深基坑支护体系的坑角效应分析

赵芳甫

(中国葛洲坝集团第三工程有限公司 西安 710000)

在城市建设发展中,为实现有限空间和土地资源的充分利用,高层建筑和地下空间不断涌现,使得基坑工程向“纵深”发展。深基坑工程穿越地层类型多、变化大、水文条件复杂、周边构筑物及地下管线情况复杂,危险源较多,因此在复杂环境下确保基坑,尤其是深基坑开挖施工时的安全性具有重要的意义。

在基坑工程中,由开挖引起的空间效应成为国内外学者重点关注的研究课题。李大鹏等[1]指出:空间效应的本质为坑周土体中的拱效应对支护土正应力和变形等特性的影响,研究空间效应时采用基坑长深比较为合理。Ou C.Y.等[2]研究了台北地区基坑的变形特性,提出了平面应变比的概念。李涛等[3]引入k值定量描述空间效应影响,推导出空间效应影响下狭长深基坑周边地表沉降的三维预测计算方法。结果表明,空间效应影响范围主要受基坑开挖深度及土体内摩擦角影响,在空间效应范围外,k值可近似为1,在空间效应范围内,k值随着距基坑端部距离增大呈非线性增长。付红梅[4]的研究表明,相比二维数值模拟,三维数值模拟能得到更合理的结果,尤其对于几何形状复杂或施工工艺复杂的深基坑,其空间效应现象更突出,影响因素更复杂。刘念武等[5]结合实际工程中的基坑监测数据,得出内支撑结构对于基坑侧向变形的空间效应具有一定的抑制作用。莫品强等[6]基于弹性抗力法对复杂支护条件下的支护桩进行分析,考虑冠梁、支撑和支护桩的变形协调关系,得到冠梁和支护桩的内力和变形数值解。以上研究均表明基坑开挖存在明显的空间效应,且影响因素众多。

随着基坑支护形式的发展,桩锚支护体系在工程中越来越常见,但目前对土钉墙+桩锚支护体系空间效应的研究,无论是从理论上还是从有限元模拟上都相对欠缺。本文依托西安某住宅小区深大基坑,基于PALXIS 3D大型有限元软件,采用摩尔-库仑模型,研究西安地区深大基坑工程桩锚支护体系的空间变形特征,以期为支护体系的结构优化提供技术支撑,积累地区经验。

1 工程概况

1.1 工程背景

某城市综合体拟建场地位于西安市高新区,其基坑支护长度约为530 m,南北方向为132 m,东西方向为133.2 m,总支护面积约为9 100 m2。本基坑支护体系采用桩锚支护体系,以围护桩为主体,基坑上部侧壁设置土钉墙支护,高度为6 m,共2排,上、下排间距为2.5 m,下部采用桩锚联合支护,基坑每开挖一次,对围护桩表面喷射混凝土,防止桩间土体坍塌。围护桩及桩顶冠梁混凝土等级为C30,冠梁高度为5 m,围护桩桩径为0.8 m,其中基坑北面AB段和CD段围护桩桩长22 m,BC段围护桩桩长为20.5 m。在基坑下部设置4排端部预应力锚索,锚索上、下间距为2.5 m,并对锚索施加300 kN的预应力,连接各锚索的腰梁采用双排槽钢。

1.2 工程地质

根据岩土工程地质详勘,基坑拟建场地呈西北高、东南低地势,地貌属于皂河I级阶地,主要由黏性土及砂土组成,土层呈水平向分布。在勘察深度90.20 m深度范围内,场地土从上到下按其地质沉积年代、成因类别及物理性质可分为7个土层:①素填土、②黄土状粉质黏土、③中砂、④粉质黏土、⑤粉质黏土、⑥粗砂、⑦粉质黏土。各土层力学性质指标见表1。

表1 土层力学性质

2 深基坑空间有限元模型

2.1 三维有限元模型

采用PLAXIS 3D软件进行有限元模型的构建。该开挖基坑近似正方形,开挖深度H为18.3 m,考虑该基坑开挖面积较大,选取1/2部分的开挖面积进行三维模型构建。围护桩后4倍开挖深度范围、坑底以下2倍挖深范围是基坑开挖的影响区,鉴于本文拟通过研究支护结构的变形揭示深大基坑的坑角效应,故模型长度选为150 m、宽度为125 m、深度为40 m,基坑支护体系结构见图1。

图1 基坑支护体系结构

结构体系中,围护桩根据抗弯刚度等效原则等代为墙,采用板单元模拟,腰梁使用梁单元,锚索注浆段采用embeded beam row材料模型,材料参数见表2。网格单元采用10节点划分,其中土体单元数为83 184,节点数为141 746,单元平均大小为3.595 m。固定模型底部,顶部为自由边界,侧向边界约束法向位移,基坑网格单元划分见图2。

表2 基坑结构参数

图2 基坑网格单元划分

本基坑工况模拟见表3。

表3 基坑施工工况

2.2 模型有效性验证

图3为基坑开挖完成后围护桩数值仿真结果与监测数据的对比图。1号桩位于基坑北侧,距离西北坑角A点34.5 m,2号桩位于基坑北侧,距离西北坑角66 m。由图3可见,数值模拟基坑开挖过程中的水平位移与实际监测数据相吻合,说明模型能较好地反映该基坑的变形特性。另外,2号桩实测最大位移约20 mm,在深度5.5 m处,数值模拟的最大位移约17 mm,位于深度6 m处,且桩底部分的位移曲线与模拟所得的位移曲线有一定偏差,原因可能为围护桩混凝土凝固未完成,即开始进行监测,导致测斜管测得的数据出现多个拐点。

图3 围护桩随深度变化的侧向位移图

3 坑角效应影响分析

3.1 影响系数

坑角效应是指在基坑或坑后土体在三维数值模拟分析过程中基坑土体的位移与二维平面应变条件下土体位移之间的关系,其表达可采用平面应变比(PSR):通过计算基坑中心位置附近处桩身或坑后土体位移的平均值,以此作为平面应变状态下的桩身或坑后土体位移值。PSR值小于1,表示基坑受到坑角效应的影响;PSR值等于1,表明基坑不受坑角效应的影响。结果表明,基坑长度超过100 m时,在距离坑角30 m以外的范围,其坑角效应不明显,PSR接近于1.00,呈现平面应变状态。本研究中基坑长度为133 m,超过坑角效应的理论长度值,可以认为基坑中心这一范围内基坑不受坑角效应影响。

为了深入研究基坑中特定位置的PSR值,用该点与基坑角点之间的相对距离来表达,具体的计算公式为

PSR=n/m

(1)

式中:n为距离基坑nm的冠梁在垂直基坑方向上的侧向位移;而m为围护墙中心冠梁的侧向位移的平均值。

3.2 围护墙坑角效应分析

距坑角不同位置处的桩身位移图见图4。根据图4的观察结果,初次开挖基坑时,坑角位置处几乎没有侧向位移,不同处的最大侧向位移均发生在冠梁上,桩土的锚定效应最强,位移曲线中,围护桩呈“悬臂型”变形。继续开挖至冠梁顶端以下5.0 m时,坑角5 m范围内围护桩最大水平位移下移,距离冠梁顶部约8.0 m。横向上随坑角相对距离的增大,其最大水平位移增加,且位置向上移动,此时基坑中部的位置的墙体变形仍然呈现“悬臂型”,而坑角处围护结构的变形呈现“内凸形”。随基坑深一步的开挖和支护,围护墙体的水平位移逐渐增大,最终围护结构的变形基本上呈现“内凸形”。此外,坑角位置围护结构侧向位移较小,基坑中部围护结构侧向位移最大,表现明显的空间效应。

图4 距坑角不同位置处的桩身位移图

围护墙坑角效应图见图5。由图5可见,初始开挖时,距离坑角20 m范围内基坑平面应变比PSR值几乎无变化,之后迅速增大,约40 m处速率变缓,在距离坑角50 m处接近于1;基坑开挖深度增加,PSR速率随之增大,20 m范围内数值变化明显,且PSR值接近于1的位置离坑角越近,到达最终开挖步时,其位置在距离坑角约45.0 m位置,影响范围变小。

图5 围护墙坑角效应图

3.3 墙后地表分析

为进一步研究桩锚深基坑的坑角效应,分别从横向和纵向的地表沉降开展分析,图6所示为基坑开挖至不同阶段时,墙后1 m土体在横向上的地表沉降图。沉降曲线呈现凹槽形,与文献[2]得出的土体沉降变化模式较为相同,存在明显的空间效应。分析AF面的沉降分布特征。

图6 地表横向沉降累计图

由图6可见,坑角处墙后地表沉降受到坑角的约束作用,沉降几乎为0,随坑角相对距离的增大,地表最大沉降增大,在到达一定距离时,土体的沉降不再受到坑角效应的影响。

初次开挖时,距离坑角20 m处达到最大沉降的80%,即PSR值达到0.8,基坑中部最大沉降为7.5 mm;基坑开挖越深,周围土体沉降越大,空间效应越明显,但最大沉降的位置没有变化,都位于基坑中部处,开挖到设计标高时,地表最大沉降约为23 mm,在距离坑角0～35 m范围内,坑角效应引起的地表沉降变化率较大,PSR值在35 m处达到0.8,当距离达到45 m(2H)时,该距离基本不受坑角效应的影响,PSR值为1,与基坑中间沉降一致,为平面应变状态,由此可见,PSR和基坑的开挖深度对土体沉降的影响较大;基坑在达到设计标高时,横向地表沉降的坑角影响范围与围护桩的坑角影响范围基本一致。

地表沉降在纵向上也存在明显的空间效应,图7表示纵向上地表最大沉降在坑角不同范围内PSR的变化情况,由图可知距离坑角10 m范围内为显著影响区,PSR快速增加至0.8,在10～30 m范围内,PSR值由0.8增加至0.9,这个范围为坑角效应的次要影响区,之后坑角的影响效应逐渐减弱,距离坑角35 m左右,PSR增加至1,该距离不受坑角作用的影响。判定纵向上地表沉降坑角效应的影响范围为1.5H。

图7 地表纵向沉降的坑角效应图

4 结论

本文对深基坑进行三维数值建模,通过分析基坑北侧围护桩的桩身侧向位移,研究其坑角效应,得出以下结论。

1) 基坑首次开挖时,围护桩的变形呈“悬臂型”,随着基坑的开挖和支护,桩体最大位移向下移动,逐渐演变为两端较小、中间较大的形态,呈现出“内凸形”。

2) 对于深基坑围护结构的侧向变形,可以看到明显的空间效应,观察1号和2号围护桩的位移曲线,可以发现越靠近坑角的围护桩,其最大侧向位移越小,最大侧向位移发生在基坑中部处。

3) 基坑初步开挖20 m范围内坑角效应最明显,且挖深越大,其影响范围越小,从50 m(2.3H)到45 m(2H),总体来说变化范围不大。故可以在开挖深度范围内减少支护强度,保护基坑稳定的同时节约工程成本。

4) 围护桩后土体沉降,其在横向上的坑角影响范围与围护桩的坑角影响范围基本一致,为2H,主要影响区为0～1.5H;纵向上的坑角影响范围为1.5H,主要影响区为1.4H。