基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合選型及受力與變形特性

朱 琦， 李 帥， 魏東旭， 王貫國， 徐 毅， 鄭國勝

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 濟(jì)南 250000)

隨著高樓大廈不斷地拔地而起,對基坑穩(wěn)定性的要求也越來越高,而基坑支護(hù)是保證基坑穩(wěn)定的最重要手段。隨著中國基坑數(shù)量的不斷上升,在實(shí)踐中形成了比較豐富基坑支護(hù)的理論及技術(shù)方法。中外學(xué)者對各種基坑支護(hù)手段的特性進(jìn)行了研究。張友春[1]、朱志華等[2]、楊生彬等[3]、吳伯建等[4]依托實(shí)體工程,結(jié)合當(dāng)?shù)靥厥獾匦螚l件運(yùn)用理論推導(dǎo)、現(xiàn)場監(jiān)測手段對基坑周圍水土壓力進(jìn)行計(jì)算并對比不同支護(hù)方案的優(yōu)勢,針對不同地質(zhì)條件的不同工程需求提出最優(yōu)的支護(hù)方案。蘇永波等[5]、吳西臣等[6]、仇步云等[7]、白志華等[8]為合理選擇支護(hù)施工方案,綜合考慮決策者對施工工藝、經(jīng)濟(jì)性、工期及對周圍環(huán)境的影響等不同要求,建立了深基坑支護(hù)評價(jià)目標(biāo)體系,形成了較為滿意的支護(hù)方案,并結(jié)合實(shí)際案例對該方法進(jìn)行了說明。Zeng等[9]、Ding等[10]結(jié)合地鐵深基坑工程,對深基坑的變形和應(yīng)力特性、深層水平墻位移、支護(hù)軸力和地表變形進(jìn)行了測量和比較。近年來,眾多學(xué)者利用的數(shù)值模擬方法對不同的基坑工程進(jìn)行研究。彭社琴[11]、王松等[12]、吳志超等[13]應(yīng)用有限差分析軟件FLAC3D并和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比,研究了支護(hù)邊坡墻體力學(xué)與位移特點(diǎn)、支護(hù)形式選優(yōu)準(zhǔn)則。朱翔[14]、閆愛田[15]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ANSYS結(jié)合理論研究支撐結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形與破壞形式展開了有效的分析。涂芬芬[16]、李瑩[17]應(yīng)用Midas GTS計(jì)算了某基坑分步開挖不同施工過程的受力特性,得到了不同狀態(tài)下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征與規(guī)律。

中外學(xué)者在基坑支護(hù)上的研究已有大量成果,然而卻對基坑支護(hù)方案的選擇方法,深基坑內(nèi)、外土體及構(gòu)筑物受力與變形特征研究則相對較少,理論體系也并不完善。為此,以京滬高速改擴(kuò)建工程3#鋼筋加工場基坑支護(hù)工程為依托,采用多目標(biāo)層次分析與模糊綜合評判的方法優(yōu)選出比較合理的支護(hù)方案,并依據(jù)該方案對基坑施工過程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬分析。研究了基坑表面及構(gòu)筑物的位移規(guī)律,可為類似工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 基坑設(shè)計(jì)概況

京滬高速公路于1993年全線貫通,其中山東省萊蕪至臨沂段原設(shè)計(jì)方案為雙向四車道,后依托原路線進(jìn)行改擴(kuò)建。現(xiàn)需要為3#鋼筋加工廠的深基坑進(jìn)行支護(hù)方案選擇及施工,廠區(qū)占地30萬m2,建筑高度約20 m,建筑工程類別為Ⅰ類?；觾?nèi)凈尺寸為16.5 m×16.1 m,基坑周長約65.2 m,坑深為11.1 m。基坑安全等級為二級。在水壓基坑四周16 500 mm×16 100 mm的凈范圍內(nèi)進(jìn)行地坑支護(hù)設(shè)計(jì)并施工,同時(shí)絕對保證基坑施工期間不滲水、不漏水。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程各土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理參數(shù)

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案初選

1.3.1 基坑支護(hù)常用結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段中國常用的支護(hù)手段有鋼板樁、排樁、地下連續(xù)墻、土釘墻、錨桿支護(hù)組合式擋墻等。深基坑支護(hù)按作用機(jī)理可分成支護(hù)型、加固型兩種類型。支護(hù)型結(jié)構(gòu)主要有地下連續(xù)墻、樁墻、排樁等；加固型結(jié)構(gòu)主要有樹根樁、水泥攪拌樁、旋噴樁和注漿等。在實(shí)際工程中,通常將上述兩種支護(hù)方法結(jié)合應(yīng)用。

1.3.2 基坑初步支護(hù)方案

工程中,防水是首要考慮的指標(biāo)。故根據(jù)各支護(hù)形式的適用范圍及其特點(diǎn),提出3個(gè)支護(hù)方案。

方案1：鉆孔樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐+攪拌樁防滲幕墻。

方案2：上部1∶1放坡(高度2.5 m)+土釘支護(hù),下部咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

方案3：地下連續(xù)墻。

2 基坑支護(hù)方案選型分析

2.1 基于層次分析法(AHP)的模糊評判法

為選擇最優(yōu)的支護(hù)形式方案,采用多目標(biāo)層次分析和模糊綜合評判法。首先通過層次分析構(gòu)建目標(biāo)層次模型,以此尋找目標(biāo)的最優(yōu)解,然后通過模糊數(shù)學(xué)理論對各個(gè)目標(biāo)打分,選取最高分的目標(biāo)為最優(yōu)方案。

2.1.1 層次分析法

層次分析結(jié)構(gòu)即將所有影響目標(biāo)的因素根據(jù)它們之間的聯(lián)系,分解成目標(biāo)層、方案層和指標(biāo)層。層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)的步驟如圖1所示。隨后通過表2所示的1～9標(biāo)度法對各個(gè)影響因素打分后形成判斷矩陣。判斷矩陣如表3所示,表3是由大量工程實(shí)例取得的相關(guān)因素間的重要性排序。

圖1 AHP的步驟

表2 1～9標(biāo)度法

表3 判斷矩陣A

在表3中,A為判斷矩陣,Bi為向量B的第i個(gè)元素,B=AW；W為權(quán)重；n為矩陣階數(shù)。根據(jù)最大特征根法將層次排序。通過式(1)、式(2)計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

(1)

(2)

(3)

式中：Mi為判斷矩陣各行元素的乘積；λmax為最大特征根。根據(jù)式(4)進(jìn)行一次性檢驗(yàn),若不滿足,則需重新校核。其中一致性檢驗(yàn)指標(biāo)RI的取值如表4所示,CI為單位一致性檢驗(yàn)指標(biāo)。

(4)

CR=CI/RI<0.1，n≥3

(5)

表4 RI的取值

最后總排序一致性檢驗(yàn),假設(shè)上一層次有m個(gè)因素B1,B2,…,Bm,加權(quán)后為b1,b2,…,bm；下一層次有n個(gè)因素C1,C2,…,Cm,加權(quán)后為C1j,C2j,…,Cnj(k=1,2,…,n)(當(dāng)Ck與Bj無關(guān)聯(lián)時(shí),Ckj=0),其中k為檢驗(yàn)指標(biāo)次序；C層元素對最高層的層次總排序權(quán)值即為前兩個(gè)層次的乘積值。其中一致性檢驗(yàn)按照式(6)。其中CR<0.1作為一致性檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn),如果不符合,則需重新調(diào)整直至通過為止。

(6)

2.1.2 模糊綜合性評判

建立各因素的權(quán)重集合,bm是元素m對目標(biāo)的影響相對于其他因素的重要程度。它應(yīng)滿足歸一化條件,由式(7)求出模糊集b。

b={b1,b2,…,bm}=aR

(7)

設(shè)評價(jià)主因素集和評語集同上不變,單因素的評判結(jié)果由各評判結(jié)果排列為

(8)

由向量a={a1,a2,…,an}作二級模糊變換,然后將結(jié)果做歸一化處理。

如果評語集的等級矩陣量化值為c={c1,c2,…,cm},則此方案的綜合評價(jià)值為W=bcT。所有方案中評價(jià)值最高的方案即為最優(yōu)方案。

2.2 分析過程

2.2.1 評價(jià)綜合指標(biāo)體系的選取及權(quán)重的計(jì)算

此次選型首先以確定最優(yōu)基坑支護(hù)方案為目的,以此構(gòu)建目標(biāo)層A,然后分別選取U1、U2、U3、U44個(gè)指標(biāo)因素,分別代表安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、施工,作為準(zhǔn)則層B,最后按照每個(gè)指標(biāo)中影響此指標(biāo)的權(quán)重,將細(xì)化為指標(biāo)層C。評價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

根據(jù)式(1)～式(6)、表2～表4計(jì)算指標(biāo)影響因素權(quán)重a,結(jié)果如下。

a1=(0.251,0.114,0.07,0.041,0.041)，

a2=(0.158,0.104,0.032,0.016)，

a3=(0.023, 0.087,0.01)，

a=(0.517,0.31,0.12,0.053)。

圖2 深基坑支護(hù)工程方案評價(jià)指標(biāo)體系

2.2.2 方案選優(yōu)

以方案1鉆孔樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐+攪拌樁防滲幕墻為例。據(jù)表5方案1的模糊評判矩陣,采用加權(quán)平均型算子,計(jì)算如下。

表5 方案1模糊評判表

據(jù)表5列出方案1因素的模糊評判矩陣，各因素U1、U2、U3的模糊評判矩陣R′1、R′2、R′3分別為

得單因素評判結(jié)果矩陣R為

同理可得方案2(上部1∶1放坡+土釘支護(hù),下部咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐)的綜合評分值Q2為1.88。方案3(地下連續(xù)墻)的綜合平均值Q3為1.53。

2.3 結(jié)果分析

對比結(jié)果Q2>Q1>Q3,Q2最大,最終選定方案2為本次基坑工程的最優(yōu)解,即選定部1∶1放坡+土釘支護(hù),下部咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

3 基坑支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為探明上文施工方案對基坑的影響,用Midas-GTS建立有限元模型,分析上部1∶1放坡+土釘支護(hù),下部咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案對基坑的力學(xué)及變形影響。采用Mohr-Coulom準(zhǔn)則,結(jié)構(gòu)面采用二維接觸模型——Goodman單元建立。根據(jù)現(xiàn)場情況,模型尺寸取58.8 m×57.8 m×35 m,整體模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。模型上部邊界無約束,側(cè)邊施加水平約束,底部邊界施加固定水平約束和豎直約束。施加的荷載為自重荷載和建筑物均布荷載。

圖3 模型視圖

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,模型中土層材料參數(shù)如表6所示。各支護(hù)構(gòu)筑物參數(shù)如表7所示。

表6 模型材料參數(shù)

表7 支護(hù)體系模型物理力學(xué)參數(shù)

3.2 工況模擬

基坑開挖的施工過程表現(xiàn)出連續(xù)化和動(dòng)態(tài)化,GTS-NX通過激活和鈍化來模擬這一動(dòng)態(tài)過程,通過激活和純化不同的土體和結(jié)構(gòu),來定義施工階段,數(shù)值模擬的具體工況如表8所示。

3.3 計(jì)算成果分析

3.3.1 坑外地表沉降分析

坑外地表沉降變化趨勢隨施工階段變化如圖4所示。圖4中正值代表地表隆起,負(fù)值代表地表沉降。隨著土體開挖和支護(hù)施工的進(jìn)展,距基坑邊坡2 m范圍內(nèi)的土體地表隆起量不斷減小,且減小速率逐漸增大。距基坑邊坡2～9 m范圍內(nèi),土體地表沉降量不斷增大。距基坑邊坡9 m范圍之外的土體沉降量基本不變。最終最大沉降量出現(xiàn)在距離基坑邊坡5 m的位置,沉降量為5.2 mm,基坑較穩(wěn)定。

表8 模型施工工況

圖4 坑外土體地表位移

3.3.2 基坑邊坡變形分析

為分析施工過程中邊坡的變形規(guī)律和穩(wěn)定性,在基坑有限元模型邊坡坡頂、坡中、坡腳各布置一個(gè)測點(diǎn),布點(diǎn)情況如圖5所示。通過提取數(shù)值模型測點(diǎn)處的結(jié)果,得到各測點(diǎn)在不同工況下的表面位移,結(jié)果如圖6所示。

圖5 邊坡變形監(jiān)測點(diǎn)布置

圖6 邊坡變形結(jié)果

由圖6可知,不同施工階段中,坡腳的水平位移最大,坡頂水平位移最小,初始階段,坡頂發(fā)生背離基坑方向的水平位移。隨著邊坡和基坑內(nèi)部土體的開挖,邊坡水平位移不斷增大,增大速率坡頂最快,坡腳最慢,最終指向坑內(nèi)的坡腳水平位移為18 mm,坡頂為12.1 mm,符合規(guī)范要求。發(fā)生上述現(xiàn)象的原因主要是由于放坡,坡頂所受的土壓力小于坡腰和坡腳,所以水平位移最小、增大的速率最小。豎直位移方面,坡腳沉降最大,坡頂最小。并且在咬合樁施工之前,邊坡各點(diǎn)沉降量都不斷增大,咬合樁施工之后,沉降量逐漸減小,最終坡頂沉降為4.8 mm,坡中沉降為8 mm,坡腳沉降為11.4 mm。

邊坡土體變形由坡頂向坡腳逐漸增強(qiáng),所以在施工時(shí)應(yīng)該對坡腳區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)測并加強(qiáng)支護(hù)。

3.3.3 咬合樁變形及力學(xué)特征分析

咬合樁是該工法的重點(diǎn)結(jié)構(gòu),為保障基坑工程開挖的安全性,需要通過數(shù)值模擬對其水平位移、軸力、彎矩等力學(xué)特性進(jìn)行預(yù)分析。咬合樁X方向位移分布如圖7所示。

圖7 咬合樁X向變形隨施工階段的變化規(guī)律

由圖7可看出,隨著樁身埋設(shè)深度增加,水平變形逐步增加,速率降低。樁體剛剛灌注完成時(shí),樁體存在0.1 mm量級的輕微位移,在開挖了第1層土后,樁體變形迅速增大,樁身呈拋物線形分布,最大位移為6 mm；在第2層土體開挖后,樁頂位移增大了約2.2 mm；第3層土體開挖后,樁頂位移增大了約3.5 mm。兩次變形增量比值約等于第2層土和第3層土厚度的比值,因此土體位移增量與開挖土層厚度有關(guān)。施工完成后的咬合樁軸力和彎矩分布如圖8所示。

圖8 咬合樁樁身力學(xué)特征分布

由圖8可知,咬合樁軸力主要為土壓力,從樁頂?shù)綐兜拙€性增大。對應(yīng)的軸應(yīng)力分別是1.592 kPa、439.709 kPa。由于軸力和軸應(yīng)力隨樁深線性增大,可認(rèn)為樁體軸力主要受其自重的影響。樁體彎矩對稱,最大值發(fā)生在樁頂和樁底處,約為370 kPa、383 kPa,在樁體中點(diǎn)處,彎矩值約為0。各樁的彎矩與樁的位置有關(guān),每條邊中點(diǎn)附近的樁體彎矩值偏大。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

采用上部1∶1放坡+土釘支護(hù),下部咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的施工方案?；娱_挖時(shí),咬合樁原有的受力狀態(tài)發(fā)生了改變,樁承受被動(dòng)土壓力,向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生位移。當(dāng)設(shè)置支撐后,樁體在支撐點(diǎn)處的位移受到了較大的限制,大大約束了咬合樁的位移。為探明咬合樁的位移變形特征和分布規(guī)律,并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步指導(dǎo)施工,因此有必要對基坑進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。

4.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測內(nèi)容包括坑外土體地表沉降、基坑邊坡表面位移、咬合樁水平位移。地表沉降采用水準(zhǔn)儀,精度為1 mm,坡面變形采用全站儀,精度為1 mm。基坑施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,因此在不同的施工階段,其所對應(yīng)的監(jiān)測頻率會(huì)有所不同。通常,在基坑剛剛進(jìn)行開挖的時(shí)候,其監(jiān)測頻率較低；隨著施工的進(jìn)行,基坑開挖深度逐漸加大,此時(shí)監(jiān)測頻率應(yīng)當(dāng)相應(yīng)提高；在基坑底板完成施工以后,如果監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度和范圍較小或其趨于穩(wěn)定,則監(jiān)測頻率可適當(dāng)降低。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

4.2.1 坑外地表沉降分析

選取16個(gè)地表沉降觀測點(diǎn),分別位于基坑的四周,每邊布置4個(gè)測點(diǎn),分別距基坑坑壁2、5、9、14 m,點(diǎn)位布置如圖9所示。為了便于敘述和分析,表9給出了基坑施工各工況的施工內(nèi)容,各施工步驟都用工況代替。

圖9 坑外土體地表位移監(jiān)測點(diǎn)布置

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。在S1測點(diǎn)處,前4個(gè)工況后,地表由于邊坡開挖導(dǎo)致了四周土體應(yīng)力釋放發(fā)生隆起。隨后地表開始沉降,最大值為5.8 mm,隆起量隨著與邊坡之間的距離增大而逐漸減小。在S2測點(diǎn)處,最大沉降量同樣發(fā)生在開挖第3層基坑土體后,為5.65 mm。S3、S4測點(diǎn)規(guī)律相同,可推斷出施工對基坑周圍地表變形的影響范圍在9 m以內(nèi)。

4.2.2 基坑邊坡變形分析

選取每個(gè)坡面坡頂、坡腰和坡腳3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。以基坑南側(cè)的坡頂AS1、坡腰AS2、坡腳AS3三個(gè)位置處的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行邊坡水平和豎直位移分析,監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。邊坡各點(diǎn)的水平位移總體趨勢相同,坡頂在開挖第1層結(jié)束前發(fā)生了背離基坑方向的位移,其余各點(diǎn)都發(fā)生朝向基坑內(nèi)部的位移。坡頂和坡腰的水平位移隨施工步驟的變化較大。豎向位移方面,各測點(diǎn)位置都發(fā)生隆起位移,趨勢一致,隨著施工進(jìn)行而減少。

表9 基坑施工工況Fig.9 Foundation pit construction conditions

圖10 坑外土體地表位移

圖11 邊坡位移監(jiān)測結(jié)果

4.2.3 咬合樁水平位移分析

在基坑四周沿著基坑中軸線的咬合樁各布置3個(gè)測點(diǎn)。選取基坑北側(cè)某樁進(jìn)行樁體水平位移分析,監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。

圖12 樁身水平位移監(jiān)測結(jié)果

從圖12可知,隨著施工的進(jìn)行,樁身水平位移總體呈增大趨勢。雖然樁體在水平方向發(fā)生了一定程度的位移,但和普通的單樁相比,咬合樁的水平變形明顯較小。咬合樁的“咬合”作用,使得各樁形成整體,類似于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu),因此變形比普通的單樁要小。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析

地表位移對比結(jié)果、邊坡位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬對比結(jié)果、樁身水平位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬對比結(jié)果分別如圖13、圖14、圖15所示。

圖13 地表位移對比結(jié)果

圖14 邊坡AS2監(jiān)測和數(shù)值模擬位移結(jié)果對比

圖15 樁身水平位移監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果對比

由圖13、圖14、圖15可知,地表沉降、邊坡位移、樁身位移的數(shù)值模擬與監(jiān)測水平位移結(jié)果相差較小,且變化趨勢基本一致,可較好地反映基坑開挖過程受力結(jié)構(gòu)變形特征發(fā)展規(guī)律。地表沉降和邊坡位移監(jiān)測值略大于模擬值,其原因是施工過程中基坑內(nèi)外受到了人為、車輛、施工機(jī)械和時(shí)空效應(yīng)的影響。樁頂實(shí)際水平位移偏小,是因?yàn)橐Ш蠘对趯?shí)際施工過程中形成了整體結(jié)構(gòu),而數(shù)值分析中尚未能夠模擬出這一過程,導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果偏大?？傮w來說,數(shù)值模擬的模型建立及參數(shù)選取合理。

5 結(jié)論

以京滬高速改擴(kuò)建3#鋼筋加工廠深基坑支護(hù)項(xiàng)目為依托,闡述了常用的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和方案設(shè)計(jì),并通過模糊理論進(jìn)行對比選型,隨后采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法研究了基坑施工過程中的土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)變形特性,并進(jìn)行對比分析研究得出以下主要結(jié)論。

(1)采用多目標(biāo)層次分析和模糊綜合評判方法進(jìn)行基坑支護(hù)方案選型,建立多指標(biāo)評價(jià)體系,通過綜合評分值給出選型建議。最后提出基坑支護(hù)采用上部1∶1放坡+土釘支護(hù),下部咬合樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的方案。經(jīng)數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證,該選型方案合理、可靠。

(2)隨著土體開挖和支護(hù)的進(jìn)行,土體地表沉降隨距基坑的距離程先減小后增大的趨勢,最大沉降為5.2 mm,距基坑邊坡5 m,坑外土體穩(wěn)定。邊坡變形值隨著咬合樁的出現(xiàn)而降低,且最大變形值出現(xiàn)在坡腳,施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注坡腳區(qū)域。

(3)咬合樁樁體最大位移位置隨著開挖的進(jìn)行逐漸下移,基本上處于基坑開挖面附近位置,兩次豎直位移的增量比約等于相鄰?fù)翆雍穸鹊谋戎?。咬合樁軸主要受自重影響,樁體彎矩對稱,樁身彎矩與樁的位置有關(guān),每條邊中點(diǎn)附近的樁體彎矩值偏大。

(4)通過對京滬高速改擴(kuò)建3#鋼筋加工廠深基坑支護(hù)項(xiàng)目的現(xiàn)場監(jiān)測,并將坑外土體地表沉降、基坑邊坡表面變形、咬合扎樁樁身變形與有限元分析數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對比,建立了能較好反應(yīng)實(shí)際工程的力學(xué)模型,該模型的建立以及參數(shù)的選取合理。