內(nèi)支撐設(shè)計(jì)對(duì)海相軟土地層鋼板樁支護(hù)體系水平變形的影響研究*

朱俊樸

(中山翠亨新區(qū)工程項(xiàng)目建設(shè)事務(wù)中心，廣東 中山 528400)

0 引言

綜合管廊將電力、通信、熱力、給水等工程管線集于一體，在復(fù)雜地層條件下開展管廊建設(shè)逐漸成為常態(tài)。在此背景下，研究海相軟土地層下管廊基坑的變形特性及變形控制技術(shù)，對(duì)管廊建設(shè)意義重大。

目前，大量學(xué)者研究不同地層下基坑開挖對(duì)臨近隧道、地鐵、地下結(jié)構(gòu)等建(構(gòu))筑物的影響問題，并分析在不同力學(xué)參數(shù)和不同支護(hù)措施下，基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響[1-5]。近年來(lái)，為保障濱海軟土地區(qū)綜合管廊基坑的穩(wěn)定性和安全，部分學(xué)者也進(jìn)行了研究。劉悅強(qiáng)[6]以廣東佛山地區(qū)某工程為背景，對(duì)高地下水位和深厚軟土地層的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和方案優(yōu)化。王峰等[7]通過基坑穩(wěn)定性計(jì)算公式及深基坑計(jì)算軟件，結(jié)合軟土黏聚力、內(nèi)摩擦角和重度參數(shù)，開展基坑穩(wěn)定性參數(shù)敏感性分析。袁久彬[8]運(yùn)用MIDAS-GTS，結(jié)合寧波市江東區(qū)某富水軟土深基坑工程，研究基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開挖施工方案，分析各種情況對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。在鋼板樁支護(hù)方面，周秋月等[9]結(jié)合南京市某綜合管廊工程，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析鋼板樁-鋼支撐體系在綜合管廊基坑中的支護(hù)效果。張玉成等[10]利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和ANSYS，研究分析雙排樁鋼板樁圍堰的受力特點(diǎn)和計(jì)算方法。張江濤等[11]采用PLAXIS 2D分析基坑開挖過程中，鋼板樁支護(hù)體系的土壓力、鋼板樁水平位移、鋼板樁彎矩、基坑周邊地表沉降及支撐軸力等，并指出最后的開挖步為綜合管廊基坑開挖的關(guān)鍵和最危險(xiǎn)步。

雖然鋼板樁在管廊基坑中應(yīng)用廣泛，但缺乏對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算理論、作用機(jī)理、支護(hù)效果影響因素的研究。此外，在鋼板樁支護(hù)體系中，內(nèi)支撐設(shè)置形式直接影響工程造價(jià)與投資。為系統(tǒng)探究海相地層中內(nèi)支撐設(shè)計(jì)對(duì)鋼板樁支護(hù)體系的影響，以中山市翠亨新區(qū)起步區(qū)某管廊基坑為研究對(duì)象，采用MIDAS GTS NX模擬基坑開挖、鋼板樁支撐布置等施工工況。通過計(jì)算分析，研究討論綜合管廊施工過程中支護(hù)體系的響應(yīng)。

1 工程背景及巖土參數(shù)

1.1 工程概況

本文涉及綜合管廊為中山市翠亨新區(qū)某項(xiàng)目的一部分，項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地原始地貌屬珠江口伶仃洋西部的淺海灣，富含淤泥土。建設(shè)路線位于翠亨新區(qū)圍海吹填造島區(qū)域，陸域形成于20世紀(jì)90年代，時(shí)間較短，軟土分布深厚，工程地質(zhì)條件較差。

綜合管廊基坑采用18SP-Ⅳ拉森鋼板樁加2道鋼管內(nèi)支撐支護(hù)，其中鋼管內(nèi)支撐均采用φ609mm×14mm鋼管。寧?kù)o路綜合管廊基坑開挖深度平均為7m，開挖寬度為5.6m。為保證內(nèi)支撐穩(wěn)定，鋼管內(nèi)支撐施工前，在支撐位置底部連接三角架與腰梁形成鋼板樁支護(hù)體系，保證鋼管內(nèi)支撐穩(wěn)定。為保證計(jì)算效率，對(duì)基坑進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，基坑截面如圖1所示。

圖1 基本支護(hù)結(jié)構(gòu)與地層

1.2 工程地質(zhì)條件

1)素填土 由黏性土、少量碎石和塊石組成，粒徑為0.5～5cm，含量約30%，呈次棱角狀，碎塊石成分以素混凝土、花崗巖為主。

2)淤泥質(zhì)土 為灰色～灰黑色，流塑狀，主要由黏土礦物組成，有機(jī)質(zhì)含量一般，局部有少量貝殼碎屑及腐殖物，具腥臭味，均勻性尚可，局部可相變?yōu)橛倌嗉坝倌噘|(zhì)黏土。韌性及干強(qiáng)度低，切面稍具光澤，無(wú)搖振反應(yīng)。全場(chǎng)分布，厚1.40～34.80m。

3)砂質(zhì)黏性土 為中細(xì)?；◢弾r原地風(fēng)化殘留產(chǎn)物，以褐黃色為主，濕～飽和，可塑，局部軟塑或硬塑，主要由長(zhǎng)石風(fēng)化的黏粉粒、石英顆粒及暗色礦物組成，以黏性土為主，中細(xì)砂含量約10%，該層遇水易崩解軟化。局部分布，厚0.90～14.90m。

4)全風(fēng)化花崗巖 主要顏色為灰白和褐黃，巖樣礦物結(jié)構(gòu)為破壞狀態(tài)，具有清晰的花崗巖結(jié)構(gòu)，主要為長(zhǎng)石、石英、云母及少量暗色礦物。該層中的長(zhǎng)石、云母等易風(fēng)化礦物風(fēng)化程度高，接近土狀，巖芯呈可塑～硬塑狀。該層巖體十分軟弱，裂隙發(fā)育導(dǎo)致巖體破碎程度極高，遇水易軟化崩解，局部分布，厚0.70～7.10m。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值模擬軟件

MIDAS GTS通過可視化、可交互的幾何模型進(jìn)行構(gòu)建、網(wǎng)格劃分等操作，可在軟件內(nèi)部對(duì)高復(fù)雜度的工程問題進(jìn)行建模分析，并對(duì)不同工況、不同荷載條件下的巖土工程進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力分析、施工動(dòng)態(tài)分析。該軟件在巖土材料模型方面，尤其是本構(gòu)模型的設(shè)定上，具有莫爾-庫(kù)侖、虎克布朗等幾十種模型，還可以通過用戶自定義本構(gòu)模型，提升巖土材料模擬的靈活度和適用性。

2.2 典型斷面

該項(xiàng)目典型斷面選用鋼板樁和內(nèi)支撐支護(hù)，基坑開挖前，先施工PHC管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，待鋼板支護(hù)樁施工完畢后，開挖綜合管廊基坑軟土，開挖至第1道支撐底0.6m，施工鋼冠梁及第1道鋼管內(nèi)支撐；開挖至第2道支撐底0.6m，施工腰梁及第2道鋼管內(nèi)支撐。開挖到基底埋深后，在基底施工底部樁并澆筑封底混凝土。

2.3 數(shù)值模型

因綜合管廊整體較長(zhǎng)，一般采用分段施工的方式。因此，在數(shù)值計(jì)算中，結(jié)合圖1所示的典型斷面，根據(jù)施工分段情況，構(gòu)建施工段內(nèi)的綜合管廊基坑數(shù)值模型，并在模型垂直于內(nèi)支撐的兩端按照基坑端部進(jìn)行處理，進(jìn)而將施工段模型構(gòu)建為長(zhǎng)條形基坑。根據(jù)工程情況簡(jiǎn)化基坑后，本文模型相關(guān)地層巖土參數(shù)如表1所示。計(jì)算過程中，施工段內(nèi)基坑規(guī)模為50m×5.6m×7m，考慮到降低邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的不利影響，將沿長(zhǎng)、寬、深方向擴(kuò)展一定規(guī)模，計(jì)算模型整體尺寸為x向150m，y向65m，z向20m。

表1 巖土參數(shù)

根據(jù)典型斷面、單個(gè)施工段內(nèi)基坑規(guī)模、地層情況等，結(jié)合施工圖，構(gòu)建如圖2所示的鋼板樁-內(nèi)支撐體系基坑數(shù)值模型。圖2中，鋼板樁采用板單元進(jìn)行模擬，內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。完成網(wǎng)格劃分后，模型內(nèi)總自由度為73 357，涉及24 456個(gè)節(jié)點(diǎn)，共21 833個(gè)單元。模型中x軸向?yàn)榫C合管廊施工前進(jìn)方向，因僅選取部分綜合管廊進(jìn)行建模，未考慮x向支撐，x軸向基坑邊界為虛擬邊界。為降低模擬難度，提升模擬效率并保證模型收斂性，鋼板樁與地層、鋼板樁與內(nèi)支撐間的連接及接觸等采用共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行模擬，即接觸位置不同的結(jié)節(jié)或地層，采用不同的材料屬性并劃分不同網(wǎng)格，但這些網(wǎng)格在接觸、連接處共用節(jié)點(diǎn)。

圖2 基坑有限元網(wǎng)格及內(nèi)支撐細(xì)部模型

施工步驟如下：①平衡地應(yīng)力并施工完成所有鋼板樁；②開挖首層土體；③施工第1道內(nèi)支撐；④開挖第2層土體；⑤施工第2道內(nèi)支撐，澆筑封底混凝土。采用MIDAS GTS內(nèi)置的施工階段分析方法，按照上述施工步依次進(jìn)行模擬，巖土地層采用莫爾-庫(kù)侖模型。在基坑豎直方向-0.6，-4.1m處共設(shè)2道鋼管內(nèi)支撐。除巖土地層涉及的計(jì)算參數(shù)外，還需對(duì)鋼板樁、鋼管內(nèi)支撐等定義材料模型，相關(guān)模型參數(shù)參考GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼板樁和內(nèi)支撐等材料參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)基本屬性

3 基坑支護(hù)布置敏感性分析

在此支護(hù)體系中，鋼板支護(hù)樁和鋼管內(nèi)支撐構(gòu)成整個(gè)支護(hù)體系，對(duì)減小基坑側(cè)向變形、保證基坑安全起關(guān)鍵作用。為探究該體系的影響因素，根據(jù)工程情況，采用控制變量法構(gòu)建數(shù)值模型，分析采用不同參數(shù)時(shí)的基坑變形情況。

3.1 鋼管支撐布置間距

當(dāng)鋼管支撐布置間距為3，4，5，6m時(shí)模擬基坑開挖，對(duì)比觀察支護(hù)樁的水平位移，采用不同內(nèi)支撐間距時(shí)，開挖到-3.5，-7.0m時(shí)得到的最大水平變形量及變化率如表3所示，變形量分布如圖3所示。由表3可知，間距從3m逐步改變到6m過程中，當(dāng)基坑開挖至-3.5m時(shí)，基坑內(nèi)壁水平變形量相比上一級(jí)減小幅度為33.47%，25.08%，20.05%。當(dāng)基坑開挖至-7.0m處，基坑內(nèi)壁水平變形量減小幅度為33.41%，25.04%，19.96%。在鋼管支撐布置間距由3m變?yōu)?m過程中，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移變化率最大，減少約33%，此后逐級(jí)遞減。由此可見，鋼管支撐布置間距參數(shù)變化對(duì)基坑側(cè)向變形有一定影響。結(jié)合工程設(shè)計(jì)結(jié)果，鋼管布置間距為4m，該綜合管廊安全等級(jí)為二級(jí)，滿足基坑側(cè)向變形不允許超過15mm的規(guī)定，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與工程相符(實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖至-3.5m處最大水平位移為6.26mm，基坑開挖至-7.0m處最大水平位移為11.24mm)，且具有一定安全儲(chǔ)備。

表3 不同內(nèi)支撐間距時(shí)的基坑最大水平變形量及變化率

圖3 采用不同內(nèi)支撐間距的基坑最大水平位移

3.2 內(nèi)支撐鋼管剛度

在內(nèi)支撐限制下，鋼板樁支護(hù)體系變形在內(nèi)支撐位置受到約束，故內(nèi)支撐的存在可以有效限制鋼板樁和樁后地層的水平變形。

大量工程經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)理論均表明，內(nèi)支撐剛度對(duì)鋼板樁-內(nèi)支撐的總體穩(wěn)定性和變形具有重要影響，因此需要研究?jī)?nèi)支撐剛度變化下，鋼板樁支護(hù)體系水平變形情況。施工時(shí)，內(nèi)支撐截面形式和尺寸較標(biāo)準(zhǔn)化，故通過變更材料強(qiáng)度等級(jí)實(shí)現(xiàn)鋼支撐剛度變化。本文采用的材料強(qiáng)度等級(jí)包括Q195，Q235a，Q235b，Q355。當(dāng)變換內(nèi)支撐材料強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，通過模擬基坑開挖及內(nèi)支撐施工過程，可獲得不同位置在不同開挖步下的鋼板樁水平變形情況，如圖4所示，對(duì)應(yīng)的開挖引起水平位移如表4所示。

表4 不同內(nèi)支撐剛度設(shè)計(jì)值下的基坑最大水平變形量及變化率

圖4 采用不同強(qiáng)度內(nèi)支撐的基坑最大水平位移

從圖4可知，隨著內(nèi)支撐鋼管剛度不斷增加，基坑內(nèi)壁水平變形逐漸減小。開挖過程中，基坑內(nèi)壁鋼板樁的水平變形隨開挖深度增加而增加，與基坑開挖應(yīng)力釋放引起的支護(hù)變形規(guī)律一致。因?yàn)閮?nèi)支撐剛度增加，相應(yīng)位置處鋼板樁抵抗變形的能力加強(qiáng)，從而強(qiáng)化對(duì)鋼板樁水平變形的約束。因此，在沒有水平約束的基坑底部附近，將產(chǎn)生較大的基坑側(cè)向變形。當(dāng)鋼管內(nèi)支撐選用的材料為Q195時(shí)，基坑內(nèi)壁出現(xiàn)的最大水平位移為17.27mm。由表4可知，相比Q195，當(dāng)鋼管內(nèi)支撐材料強(qiáng)化后，基坑開挖至-7.0m處，基坑內(nèi)壁水平變形減小幅度依次為17.02%，20.41%，45.07%。當(dāng)基坑開挖至-3.5m處，基坑內(nèi)壁水平變形減小幅度依次為14.03%，16.22%，30.98%。從以上變化幅度可以看出，鋼管剛度增加，基坑內(nèi)壁變形逐步減小。實(shí)際過程中，不能為增加內(nèi)支撐的剛度而無(wú)限提升材料強(qiáng)度，需考慮工程經(jīng)濟(jì)性，使資源得到更有效利用。

4 結(jié)語(yǔ)

1)鋼管內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)布置間距減小，能有效控制基坑側(cè)壁的水平位移，對(duì)控制基坑及周邊地層變形影響較大。

2)增加內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度時(shí)，能顯著減小地層變形值，從Q195到Q355每增加1次支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)地層水平位移約束具有較大影響，但增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度會(huì)大幅度增加工程造價(jià)，不利于控制建設(shè)投資。

3)基坑水平位移最大值均出現(xiàn)在開挖面，隨著基坑開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置，離開挖面較遠(yuǎn)處的支護(hù)結(jié)構(gòu)與鋼板樁形成整體支護(hù)體系，對(duì)基坑側(cè)壁水平位移形成較大約束。因此基坑開挖時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注開挖面附近10～15m處的變形情況，必要時(shí)可適當(dāng)調(diào)整內(nèi)支撐支護(hù)間距。