非平衡堆载下基坑支护结构位移及内力分析*

徐宏增,杨开放,陈方民,孔跃跃,徐长节,5,丁 智

(1.宏润建设集团股份有限公司,上海 200235; 2.浙江大学平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310058; 3.杭州市钱江新城建设开发有限公司,浙江 杭州 310020; 4.中铁十四局集团第四工程有限公司,山东 济南 250002; 5.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室,江西 南昌 330013; 6. 浙大城市学院工程学院,浙江 杭州 310015)

0 引言

目前,基坑工程仍是地下空间研究的热点问题之一。由于基坑工程场地的限制,导致建筑材料及土体常堆积在坑周附近,所以基坑堆载现象越来越普遍。因基坑两侧堆载的荷载不同,两侧支护结构承受不同的应力分布,进而产生多余的变形和内力,有无堆载对基坑的变形与受力有很大区别。

常规的基坑设计主要是针对两侧无堆载情况下的平衡基坑工程,并且相关学者也做了大量关于无堆载基坑工程的研究[1-3],而关于非平衡堆载下的基坑工程研究比较匮乏。徐长节等[4-5]通过解析解和有限元软件研究两侧开挖深度不同的非对称基坑,并得出不同挖深差下基坑变形及围护结构的设计参数。吴剑锋[6]和蔡袁强等[7]通过有限元软件研究了不同开挖深度下的支护结构内力和变形,提出在基坑设计中需要考虑由于不同挖深产生的支护结构位移和内力,并对基坑支护结构设计进行了优化研究。金亚兵等[8]归纳总结非对称荷载的5种典型类型,提出了非对称荷载条件下深基坑支护结构设计计算方法。石钰锋等[9]和路小军等[10]以地铁基坑为背景,分别用实测数据和有限元软件分析了偏压基坑的支护结构内力和变形,并归纳了非对称超载条件下内力和变形的分布规律。

综上所述,关于无堆载基坑开挖引起支护结构内力及变形的研究较多,而关于非平衡堆载下基坑工程的变形研究较少。本文以杭州市两侧非平衡堆载的管廊基坑为背景,通过有限元软件建立数值模型,并分析不同堆载高度下基坑开挖引起支护结构的内力和变形,文中得到的方法和结论可为类似工程提供参考。

1 工程概况

杭州市钱江新城沿江大道综合管廊基坑呈长条形,基坑开挖长度为980.0 m,开挖宽度为6.9 m,开挖深度达到6.35 m。如图1所示,由于基坑开挖施工受两侧土体分布的影响,只平整了基坑一侧的土体,而对另一侧土体则采用了放坡支护形式,因此基坑两侧的堆土产生了1.0～3.0 m的高差,导致该基坑两侧处于非平衡堆载状态。本基坑支护结构采用SMW工法桩加内支撑的形式,其中采用直径850 mm、间距600 mm的SMW工法桩,设计长度为14.5 m,内支撑采用钢筋混凝土支撑和钢支撑,第1道钢筋混凝土支撑的截面尺寸是1.2 m×0.8 m,第2道支撑采用φ609钢管支撑,典型支护结构剖面如图2所示。

图1 基坑现场Fig.1 Field of foundation excavation

图2 典型支护结构剖面Fig.2 Profile of retaining structure of foundation excavation

2 数值模型建立

2.1 土体本构模型选取

岩土工程实践表明,土体在破坏前实际上在荷载作用下处于小应变状态。小应变土体硬化模型(hardening soil model with small-strain stiffness,简称HSS模型)具有土体的剪切模量随应变增大而减小的特点,并能体现出软黏土的压硬性和剪胀性,可以区分土体的加卸载刚度[11-12],因此数值模型的土体使用HSS本构模型,土体参数取值如表1所示。

表1 模型土体参数Table 1 The paremeters of soil model

2.2 边界条件

由于该管廊基坑具有狭长形的特点,基坑长度远大于宽度,因此采用有限元软件PLAXIS建立二维平面应变的数值模型。根据前人研究经验[13-14],模型水平方向上取基坑开挖深度的4倍,竖直方向上取基坑开挖深度的3倍,如图3所示。同时模型的边界条件为下表面全部约束,侧面只约束法向位移,顶部为自由面。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3 模型参数选取

基坑工程中的堆载土体是由于场地未全部进行平整而遗留下的土体,该部分堆载土体和填土具有相同的参数。在PLAXIS中使用板单元来模拟SMW工法桩,通过增加界面单元实现桩与土之间的相互作用,SMW工法桩的模型参数以设计参数为依据;基坑支护结构中的混凝土支撑和钢支撑用点对点锚杆进行模拟;采用板单元来模拟护坡喷浆,各支护结构参数取值如表2所示。

表2 各支护结构参数Table 2 Parameters of retaining structure

2.4 开挖工况

根据现场工况,有限元模拟具体步骤为:①建立场地及基坑模型;②初始平衡地应力,重置初始地应力产生的位移为0;③激活基坑支护结构。具体基坑开挖的关键工况如表3所示。

表3 开挖阶段关键工况Table 3 Key construction stages

2.5 模型验证

如图4所示,在基坑施工过程中,通过对比分析支护桩水平位移的监测值与有限元模型的计算值,无论是无堆载的左侧还是有堆载的右侧,计算值与监测值的变化规律基本吻合,支护桩的最大水平位移几乎一致且均在基坑坑底附近,验证了该有限元模型的正确性与准确性。在本模型中,未能考虑局部支护结构的加固作用,所以支护桩的计算值会偏大。

图4 桩体水平位移计算值与实测值比较Fig.4 Comparison of calculated and measured value of horizontal displacement of pile

3 计算结果分析

为研究由土体堆载高度引起基坑支护结构的位移和内力变化规律,通过有限元软件建立6种不同的数值模型,左侧土体始终处于无堆载状态,而右侧土体堆载高度分别为0,0.5,1.0,1.5,2.0 m和3.0 m。

3.1 支撑水平位移分析

如图5a所示,基坑处于工况2阶段,当基坑两侧无堆载时(堆载高度0 m),第1道支撑向坑内产生位移且两侧水平位移值相同;当右侧堆载高度增加到3.0 m时,第1道支撑左侧的位移逐渐减小并转为向坑外位移,位移值从0.7 mm减小至-1.6 mm,变化量为328.6%,第1道支撑右侧的位移向坑内运动的趋势更为显著且增加速率较快,位移值由0.7 mm增加至4.9 mm,增加了600.0%。

图5 支撑的水平位移变化Fig.5 Horizontal displacement of support

如图5b所示,当基坑开挖深度增加到6.35 m时(工况3阶段),当基坑右侧堆载高度增加时,第1道支撑左右两侧位移变化规律和第2道支撑相同,但第2道支撑的右侧位移大于第1道支撑的右侧位移。当基坑右侧堆载高度达到3.0 m时,第1道支撑左右两侧位移变化量分别为-484.3%和757.1%(位移变化量达到7倍以上);第2道支撑左右两侧位移变化量分别-72.0%和201.8%。

3.2 支撑轴力分析

如图6所示,无论是工况2还是工况3,支撑轴力都会随着堆载高度的增加而增加,这是由于堆载高度的增大,桩后主动土压力也会随之增加,支撑需要承受更多的轴力以抵抗主动土压力。当基坑处于工况3阶段时,同步架设了支护结构的第2道支撑,第1,2道支撑的轴力均随堆载高度的增加而增加,但第1道支撑轴力随基坑开挖深度的增加而减小,这是由于第2道支撑的施工架设,第1道支撑的轴力会重新分布并传递给第2道支撑,所以第1道支撑轴力增加速率变缓,而第2道支撑轴力的增加速率较快。因此近邻基坑存在堆载时,应当及时监测基坑支撑轴力的变化,防止支撑失效。

图6 支撑的轴力变化Fig.6 Axial force variation of support

3.3 桩体深层水平位移

从数值模型计算结果中,提取基坑左右两侧桩体在不同堆载高度下的计算数据,绘制桩体水平位移曲线如图7所示。由图7可知,基坑两侧支护桩的水平位移随着堆载高度的增加而增加,特别是桩顶位移变化较为明显,并且支护桩最大水平位移值始终处于基坑坑底-6.4 m附近。①基坑两侧无堆载时,两侧桩体位移变化趋势基本一致,呈对称分布;②当基坑右侧的堆载逐渐增加时,基坑右侧的支护桩需要承受更大的主动土压力,导致支护结构产生向左(坑内)的位移,基坑右侧支护桩内力和位移通过支撑传递给左侧的支护桩,因此左侧支护桩也会产生向左(坑外)的位移;③堆载高度越高时,左侧支护桩向坑外位移的趋势越明显。

图7 桩体深层水平位移变化Fig.7 Variation of horizontal displacement of pile

4 结语

以杭州市钱江新城沿江大道综合管廊非平衡堆载基坑为背景,建立相关有限元模型,分析了由非平衡堆载引起的支护结构内力和位移的变化,主要得到以下结论。

1)本文通过有限元软件建立非平衡堆载下基坑开挖的数值模型,现场实测数据充分验证数值模型的准确性,本模型所选取的参数可为相似工程提供借鉴。

2)基坑右侧存在非平衡堆载时,支撑的变形和受力会明显不同于平衡堆载时的情况,当非平衡堆载高度达到3.0 m时,支撑向坑内位移的增量达到7倍以上,并且第2道支撑承受的轴力显著增大。

3)当基坑处于非平衡堆载作用下,左右两侧支护桩的水平位移趋势相反,尤其要注意由堆载大小引起的右侧支护桩发生破坏的风险。

4)基坑监测单位应及时监测支撑的内力和位移,同时也要监测支护桩的水平位移,防止基坑支护结构因位移及内力的快速增长而失效。