深基坑無(wú)支撐支護(hù)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(xiàng)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(hù)仍然采用中小基坑的地下連續(xù)墻或排樁擋土，同時(shí)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(zhǎng)、造價(jià)高、拆除難度大、固體廢棄物多等缺點(diǎn)，不符合可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策[5-7]。因此，研究人員提出了深基坑無(wú)支撐支護(hù)技術(shù)，并開(kāi)展其穩(wěn)定性分析。如：焦德貴等[8]結(jié)合工程實(shí)例，選用加筋水泥土樁錨支護(hù)和放坡土釘墻支護(hù)的無(wú)內(nèi)支撐支護(hù)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(chǔ)安勤[9]認(rèn)為無(wú)支撐圍護(hù)體系具有經(jīng)濟(jì)、快捷的優(yōu)勢(shì)，降低了支撐拆除的安全隱患；劉杰等[10]利用FLAC3D 對(duì)深基坑多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)傾角對(duì)位移的影響規(guī)律；黃時(shí)鋒等[11-12]提出了上海白龍港污水處理廠工程深基坑的無(wú)支撐雙排樁支護(hù)方法，介紹了施工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及其處理方法?；谏鲜鲅芯浚疚睦肍LAC3D 數(shù)值軟件開(kāi)展了天津大學(xué)地震模擬實(shí)驗(yàn)中心深基坑工程無(wú)支撐支護(hù)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(shí)驗(yàn)中心基坑為長(zhǎng)方形，周長(zhǎng)898 m，為減小基坑開(kāi)挖對(duì)臨近道路以及建筑物的影響并盡量降低工程造價(jià)，將基坑分為三級(jí)進(jìn)行開(kāi)挖，總開(kāi)挖深度約14.7 m。其中，第1 級(jí)基坑開(kāi)挖深度為2.5 m，采用放坡+噴射混凝土的支護(hù)型式；第2 級(jí)基坑開(kāi)挖深度為5.5 m，采用放坡+斜直交替預(yù)制矩形樁的支護(hù)型式；第3 級(jí)基坑開(kāi)挖深度6.0 m，采用鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)型式。此外，為降低地下水對(duì)基坑開(kāi)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?；訄?chǎng)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(wú)支撐支護(hù)示意

表1 基坑場(chǎng)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(jì)

2.1 數(shù)值模擬模型建立

取天津大學(xué)地震模擬實(shí)驗(yàn)中心基坑其中一段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用FLAC3D 建立深基坑開(kāi)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(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和48 024 個(gè)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(wú)支撐支護(hù)開(kāi)挖數(shù)值模擬模型

模擬基坑開(kāi)挖時(shí)，采用實(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

為研究分析無(wú)支撐支護(hù)條件下深基坑的穩(wěn)定性，本文根據(jù)實(shí)際工程開(kāi)挖與支護(hù)情況，將整個(gè)基坑開(kāi)挖模擬過(guò)程分為5 個(gè)步驟：

1)將基坑放坡開(kāi)挖地表下2.5 m，對(duì)第1 級(jí)邊坡進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，并靜壓施工第2 級(jí)的斜直交替預(yù)制矩形樁。

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

3)將基坑放坡開(kāi)挖至地表下5.0 m，對(duì)第2 級(jí)邊坡進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，并施工第3 級(jí)基坑的鉆孔灌注樁。

4)將基坑垂直向下開(kāi)挖至地表下9.0 m，在第3 級(jí)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(kāi)挖至地表下14.7 m，對(duì)第3 級(jí)鉆孔灌注樁的表面進(jìn)行噴射混凝土封閉。

3 深基坑開(kāi)挖穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

當(dāng)基坑開(kāi)挖結(jié)束后，第2 級(jí)垂直預(yù)制樁與第3 級(jí)鉆孔灌注樁的樁體位移模擬曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3 所示。

圖3 樁體位移模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)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(shí)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(shí)際監(jiān)測(cè)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(jì)算結(jié)果13.1 mm 相差16%。因此，可以認(rèn)為本文計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程符合較好，是合理可靠的。

3.2 不同開(kāi)挖分步下基坑周邊土體的豎向位移

無(wú)支撐支護(hù)條件下深基坑開(kāi)挖過(guò)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(dòng)而導(dǎo)致沉降，因此不同開(kāi)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(kāi)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(shí)基底距第1 級(jí)邊坡坡底約4.5 m 的位置，為8.2 mm。當(dāng)基坑開(kāi)挖至第2 級(jí)邊坡坡底時(shí)(第3 步開(kāi)挖后)，基坑地表最大沉降位置沒(méi)有發(fā)生變化，但其值則增長(zhǎng)至7.3 mm；基坑底部最大隆起則出現(xiàn)在臨時(shí)基底距第2 級(jí)坡底約7 m 的位置，為22.8 mm。當(dāng)基坑開(kāi)挖至預(yù)定標(biāo)高位置時(shí)(第5 步開(kāi)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?？梢?jiàn)，基坑開(kāi)挖深度越深，基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體的豎向位移影響就越大；由本次開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果上看，當(dāng)基坑開(kāi)挖至基底位置時(shí)，基坑周邊土體最大豎向位移并未超過(guò)30 mm，說(shuō)明本工程無(wú)支撐支護(hù)技術(shù)是合理有效的。

3.3 不同開(kāi)挖分步下基坑周邊土體的水平位移

無(wú)支撐支護(hù)條件下深基坑開(kāi)挖過(guò)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?；拥? 步開(kāi)挖后，基坑周邊土體的最大位移出現(xiàn)在第1 級(jí)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?；拥? 步開(kāi)挖后，基坑周邊土體最大位移出現(xiàn)在基坑第2 級(jí)邊坡表面距坡底約1.5 m 的位置，其值達(dá)到了13.7 mm。而當(dāng)基坑第5 步開(kāi)挖后，基坑周邊土體除進(jìn)一步在第3 級(jí)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(wú)支撐支護(hù)條件下，本基坑易在第2 級(jí)邊坡坡底以及第3 級(jí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部產(chǎn)生較大的水平移動(dòng)，因此施工過(guò)程中需對(duì)此處土體變形展開(kāi)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，防止失穩(wěn)。從本次計(jì)算結(jié)果上看，基坑開(kāi)挖至基底時(shí)，基坑周邊土體最大水平位移也未超過(guò)30 mm，說(shuō)明在此次無(wú)支撐支護(hù)條件下基坑周邊土體是穩(wěn)定的。

圖5 不同開(kāi)挖分步下基坑周邊土體的水平位移

3.4 不同開(kāi)挖分步下基坑周邊土體的塑性區(qū)

基坑不同開(kāi)挖分步下周邊土體的塑性區(qū)分布如圖6 所示(藍(lán)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(kāi)挖后，基坑周邊土體僅在臨時(shí)基底以及第1 級(jí)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(kāi)挖后，基坑周邊土體在第2 級(jí)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)?；拥? 步開(kāi)挖后，基坑周邊土體在第2 級(jí)邊坡下方出現(xiàn)的塑性區(qū)將往基坑外側(cè)逐漸擴(kuò)展，其最終分布范圍可達(dá)20 m 寬、15 m 高；此外，基坑周邊土體還將在第3 級(jí)圍護(hù)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(duì)基坑周邊出現(xiàn)塑性區(qū)的土體進(jìn)行注漿加固處理，尤其是第2 級(jí)邊坡下方的位置。

圖6 不同開(kāi)挖分步下基坑周邊土體的塑性區(qū)分布

3.5 不同開(kāi)挖分步下基坑的整體穩(wěn)定安全系數(shù)

不同開(kāi)挖分步下基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)及潛在滑動(dòng)面如圖7 所示。由圖7 可知，基坑第1 步開(kāi)挖后，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)為6.38，其潛在滑動(dòng)面為一圓弧面，該圓弧面從第1 級(jí)邊坡坡頂后方20 m 開(kāi)始，穿過(guò)三軸攪拌樁深約10.8 m 的位置，然后繞過(guò)第1 級(jí)邊坡坡底，到達(dá)臨時(shí)基底距坡底約6 m 的位置?；拥? 步開(kāi)挖后，其整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.60，其潛在滑動(dòng)面從第1 級(jí)邊坡坡頂后方2 m 開(kāi)始，繞過(guò)第2 級(jí)斜直交替預(yù)制樁，到達(dá)臨時(shí)基底位置。而基坑第5 步開(kāi)挖后，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)變?yōu)?.39，其潛在滑動(dòng)面從第1 級(jí)邊坡坡頂后方2 m 開(kāi)始，繞過(guò)第2 級(jí)斜直交替預(yù)制樁以及第3 級(jí)鉆孔灌注樁，到達(dá)最終基底靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)約5 m 的位置。由整體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，本文基坑在開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖分步下基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)及潛在滑動(dòng)面

4 結(jié)論

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

1)隨著開(kāi)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(kāi)挖至基底時(shí)，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(jí)邊坡底部約7 m 的位置。

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

3)無(wú)支撐支護(hù)條件下，深基坑周邊土體最大塑性區(qū)將出現(xiàn)在第2 級(jí)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(dá)20 m 寬、15 m 高。

4)無(wú)支撐支護(hù)條件下，隨著開(kāi)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(shí)其潛在滑動(dòng)面也將不斷發(fā)生變化，最終將從第1 級(jí)邊坡坡頂后方2 m 開(kāi)始，繞過(guò)第2 級(jí)斜直交替預(yù)制樁以及第3 級(jí)鉆孔灌注樁，到達(dá)最終基底靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)約5 m 的位置。