卵石地層偏壓深基坑支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及影響因素分析

王子琪, 梁斌*, 王國輝, 李磊, 張松陽

(1.河南科技大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 洛陽 471000; 2.河南信大建設(shè)集團有限公司, 洛陽 471000)

如今城市進步已經(jīng)和地下空間開發(fā)利用緊密相連,而下穿隧道作為一種主要地下交通建設(shè)得到加速發(fā)展。下穿深基坑是下穿工程中至關(guān)重要的一環(huán),因此有必要考慮諸多可變因素帶來的影響并對其進行深入探討。當(dāng)前基坑設(shè)計主要面向平衡荷載基坑,而實際工程中由于環(huán)境、場地等因素限制,基坑周邊存在臨時堆載并常常處于不對稱狀態(tài),若忽略非對稱荷載對基坑支護體系作用,將會造成資源浪費或帶來安全隱患。目前國內(nèi)諸多學(xué)者已對坑邊荷載與基坑變形性狀之間的關(guān)系進行研究,并取得有益成果[1-4]。

針對不平衡堆載作用下偏壓基坑,孫志浩等[5]通過模擬綜合管廊基坑一側(cè)多組荷載距離,研究出兩側(cè)荷載距離不同時其內(nèi)支撐軸力變化;戈銘等[6]和程群等[7]采用數(shù)值模擬對不均衡堆載基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行分析,證明基坑開挖變形特性確實受非對稱荷載不利影響;林剛等[8]運用巖土工程有限元軟件PLAXIS模擬不平衡堆載情況下基坑開挖全過程,定性總結(jié)出相關(guān)基本規(guī)律;李丹等[9]、屈偉等[10]、尹星等[11]和張俊等[12]將現(xiàn)場監(jiān)測方法與模擬仿真緊密結(jié)合,以便及時調(diào)整施工設(shè)計及方案;王懿等[13]將基坑圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與ANSYS模擬計算數(shù)據(jù)進行對比,證明了該市某地鐵車站基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計合理;高文華等[14]、朱懷龍等[15]和孫武斌[16]等運用有限元數(shù)值模擬分析出偏壓荷載對深基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響,研究表明在對深基坑進行設(shè)計時考慮坑外荷載作用對施工具有一定參考價值,其中基坑至荷載距離為圍護結(jié)構(gòu)變形主要影響因素。

以往相關(guān)研究重點主要在于證明偏壓荷載對基坑自身土體沉降確實存在影響或總結(jié)其影響下基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形原因和變形特征,而針對偏壓荷載深基坑支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性變化的影響因素研究較為匱乏。現(xiàn)以洛陽市周山大道下穿開元大道路段深基坑項目為背景,采用MIDAS GTS NX有限元軟件對該項目進行數(shù)值模擬,以偏壓深基坑支護結(jié)構(gòu)受力變形影響因素為變量分別設(shè)置不同梯度工況,分析各影響因素下基坑支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,并在此基礎(chǔ)上對荷載位置、大小、寬度以及基坑開挖深度4種因素變化引起的支護結(jié)構(gòu)受力變形臨界條件提出相應(yīng)的定量擬合公式,最終計算得出各因素建議取值,可供類似工程設(shè)計與施工參考。

1 工程概況

洛陽市周山大道與開元大道路口下穿隧道采用明挖順做法施工,全長987.054 m,本項目為原有市政道路擴改建,路線整體呈南北走向,西南側(cè)場地為高層建筑,荷載較大。工程場地為洛河Ⅰ級階地地貌單元,開挖深度影響范圍以中密卵石層為主,地下水位于地表下5.1～6.5 m,水位年變幅3 m;選取隧道K0+295.8～444.8標(biāo)段為研究對象,基坑寬33.3 m,深10.8 m。

基坑支護結(jié)構(gòu)采用混凝土灌注樁與鋼內(nèi)撐相結(jié)合,鉆孔灌注樁直徑0.8 m,間距1.2 m,樁長為15.8 m,豎向采用兩道Ф609 mm×16 mm@4 m鋼內(nèi)撐,計算參數(shù)如表1所示,第一道內(nèi)支撐架設(shè)于距樁頂1.5 m處,第二道內(nèi)支撐距第一道內(nèi)支撐相隔4 m。考慮到周邊建筑及路況復(fù)雜,現(xiàn)場常常有建筑材料堆放,基坑側(cè)邊堆土不能及時運出,如圖1所示,此基坑屬于典型坑周偏壓荷載問題。現(xiàn)場支護結(jié)構(gòu)施工圖如圖2所示。

表1 數(shù)值模擬計算材料參數(shù)Table 1 Numerical simulation calculates material parameters

q為堆載大小;B為寬度;D為堆載與基坑距離

圖2 現(xiàn)場施工圖Fig.2 Site construction drawings

2 有限元計算模型

2.1 計算模型

采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立二維有限元模型進行數(shù)值模擬,探究坑周偏壓荷載距基坑遠近、荷載大小及荷載分布面寬度以及開挖深度對深基坑支護結(jié)構(gòu)影響。為消除邊界效應(yīng),土體模型尺寸為90 m×50 m(長×寬),側(cè)邊設(shè)置水平位移約束,底邊同時約束水平與豎向位移,基坑有限元模擬網(wǎng)格劃分如圖3所示,基坑開挖深度為10.8 m,按內(nèi)支撐施工順序共分3次開挖至坑底以下0.5 m處。

圖3 基坑有限元模型圖Fig.3 Foundation pit finite element model diagram

修正Mohr-Coulomb,本構(gòu)模型預(yù)測值與實測值較為貼合,更適用于預(yù)測基坑排樁變形[17]。為此,本文研究中深基坑土體選用修正摩爾庫倫模型,基坑所在土層簡化為3層、其中包括雜填土、卵石層和砂質(zhì)黏土巖,主要物理參數(shù)如表2所示。

表2 土層主要物理參數(shù)Table 2 The main physical parameters of the soil layer

2.2 模擬過程及工況

為貼近工程實際情況,通過有限元軟件實現(xiàn)基坑工程圍護樁施工、土體開挖、降水以及設(shè)置內(nèi)支撐等施工過程。基坑開挖過程中考慮降水作業(yè),每次開挖前需降水至開挖面下1 m,施工步驟遵循先撐后挖原則,模型施工工況設(shè)計如表3所示。

表3 施工工況設(shè)計Table 3 Construction condition design

為研究坑邊偏壓堆載對深基坑造成的影響,研究分4種不同情況進行對比分析:①荷載位置處于距基坑4 m處及荷載寬度B=6 m不變,分別計算荷載大小q=0、15、30、45、60 kPa 5種情況下深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)向位移變化情況;②荷載大小q=30 kPa及荷載寬度B不變,基坑開挖深度H為10.8 m,分別計算荷載距基坑距離D=0.3H、0.6H、0.9H、1.2H、1.5H、1.8H6種情況下深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)向位移變化情況;③荷載大小q=30 kPa及荷載距基坑位置不變,基坑開挖深度H為10.8 m,分別計算荷載寬度B=0.3H、0.6H、0.9H、1.2H、1.5H、1.8H6種情況下深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)向位移變化情況;④荷載大小q=30 kPa、荷載寬度B=6 m及荷載距基坑位置D=4 m,基坑開挖深度H為10.8 m,分別模擬打樁、開挖至2、6、10.8 m情況下深基坑支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化情況。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 荷載大小對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 樁身水平位移

不同荷載大小作用下樁身側(cè)向位移如圖4所示。隨著荷載增加,左側(cè)圍護樁位移也明顯增大,而右側(cè)圍護樁朝著遠離基坑一側(cè)反向位移,但絕對值變化較小,其主要原因是因為深基坑兩側(cè)存在不對稱荷載通過內(nèi)支撐被傳遞,右側(cè)支護結(jié)構(gòu)朝著基坑方向位移被抑制,當(dāng)不對稱荷載偏大甚至?xí)?dǎo)致樁體發(fā)生反向移動。坑外無荷載條件下左、右側(cè)樁體最大側(cè)向位移分別為11.65、11.85 mm,當(dāng)坑外荷載加至60 kPa,左側(cè)樁體最大側(cè)向位移增長15.32 mm至26.97 mm,增加幅度為56.80%;右側(cè)樁體最大水平位移則減至6.30 mm,變幅46.80%,樁頂位移變化最大。

圖4 荷載大小不同時圍護樁側(cè)向位移對比Fig.4 Contrast of lateral displacement of retaining piles with different loads

圖5為樁身側(cè)向位移與偏壓荷載大小關(guān)系擬合曲線圖。樁身側(cè)向位移隨著偏壓荷載增加不斷增大,位移與荷載大小呈多項式關(guān)系,經(jīng)計算得q與X相關(guān)系數(shù)R2=0.972 1,擬合優(yōu)度較高,二者呈極高相關(guān)。

圖5 樁身側(cè)向位移與偏壓荷載大小變化關(guān)系擬合曲線Fig.5 Fitting curve of the relationship between horizontal displacement of pile body and change of bias load magnitude

X=0.002 4q2+0.109 8q+11.645

(1)

根據(jù)此變化趨勢可知,當(dāng)偏壓荷載≥105 kPa時,樁側(cè)移超過本深基坑預(yù)警值50 mm,灌注樁發(fā)生強偏移。

3.1.2 樁身內(nèi)力

荷載大小不同情況下左右圍護樁彎矩對比曲線如圖6所示。坑外荷載q以每15 kPa為增長梯度,鄰近堆載一側(cè)圍護樁最大彎矩比無堆載時分別增長4.41%、7.59%、12.52%、15.69%,其中坑外偏壓荷載為60 kPa時,左側(cè)樁體最大彎矩增至510 kN·m,其增長幅度最大,右側(cè)樁體最大彎矩隨偏壓荷載增大而逐漸減小。因此,在實際施工時必須考慮坑邊堆載或建筑物荷載大小的影響。

圖6 荷載大小不同時左右圍護樁彎矩對比Fig.6 Contrast of bending moments of left and right retaining piles with different loads

3.1.3 支撐軸力

荷載大小不同情況下內(nèi)支撐軸力變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,坑邊荷載增加軸力也會發(fā)生相應(yīng)變化,與無堆載時相比,每增加15 kPa荷載第一道鋼支撐的支撐軸力則分別增加1.03%、1.97%、2.60%、3.03%;而第二道支撐軸力增加幅度為2.18%、4.33%、6.48%、8.65%。綜上,在坑外偏壓荷載大小不同時,第二道鋼支撐增幅大于第一道鋼支撐,而在實際工程中,需保證內(nèi)支撐架設(shè)妥當(dāng)再進行下一步工序。

圖7 荷載大小不同時內(nèi)支撐軸力變化Fig.7 Change of internal support axial force when the load is different

3.2 荷載位置對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 樁身水平位移

無荷載以及不同荷載位置作用下樁身側(cè)向位移曲線如圖8所示。從圖8中可以看出,荷載位置距基坑越近,左側(cè)樁體水平位移也隨之增大,相反,右側(cè)樁身位移在不斷減;當(dāng)荷載距離基坑0.3H時,左側(cè)灌注樁最大位移值為13.30 mm,而荷載位置不同對右側(cè)樁體影響甚微,右側(cè)灌注樁身水平位移為-10.67 mm。

圖8 荷載位置不同時左右圍護樁側(cè)向位移對比Fig.8 Contrast of lateral displacement of left and right retaining piles at different load positions

由圖9可得荷載位置與樁身水平位移變化的二次函數(shù)關(guān)系,如式(2)所示。荷載位置D與樁身最大水平位移X相關(guān)系數(shù)R2=0.95,說明曲線擬合較好,D與X緊密負相關(guān)。

圖9 樁身水平位移與偏壓荷載位置變化關(guān)系擬合曲線Fig.9 Fitting curve of the relationship between horizontal displacement of pile body and bias load position

X=0.440 5D2-2.717 9D+15.636

(2)

荷載距離超過1.5倍基坑開挖深度時,左右樁身位移和無堆載情況較接近,也由此可以證明,當(dāng)荷載距離大于1.5倍開挖深度時,荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響較弱,為了便于施工可忽略此因素。

3.2.2 樁身內(nèi)力

荷載位置不同時左右圍護樁彎矩較無堆載時最大彎矩變化率對比如圖10所示。由圖10(a)和圖10(b)可知,隨著荷載距基坑遠近發(fā)生改變,左側(cè)圍護樁彎矩較右側(cè)樁體彎矩變化更為明顯,右側(cè)樁體受荷載距離影響變化不大。當(dāng)前荷載位置樁最大彎矩與無堆載情況下樁最大彎矩的差除以無堆載樁最大彎矩所得百分比,為最大彎矩影響率,如圖10(c)所示,堆載距基坑距離為0.3H時,左右側(cè)樁體最大彎矩達到402.00、319.20 kN·m,其變化幅度分別為50.56%、18.43%;左右側(cè)樁體影響變化率曲線在荷載位置為1.8H時較為接近,由此可得,當(dāng)荷載位置超過1.8H時左右側(cè)樁體內(nèi)力受荷載距離的影響將逐漸減弱,彎矩也隨之穩(wěn)定。

圖10 荷載位置不同時左右樁體彎矩及最大彎矩變化率對比Fig.10 Contrast of left and right pile bending moments and maximum bending moment change rates under different load positions

3.3 荷載寬度對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1 樁身水平位移

荷載寬度不同情況下左右圍護樁側(cè)向位移對比如圖11所示。樁頂位移變化大于樁身其他部位位移變化幅度,樁身最大側(cè)向位移部位為灌注樁中部;荷載寬度不同情況下基坑左右側(cè)支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移也不同,左側(cè)灌注樁樁體側(cè)向位移因荷載寬度增加而不斷增大,但右側(cè)灌注樁樁身位移卻在減小且方向為遠離基坑;相同的是,當(dāng)坑外荷載寬度超過1.5倍開挖深度時,左右側(cè)樁體位移增量逐漸減小,受荷載寬度影響減弱。

圖11 荷載寬度不同時左右圍護樁側(cè)向位移對比Fig.11 Contrast of lateral displacement of left and right retaining piles with different load breadth

圖12為樁身側(cè)向位移與偏壓荷載寬度變化關(guān)系擬合曲線。樁身側(cè)向位移與荷載寬度呈多項式關(guān)系,且增長幅度較快所以不能忽略,如式(3)所示,B與X相關(guān)系數(shù)R2=0.997 5,屬于極高相關(guān),擬合較精確。根據(jù)實際工程現(xiàn)場情況,如果荷載寬度較寬、荷載本身大小也較大時,可在樁與樁之間進行注漿加固。

圖12 樁身水平位移與偏壓荷載寬度變化關(guān)系擬合曲線Fig.12 Fitting curve of the relationship between horizontal displacement of pile body and variation of bias load width

X=-0.198 4B2+2.654 8B+12.8

(3)

3.3.2 樁身內(nèi)力

荷載寬度不同,左右樁體彎矩較無堆載情況最大彎矩變化率對比如圖13所示。當(dāng)前荷載寬度樁體最大彎矩與無堆載情況下樁體最大彎矩的差除以無堆載樁體最大彎矩所得百分比,作為最大彎矩變化率。由圖13(a)和圖13(b)可知,隨著荷載作用寬度增加,左側(cè)灌注樁最大彎矩值穩(wěn)定增長,當(dāng)荷載寬度增至1.8倍基坑開挖深度時,彎矩最大值為403.20 kN·m,比坑周無堆載增加幅度為26.64%;右側(cè)樁體彎矩隨荷載寬度增加也隨之變化,但其最大彎矩變化并不突出。

圖13 荷載寬度不同情況下左右樁體彎矩及最大彎矩變化率對比Fig.13 Comparison of left and right pile bending moments and maximum bending moment change rates under different load widths

3.4 開挖深度對基坑支護的影響

從圖14(a)中可以看出,打樁階段和首次開挖時樁體水平變形較均勻,總體變形不大,當(dāng)開挖至6 m且采用激活功能設(shè)置堆載時,樁體位移有較大幅度增長且呈“鼓肚子”變形。由圖14(b)可知,樁體最大水平位移隨開挖深度呈正相關(guān)關(guān)系,而開挖至6 m時位移明顯增大是因為本工程所處地勢地下水位較高,卵石地層孔隙大降水相對困難,所以降水工況下樁體變形增量較為明顯,但整體總位移小于基坑監(jiān)測預(yù)警值。

圖14 樁體位移與開挖深度變化關(guān)系對比Fig.14 Comparison of the relationship between pile displacement and excavation depth

4 模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

在施工過程中對基坑左右側(cè)支護結(jié)構(gòu)水平位移進行實時監(jiān)測,圖15為圍護樁側(cè)向位移模擬值與實際監(jiān)測值對比曲線,可以看出左右側(cè)樁體位移數(shù)值計算結(jié)果與實測值變化規(guī)律吻合良好;左側(cè)灌注樁最大水平位移實測值為9.89 mm,模擬計算值為11.65 mm,誤差約為1.76 mm,右側(cè)灌注樁最大水平位移實測值11.98 mm,模擬計算值為12.21 mm,誤差約為0.23 mm,總體來說左右側(cè)位移誤差值較小,數(shù)值模擬值與實際施工過程中監(jiān)測值變化規(guī)律基本相同,表明本文方法的正確性。

圖15 圍護樁側(cè)向位移計算值與實測值對比Fig.15 Contrast between calculated value and measured value of lateral displacement of retaining pile

5 結(jié)論

(1)基坑周邊偏壓荷載大小對基坑支護結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力及位移變形影響較大,荷載大小為60 kPa時左側(cè)樁體朝向基坑方向位移最大增加幅度達到56.80%;右側(cè)樁體位移變化小于左側(cè),且方向遠離基坑,變幅為46.80%;當(dāng)基坑邊荷載≥105 kPa,樁側(cè)移將超過本基坑監(jiān)測預(yù)警值50 mm發(fā)生強偏移,降低基坑安全性。

(2)深基坑坑邊堆載與坑邊距離D的大小與圍護樁側(cè)移呈極高相關(guān),樁體最大側(cè)移量隨距離D的增加而遞減,荷載距基坑越遠,右側(cè)樁體受荷載距離影響越小而左側(cè)較大。建議設(shè)置堆載時,使基坑至堆載距離D大于1.5倍設(shè)計開挖深度。

(3)偏壓荷載寬度與基坑開挖深度增加會顯著影響受壓一側(cè)灌注樁樁身彎矩和水平方向位移,如果荷載本身較寬、數(shù)值較大,可對其樁進行加固處理。當(dāng)開挖深度達到1.8倍設(shè)計開挖深度時,基坑灌注樁受到荷載分布寬度影響幾近于零。

(4)針對基坑只一側(cè)存在偏壓荷載情況,需進行整體建模分析,得到模擬結(jié)果與實際工程監(jiān)測值吻合良好后,可根據(jù)分析結(jié)果對圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐尺寸等進行調(diào)整,同時能夠較好反映基坑開挖過程中受力變形特性,為之后施工提供更為準(zhǔn)確的安全依據(jù)。