深基坑支護結構優(yōu)化設計研究

張 石,陳富朋,董 岳,李 靖,邱 澄

(1.山東交通學院,山東 濟南 250357;2.中鐵十局集團第一工程有限公司,山東 濟南 250000;3.山東省樂陵市交通運輸局,山東 德州 253699)

1 引 言

發(fā)展地下空間資源是當前建筑行業(yè)主要前進方向,基坑也越挖越大、越深、越復雜[1]。許多學者對深基坑支護結構優(yōu)化和周邊土體位移進行研究。O'Rourke等[2]在現(xiàn)有基坑變形研究基礎上,通過對不同土質基坑支撐位移進行測量,發(fā)現(xiàn)了支護結構變形和周邊土體位移的關系;Clough等[3]使用有限元軟件模擬實際工程,總結了支護結構本體位移、地表沉降和底部隆起變形三者之間的關聯(lián);Mangushev等[4]對既有建筑物基坑進行研究,分析了建筑物在基坑開挖過程中出現(xiàn)沉降變形的原因等。基坑開挖對周邊環(huán)境影響具有明顯的空間效應和時間效應,所以支護結構的選擇與設計是否合理規(guī)范是建筑主體與地下部分安全影響最大的因素[5,6]。所以設計人員在進行設計時通常會使用加大圍護樁樁徑、增加嵌固深度等措施來進行加固支護,這樣雖然能保證基坑支護體系的安全穩(wěn)定,但也會大大增加工程的造價,耗費更多的時間與人力物力。基坑支護結構優(yōu)化就是在保證安全的前提下,利用新技術、新工藝、新方法做到物盡其用,使支護結構最優(yōu)化[7,8]。

2 基坑支護方案優(yōu)化設計

以鄒平貨運鐵路專用線翻車機房基坑工程為例,周邊地貌為洪積平原,地形較為開闊,起伏不大,地勢比較平坦,相對高差很小,基坑四周較為空曠,周邊無建筑物及地下管線,基坑所在地層以雜填土、黏土和粉土構成,穩(wěn)定性較差。

綜合考慮現(xiàn)場實際情況,基坑采用明挖順作法施工,安全等級為二級,開挖最大深度約為16.27 m,寬度為28.6 m。基坑采用先放坡開挖再垂直開挖的方式,選用鉆孔灌注樁圍護+內支撐作為支護結構,內支撐有兩道,一道為混凝土支撐,一道為鋼支撐。混凝土支撐和鋼支撐為臨時構件,灌注樁冠梁參與主體結構抗浮,為永久結構。

基坑原支護結構為“圍護樁+混凝土支撐+鋼支撐”形式,通過分析施工監(jiān)測過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元模擬計算得到的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)基坑開挖過程中圍護結構的變形較小,又考慮到安裝鋼支撐后基坑開挖深度較淺,開挖的土體對基坑影響較小,為減少施工工序,降低施工成本,將基坑支護結構優(yōu)化為“圍護樁+混凝土支撐”形式。當基坑開挖到底時,通過有限元模擬的方式,將各項優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進行對比分析,驗證優(yōu)化結構的可行性。

3 基坑支護結構優(yōu)化前后對比分析

為驗證優(yōu)化支護結構的可行性,重點對比分析優(yōu)化前后的地表沉降、圍護樁深層水平位移、混凝土支撐軸力、樁頂豎向位移和樁頂水平位移的數(shù)據(jù)變化情況,判斷基坑是否安全穩(wěn)定,符合規(guī)范要求。

本工程將施工過程分為以下幾個主要工況,具體如表1所示。

表1 基坑施工工況模擬

3.1 地表沉降對比

基坑開挖會導致支護結構的變形,支護結構的變形會引起基坑周圍土體位移,所以地表沉降是判斷基坑是否穩(wěn)定的重要標準,也是監(jiān)測項目中必不可少的一項。

如圖1所示,優(yōu)化前后地表沉降曲線變化趨勢大致相同,隨著距坑邊距離增加都呈現(xiàn)為先增大后減小的凹槽型沉降變化趨勢。

圖1 優(yōu)化前后工況六地表沉降max值對比圖

如圖2所示,工況二由于開挖面積大,開挖深度深,所以周邊地表沉降數(shù)值較大,有鋼支撐模擬地表沉降最大值為-13.2 mm,實測最大值為-14.6 mm,兩者相差1.4 mm;工況五地表沉降量進一步增大,有鋼支撐模擬地表沉降值最大為-15.3 mm,實測最大值為-16.8 mm,兩者相差1.5 mm;工況六地表沉降到達峰值,有鋼支撐模擬得到的最大值為-15.9 mm,實測最大值為-17.6 mm,兩者相差1.7 mm。

圖2 優(yōu)化前后各工況地表沉降max值對比圖

通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前的實際監(jiān)測最大值要比模擬最大值的變化大,且兩者之間差值隨著工況的進展變得越來越大。分析出現(xiàn)該情況的原因有兩點:(1)真實的施工現(xiàn)場環(huán)境比模擬的環(huán)境更加復雜,土質情況也有一定偏差;(2)現(xiàn)場的大型施工機械行駛也會或多或少影響實測數(shù)據(jù),導致地表沉降變大。

通過對比還發(fā)現(xiàn)由于模擬有無鋼支撐的前期施工進程基本類似,所以前期地表沉降最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六有鋼支撐時地表沉降最大值為-15.9 mm,無鋼支撐時最大值為-16.5 mm,可以發(fā)現(xiàn)去除鋼支撐后地表沉降量僅增大了0.6 mm,兩者均未超過預警值,滿足規(guī)范要求。

3.2 圍護樁深層水平位移對比

監(jiān)測圍護樁深層水平位移可以反映出圍護樁墻隨基坑開挖深度的變形情況,可以判斷基坑圍護樁變形是否在安全范圍內。

如圖3所示,優(yōu)化前后的圍護樁變形趨勢大體相同,都是隨著圍護樁深度的增加深層水平位移先變大后變小。

圖3 優(yōu)化前后工況六深層水平位移max值對比圖

如圖4所示,通過對不同工況下某一測斜孔深層水平位移對比圖分析可以看出,工況四由于開挖深度較淺,冠梁和混凝土支撐對圍護樁起到一定支撐作用,圍護樁變形不明顯,有鋼支撐模擬深層水平位移最大值是0.53 mm,實測最大值為0.64 mm,兩者差距較小;工況五圍護樁發(fā)生了一定程度的變形,有鋼支撐模擬深層水平位移最大值是3.59 mm,實測最大值為4.41 mm,兩者相差0.82 mm;工況六基坑開挖至最大開挖深度16.27 m,圍護樁變形進一步加劇,有鋼支撐模擬深層水平位移最大值是4.26 mm,實測最大值為4.96 mm,兩者相差0.8 mm。

圖4 優(yōu)化前后各工況深層水平位移max值對比圖

通過對比可以發(fā)現(xiàn)實際監(jiān)測最大位移值要比有限元模擬最大位移值變化大,考慮該情況發(fā)生的原因有三點:(1)在進行有限元模擬時土層設置過于理想化,軟件無法做到完美模擬當?shù)氐刭|條件;(2)模擬時沒有考慮在實際開挖過程中伴有不確定的降水和行駛大型機械產(chǎn)生的荷載會對圍護樁變形造成一定影響;(3)實際開挖時支護結構不是一瞬間就施工完成的,在支撐、冠梁養(yǎng)護期間,鋼支撐安裝期間圍護樁也會發(fā)生一定的變形。

通過對比還發(fā)現(xiàn)由于模擬有無鋼支撐的前期施工進程基本類似,所以前期圍護樁深層水平位移最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六有鋼支撐時深層水平位移最大值為4.26 mm,無鋼支撐時最大值為5.09 mm,可以發(fā)現(xiàn)去除鋼支撐后深層水平位移最大值增大了0.6 mm,說明去除鋼支撐的優(yōu)化方法對圍護樁深層水平位移有一定的影響,但遠小于預警值24 mm,不會對基坑施工安全造成影響。

3.3 混凝土支撐和鋼支撐軸力對比

監(jiān)測內支撐軸力變化能夠最直接反映支護受力變化情況,內支撐軸力的變化情況決定了基坑圍護的穩(wěn)定性,對內支撐軸力的監(jiān)測是基坑監(jiān)測重要的一環(huán)。

(1)混凝土支撐軸力對比

如圖5所示,優(yōu)化前后各工況混凝土支撐軸力對比圖變化趨勢大致相同,都是基坑開挖越深,混凝土軸力越大。工況四軸力變化不大,工況五混凝土支撐軸力不斷加大,有鋼支撐模擬軸力最大值為408.8 kN,實測最大值為446.5 kN,兩者相差37.7 kN;由工況五到工況六進展,期間隨著基坑進一步開挖,混凝土軸力也進一步變大,有鋼支撐模擬軸力最大值為499.3 kN,實測最大值為545.1 kN,兩者相差45.8 kN。

圖5 優(yōu)化前后各工況混凝土支撐軸力max值對比圖

通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前實測的最大軸力值要大于有限元模擬的最大軸力值,考慮發(fā)生該情況的原因有兩個:(1)有限元模擬時支撐是在一瞬間完成的,能夠有效對基坑變形做出反映,但實際施工時,加撐并不是同步進行的,會導致支撐受力出現(xiàn)差異;(2)由于溫度變化對支撐軸力的影響突出,整個基坑開挖過程持續(xù)時間較長,實際測量時溫度無法保證每次都是相同的,所以實測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)差異。

通過對比還發(fā)現(xiàn)由于模擬有無鋼支撐的前期施工進程基本類似,所以前期混凝土支撐軸力最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六有鋼支撐時混凝土支撐軸力最大值為499.3 kN;無鋼支撐時最大值為668.9 kN,去除鋼支撐后混凝土軸力增大了169.6 kN。整體來看,去除鋼支撐后混凝土軸力有所增大,但增大后的軸力峰值仍遠小于預警值1 946 kN,說明去除鋼支撐后混凝土支撐軸力變化仍然在安全范圍內,不會對基坑施工的安全造成影響。

(2)鋼支撐軸力對比

如圖6所示,鋼支撐軸力變化與混凝土軸力類似,隨著基坑開挖,鋼支撐軸力不斷變大。到工況六有限元模擬最大軸力為426.8 kN,實測最大值為465.1 kN,兩者相差38.3 kN。

圖6 優(yōu)化前后各工況鋼支撐軸力max值對比圖

鋼支撐現(xiàn)場采集的軸力同樣也大于有限元模擬的軸力,同樣因加撐不同步和溫度變化影響支撐軸力導致。

3.4 樁頂水平、豎向位移對比

基坑開挖時,隨著土體的轉移,通常會影響初始地應力平衡,引起水土壓力變化,圍護樁則因要承受新的壓力而發(fā)生變形,監(jiān)測樁頂豎向、水平位移值的變化可以反映出圍護結構的變形情況。

(1)樁頂豎向位移對比

如圖7所示,支護結構優(yōu)化前后樁頂豎向位移變化趨勢大體相同,基坑開挖深度越大,樁頂豎向位移值越大。工況四樁頂豎向位移值變化不大;工況五鋼支撐施工期間由于基坑沒有開挖,樁頂豎向位移變化很小,此階段有鋼支撐樁頂豎向位移模擬最大值為5.4 mm,實際監(jiān)測最大值為5.8 mm,兩者相差0.4 mm;工況六有鋼支撐模擬豎向位移最大值為7.9 mm,實測最大值為8.4 mm,兩者相差0.5 mm。

圖7 優(yōu)化前后各工況樁頂豎向位移max值對比圖

通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前實測的樁頂豎向位移最大值要比有鋼支撐模擬樁頂豎向位移最大值變化大,考慮發(fā)生這種情況原因也是因為模擬時土層情況過于理性化和具有不確定性的降水及機械荷載對圍護結構變形的影響。

通過對比還發(fā)現(xiàn)模擬有無鋼支撐的前期施工進程基本類似,所以前期樁頂豎向位移最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六基坑開挖到底部,有鋼支撐樁頂豎向位移最大值為7.9 mm,無鋼支撐樁頂豎向位移最大值為7.93 mm,去除鋼支撐后樁頂豎向位移僅增大了0.03 mm,說明去除鋼支撐對樁頂豎向位移的影響較小,不會對基坑施工的安全造成影響。

(2)樁頂水平位移對比

如圖8所示,隨著基坑開挖深度的不斷增加,樁頂水平位移不斷增大。工況四中冠梁和混凝土支撐施工完成,有鋼支撐樁頂水平位移模擬值為0.5 mm,實際監(jiān)測值為0.6 mm,兩者相差0.1 mm;工況五中基坑開挖至14 m,有鋼支撐水平位移模擬值為2.0 mm,實際監(jiān)測值為2.2 mm,兩者相差0.2 mm;工況六基坑開挖到最大開挖深度16.27 m,有鋼支撐水平位移模擬值為2.99 mm,實際監(jiān)測值為3.28 mm,兩者相差0.33 mm。通過有限元模擬開挖的整個過程中得出圍護樁樁頂水平位移累計最大值為2.4 mm,實際監(jiān)測樁頂水平位移累計變化2.68 mm,未超過設計規(guī)范中的預警值,整個基坑開挖期間圍護樁樁頂水平位移值的變化滿足規(guī)范要求。

圖8 各工況樁頂水平位移max值對比圖

通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前實測的樁頂水平位移最大值要比有鋼支撐模擬樁頂水平位移最大值變化大,原因與樁頂豎向位移變化原因一致。

通過對比還發(fā)現(xiàn)模擬有無鋼支撐的前期施工進程基本類似,所以前期樁頂豎向位移最大值變化一致且相同,到工況六才出現(xiàn)差距。工況六基坑開挖到底部,有鋼支撐時樁頂水平位移最大值為2.99 mm;無鋼支撐時最大值為3.02 mm,均小于預警值。去除鋼支撐后樁頂水平位移僅增大了0.03 mm,說明去除鋼支撐對樁頂水平位移影響較小,不會對基坑施工的安全造成影響。

4 結 論

(1)各監(jiān)測項目的變化趨勢均符合基坑支護及土體變形發(fā)展規(guī)律,各工況有限元模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致,由于現(xiàn)實施工中多存在一些不確定的環(huán)境或人為因素會對監(jiān)測的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,使得模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測的結果略有差距,但數(shù)值相差不大。整體來看,隨著工況的推進,實測數(shù)據(jù)雖有些許變化,但都未超過設計規(guī)范中的預警值,說明有限元模擬的數(shù)據(jù)變化對于實際工程施工具有一定的參考價值。

(2)對內支撐形式進行了優(yōu)化,將“圍護樁+混凝土支撐+鋼支撐”形式優(yōu)化為“圍護樁+混凝土支撐”的支護形式,通過有限元模擬對比后發(fā)現(xiàn)“圍護樁+混凝土支撐”的支護形式相比原支護結構可以在確保基坑施工安全穩(wěn)定的前提下,減少了施工鋼支撐的步驟,降低了工程造價,加快了施工進程,證明了優(yōu)化方案的可行性。

(3)今后將對采用優(yōu)化方案的基坑進行現(xiàn)場監(jiān)測,整理實際監(jiān)測數(shù)據(jù),驗證優(yōu)化方案可達到的降低施工成本的目的。