埋入式支護樁變形和土體位移場數值分析

趙 穎，趙 鶴

(1.江蘇省地質局,江蘇 南京 210018;2.江蘇華東地質建設集團有限公司,江蘇 南京 210007; 3.廣西科技大學,廣西 柳州 545006)

0 引言

在地下空間開發中,常出現不同面積和開挖深度的近接基坑及近接基坑之間銜接段[1-2]。近接基坑的施工時序分為同步施工和不同步施工,同步施工是指近接基坑的每道內支撐同時施工,有利于圍護墻受力均勻,消除偏心載荷,降低近接基坑之間開挖卸荷產生的相互影響[3-6]。實踐中,近接基坑很難同步施工,以不同步施工時序居多。不同步施工時序歸結為兩種:“先深后淺”時序、“先淺后深”時序。

“先深后淺”時序最顯著的優點是施工淺基坑時,淺基坑坑底土體阻止了深基坑通過銜接段向淺基坑位移,施工風險小,行業內稱之為順時序。但因為協調等原因導致施工不一致,實踐中常見“先淺后深”時序,其最明顯缺點是:深基坑施工時,在淺基坑中已建成建筑物荷載、土壓力、地下水壓力作用下,淺基坑可能通過銜接段向深基坑位移,施工風險大,行業內稱之為逆時序。

因此,銜接段事關近接基坑安全,進行銜接段支護結構安全性研究具有必要性和緊迫性。作者依托南京市歡樂廣場B地塊基坑工程,對近接基坑施工風險最大的逆時序,選取銜接段埋入式支護樁位移、銜接段周圍土體位移場作為代表進行了數值模擬分析,進一步驗證了貫通式銜接段支護結構的安全性,文章中介紹的設計思路、支護結構組成、參數選取和數值模擬方法等可供同行借鑒參考。

1 工程概況

歡樂廣場B地塊位于南京市六合區,建筑面積312 840 m2,3層地下室,樁基礎。B地塊基坑圍長1 144 m,面積38 419 m2,B地塊基坑西北側為正在進行主體結構施工的歡樂廣場A地塊基坑(見圖1)。A地塊為地下2層,基坑開挖深度8.85 m～9.25 m,先于B地塊開挖。B地塊基坑開挖深度14.40 m～16.15 m,B地塊3層地下室中的第一層、第二層地下室分別與A地塊中第一層、第二層地下室貫通。兩地塊外墻間距約為3.0 m。由上述描述可知:A地塊基坑、B地塊基坑為近接基坑,銜接段TA長434 m,貫通式銜接段中狹窄長條形土體寬度不大于3.0 m,施工時序為施工風險最大的逆時序。

2 貫通式銜接段支護結構技術特點

銜接段支護結構主要技術特點如圖2所示,由圖2可知:第一道內支撐、第二道內支撐通過承重柱分別對撐于已完成的淺基坑中-1層、-2層頂樓板;在淺基坑-2層頂樓板內預埋了傳力型鋼,增強傳力性能、便于后期換撐;第二道圍檁中使用吊筋;銜接段支護樁為埋入式,沒有出露地表;第三道內支撐對撐于銜接段預先施工的支護樁樁頂冠梁中心處,通過承臺配筋伸長與冠梁拉接,輔以與冠梁混凝土相同強度混凝土回填,與淺基坑中已完成底板連接。

3 貫通式銜接段支護結構數值分析

貫通式銜接段支護結構剖面計算支撐剛度按0.5倍取值,依托《北京理正深基坑支護結構設計軟件F～SPW》7.0版進行設計穩定性計算,獲得貫通式銜接段支護結構主要技術參數(如表1所示)[7],內支撐中心標高分別為-0.40 m,-6.30 m和-10.45 m。因為土體性質復雜性和計算模型局限性,理論計算很難得到深基坑開挖卸荷過程中銜接段埋入式支護樁位移、銜接段周圍土體位移場等[8],因此采用PLAXIS有限元軟件對銜接段在分步開挖過程中支護結構和周圍土體的變形情況進行數值分析,同時驗證貫通式銜接段支護結構設計的合理性。

表1 B地塊基坑內支撐參數表

3.1 計算模型

B地塊基坑內支撐跨度80 m以上(見圖1),相對于16.15 m開挖深度來說,按平面應變、對稱問題進行分析引起的誤差可忽略。從基坑正中心往A地塊方向取銜接段中部計算剖面進行分析,B地塊基坑第一、二道內支撐是通過A地塊地下室最外側承重柱作用在樓板上,因此計算模型除包含B地塊的支護樁、內支撐外,還應考慮A地塊地下室外側承重柱以及地下室內部樓板對剛度的貢獻。

3.2 模型參數

表2 銜接段數值模擬計算參數表

為了便于模型建立和網格劃分,按剛度等效原則把埋入式支護樁等效成地下連續墻。貫通式銜接段支護樁樁徑為800 mm,樁間距為1 000 mm,按照剛度等效原則等效后的連續墻厚度為623 mm。另外,地下室結構的軸向剛度和抗彎剛度可由混凝土強度等級、構件尺寸計算得出。由于建模時不考慮地下室內豎向墻、柱,因此對于地下室-1層頂樓板與-2層頂樓板,分析時只考慮其軸向剛度和抗彎剛度的貢獻,不考慮其結構自重。支護樁、結構物理力學參數如表3所示。

3.3 模型建立

從基坑正中心往A地塊方向選取銜接段中部的計算剖面進行有限元分析。在水平方向,坑內部分為深基坑中心至支護樁,坑外部分自支護樁向A地塊方向延伸至少5倍開挖深度,由于A地塊地下室面積較大,模型豎向邊界處仍為地下室及其下土層;豎直方向按土層實際分層情況設置,并自坑底向下延伸約開挖深度的3倍,模型總尺寸為100 m×60 m。土體采用15結點的三角形等參單元模擬,支護樁、地下室結構物均按線彈性材料考慮,采用板單元模擬,水平內支撐采用彈簧單元模擬。左右邊界約束橫向位移,上邊界自由,下邊界為固定邊界,約束橫向位移和豎向位移(見圖3),有限元分析過程如表4所示。

表3 埋入式支護樁、地下室結構計算參數表

表4 銜接段有限元分析過程

3.4 模擬結果分析

1)銜接段埋入式支護樁變形:圖4為數值模擬計算剖面處銜接段埋入式支護樁不同工況下最大側向位移及對應深度。由圖4(a)可知:支護樁側向位移在前兩次開挖時發展較慢,當開挖深度超過6.78 m后,樁體側移增長較快。因為開挖初期,埋入式支護樁頂位于開挖面下方較遠,支護樁兩側土壓力差較小,開挖對位于土層深處的支護樁影響較小;當開挖深度大于6.78 m后,坑內遇到強度較低的淤泥質粉質黏土層,支護樁內、外側所受的土壓力差增大,且支護樁頂距離開挖面較近,導致樁體變形增長較快。由圖4(b)可知:當開挖面位于埋入式支護樁頂以上時,支護樁體最大側移位置出現在樁頂,隨著開挖深度增加,當開挖面位于埋入式支護樁頂下方時,樁體最大側移的深度也不斷下移,最大側移對應的深度位于開挖面附近以下。

圖5為數值模擬計算剖面處銜接段埋入式支護樁在不同工況下的樁頂變形。

由圖5(a)可知:開挖面位于埋入式支護樁樁頂上方時,樁頂側移隨基坑開挖深度的增大而增大,當開挖至埋入式支護樁深度后,樁頂側移逐漸減小,這是由于架設于支護樁頂的第三道混凝土支撐較好地約束了支護樁上部的變形,樁頂水平位移在鋼筋混凝土支撐的作用下出現一定的變形回復,樁頂的水平位移減小。有限元計算結果顯示,基坑開挖至16.15 m深處樁頂側移為1.75 mm,緊鄰銜接段的CX3土體深層水平位移監測點的監測結果顯示(如圖1所示),在16 m深處土體水平位移為1.46 mm,兩者數值非常接近,表明有限元計算結果較好地模擬了銜接段在基坑開挖過程中土體的變形情況,同時證明了貫通式銜接段支護結構設計是安全、經濟的。

由圖5(b)可知:基坑開挖時土體處于卸荷狀態,支護樁樁頂的垂直位移表現為回彈非沉降;隨著基坑開挖深度的不斷增大,樁頂回彈表現為隨挖深線性增長;開挖至基底時,樁頂回彈呈現出穩定的趨勢。

2)銜接段周圍土體位移場:銜接段周圍土體位移場用坑底隆起量表示,實踐中無法對坑底隆起量進行監測,只有通過數值模擬進行分析,圖6為銜接段深基坑側開挖引起的土體豎向位移場。從圖6可知:土體豎向位移主要集中于坑底被動土壓力區和坑外一倍開挖深度的主動壓力區,推斷出深基坑開挖卸荷對周邊敏感環境的影響范圍在開挖深度的2倍左右。

圖7為不同工況下基坑內土體隆起變形。由圖7(a)可知:B地塊深基坑底土體的隆起呈現出平穩變化的形態,說明坑底土體隆起量處在彈性階段,基坑穩定性較好。由圖7(b)可知:坑底土體的隆起量隨開挖深度的增加呈線性增長,但總體隆起量不超過15 mm,小于25 mm～35 mm的監測報警值[13]。

4 結語

1)貫通式銜接段有益于地下空間的開發利用,但因為銜接段的支護樁為埋入式,目前市場上流行的基坑支護結構設計軟件很難在設計階段準確獲得貫通式銜接段埋入式支護樁位移、銜接段周圍土體位移場等事關貫通式銜接段支護結構安全性的參數,而數值模擬是一種科學的基坑支護結構安全性能評估的方法,能進一步驗證貫通式銜接段支護結構設計的合理性。

2)對“先淺后深”逆時序的近接基坑,因為施工風險大,施工實踐中不可預測因素太多,建議在施工前進行不同開挖工況下銜接段支護結構和周圍土體變形情況等數值模擬分析。