擬基坑開挖時，采用實體單元模擬樁頂冠梁，采用shell 單元模擬噴射混凝土，采用pile 單元模擬三軸攪拌樁、預(yù)制樁以及鉆孔灌注樁，采用cable 單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索。不同支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 不同支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

為研究分析無支撐支護條件下深基坑的穩(wěn)定性，本文根據(jù)實際工程開挖與支護情況，將整個基坑開挖模擬過程分為5 個步驟：

1)將基坑放坡開挖地表下2.5 m，對第1 級邊坡進行噴射混凝土支護，并靜壓施工第2 級的斜直交替預(yù)制矩形樁。

2)將基坑放坡開挖至地表下3.5 m，在第2 級邊坡頂部設(shè)置預(yù)制樁頂部的冠梁。

3)將基坑放坡開挖至地表下5.0 m，對第2 級邊坡進行噴射混凝土支護，并施工第3 級基坑的鉆孔灌注樁。

4)將基坑垂直向下開挖至地表下9.0 m，在第3 級基坑頂部設(shè)置鉆孔灌注樁的頂部冠梁。

5)將基坑垂直向下開挖至地表下14.7 m，對第3 級鉆孔灌注樁的表面進行噴射混凝土封閉。

3 深基坑開挖穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 與實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

當(dāng)基坑開挖結(jié)束后，第2 級垂直預(yù)制樁與第3 級鉆孔灌注樁的樁體位移模擬曲線與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比如圖3 所示。

圖3 樁體位移模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的對比

可以看出，本文數(shù)值模擬得到的樁體位移分布形狀和大小均與實際工程大體保持一致，即兩者的樁體變形都呈現(xiàn)類似的弓形分布特征且樁體最大位移出現(xiàn)位置(距樁頂-5～ -2 m)和大小(18～20 mm)都大致相同。此外，實際監(jiān)測得到基坑周邊最大地表沉降為15.6 mm，與本文數(shù)值模擬計算結(jié)果13.1 mm 相差16%。因此，可以認(rèn)為本文計算結(jié)果與實際工程符合較好，是合理可靠的。

3.2 不同開挖分步下基坑周邊土體的豎向位移

無支撐支護條件下深基坑開挖過程中基坑周邊土體的豎向位移分布如圖4 所示。由于基坑內(nèi)土體發(fā)生卸載回彈，基坑外土體將向基坑內(nèi)發(fā)生移動而導(dǎo)致沉降，因此不同開挖分步下基坑底部土體豎向位移都表現(xiàn)為隆起，而基坑外地表豎向位移則表現(xiàn)為沉降。由圖4 可知，基坑第1 步開挖后，基坑地表最大沉降出現(xiàn)在距基坑邊緣約10 m的位置，為2.9 mm；基底最大隆起則出現(xiàn)在臨時基底距第1 級邊坡坡底約4.5 m 的位置，為8.2 mm。當(dāng)基坑開挖至第2 級邊坡坡底時(第3 步開挖后)，基坑地表最大沉降位置沒有發(fā)生變化，但其值則增長至7.3 mm；基坑底部最大隆起則出現(xiàn)在臨時基底距第2 級坡底約7 m 的位置，為22.8 mm。當(dāng)基坑開挖至預(yù)定標(biāo)高位置時(第5 步開挖后)，基坑地表沉降以及基底隆起最大值出現(xiàn)位置基本保持不變，但它們的值則分別至13.1 和25.3 mm。可見，基坑開挖深度越深，基坑開挖對周邊土體的豎向位移影響就越大；由本次開挖計算結(jié)果上看，當(dāng)基坑開挖至基底位置時，基坑周邊土體最大豎向位移并未超過30 mm，說明本工程無支撐支護技術(shù)是合理有效的。

3.3 不同開挖分步下基坑周邊土體的水平位移

無支撐支護條件下深基坑開挖過程中基坑周邊土體的水平位移分布如圖5 所示。由圖5 可以看出，基坑土體的挖出導(dǎo)致靠近基坑40 m 以內(nèi)的土體都產(chǎn)生了較為明顯的水平位移。基坑第1 步開挖后，基坑周邊土體的最大位移出現(xiàn)在第1 級邊坡的坡底下方約2.7 m 位置，約為4.84 mm；由最大水平位移位置往四周，基坑土體水平位移則逐漸減小為0。基坑第3 步開挖后，基坑周邊土體最大位移出現(xiàn)在基坑第2 級邊坡表面距坡底約1.5 m 的位置，其值達到了13.7 mm。而當(dāng)基坑第5 步開挖后，基坑周邊土體除進一步在第3 級鉆孔灌注樁的頂部位置產(chǎn)生大約20.9 mm 的水平位移。由此可知，無支撐支護條件下，本基坑易在第2 級邊坡坡底以及第3 級圍護結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生較大的水平移動，因此施工過程中需對此處土體變形展開重點監(jiān)測，防止失穩(wěn)。從本次計算結(jié)果上看，基坑開挖至基底時，基坑周邊土體最大水平位移也未超過30 mm，說明在此次無支撐支護條件下基坑周邊土體是穩(wěn)定的。

圖5 不同開挖分步下基坑周邊土體的水平位移

3.4 不同開挖分步下基坑周邊土體的塑性區(qū)

基坑不同開挖分步下周邊土體的塑性區(qū)分布如圖6 所示(藍色表示拉伸破壞，紅色表示剪切破壞)。可以看出，基坑第1 步開挖后，基坑周邊土體僅在臨時基底以及第1 級邊坡的表面位置產(chǎn)生少量的拉伸屈服塑性區(qū)。基坑第3 步開挖后，基坑周邊土體在第2 級邊坡下方的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層產(chǎn)生深度約5.5 m 的剪切屈服塑性區(qū)。基坑第5 步開挖后，基坑周邊土體在第2 級邊坡下方出現(xiàn)的塑性區(qū)將往基坑外側(cè)逐漸擴展，其最終分布范圍可達20 m 寬、15 m 高；此外，基坑周邊土體還將在第3 級圍護結(jié)構(gòu)的外側(cè)以及基坑底部新增約3 m 的剪切屈服塑性區(qū)。因此，為保證基坑安全，在必要的情況下應(yīng)對基坑周邊出現(xiàn)塑性區(qū)的土體進行注漿加固處理，尤其是第2 級邊坡下方的位置。

圖6 不同開挖分步下基坑周邊土體的塑性區(qū)分布

3.5 不同開挖分步下基坑的整體穩(wěn)定安全系數(shù)

不同開挖分步下基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)及潛在滑動面如圖7 所示。由圖7 可知，基坑第1 步開挖后，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)為6.38，其潛在滑動面為一圓弧面，該圓弧面從第1 級邊坡坡頂后方20 m 開始，穿過三軸攪拌樁深約10.8 m 的位置，然后繞過第1 級邊坡坡底，到達臨時基底距坡底約6 m 的位置。基坑第3 步開挖后，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.60，其潛在滑動面從第1 級邊坡坡頂后方2 m 開始，繞過第2 級斜直交替預(yù)制樁，到達臨時基底位置。而基坑第5 步開挖后，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)變?yōu)?.39，其潛在滑動面從第1 級邊坡坡頂后方2 m 開始，繞過第2 級斜直交替預(yù)制樁以及第3 級鉆孔灌注樁，到達最終基底靠近圍護結(jié)構(gòu)約5 m 的位置。由整體穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果可知，本文基坑在開挖過程中能夠始終滿足整體穩(wěn)定性的要求，是安全的。

圖7 不同開挖分步下基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)及潛在滑動面

4 結(jié)論

本文以天津大學(xué)地震模擬實驗中心基坑工程為背景，利用FLAC3D 建立了無支撐支護條件下深基坑開挖數(shù)值模擬模型，分析了不同開挖分步下無支撐支護基坑的穩(wěn)定性。主要結(jié)論如下：

1)隨著開挖深度的增加，基坑地表沉降以及坑底隆起值均逐漸增大，當(dāng)開挖至基底時，基坑地表最大沉降值為20.9 mm，出現(xiàn)在距基坑邊緣約10 m 的位置；而基坑最大隆起值為25.3 mm，出現(xiàn)在第2 級邊坡底部約7 m 的位置。

2)基坑的水平位移隨開挖深度的增大而增大，當(dāng)基坑開挖至基底時，第2 級垂直預(yù)制樁與第3 級鉆孔灌注樁的樁體位移均呈現(xiàn)弓形分布特征，此時，深基坑最大水平位移達20.9 mm，出現(xiàn)在基坑第2 級邊坡坡底以及第3 級鉆孔灌注樁頂部位置。

3)無支撐支護條件下，深基坑周邊土體最大塑性區(qū)將出現(xiàn)在第2 級邊坡下方的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層中，其范圍可達20 m 寬、15 m 高。

4)無支撐支護條件下，隨著開挖深度的增加，深基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)將從6.38 逐漸下降至1.39，同時其潛在滑動面也將不斷發(fā)生變化，最終將從第1 級邊坡坡頂后方2 m 開始，繞過第2 級斜直交替預(yù)制樁以及第3 級鉆孔灌注樁，到達最終基底靠近圍護結(jié)構(gòu)約5 m 的位置。