基坑支护结构的综合选型及受力与变形特性

朱 琦， 李 帅， 魏东旭， 王贯国， 徐 毅， 郑国胜

(山东省交通规划设计院有限公司, 济南 250000)

随着高楼大厦不断地拔地而起,对基坑稳定性的要求也越来越高,而基坑支护是保证基坑稳定的最重要手段。随着中国基坑数量的不断上升,在实践中形成了比较丰富基坑支护的理论及技术方法。中外学者对各种基坑支护手段的特性进行了研究。张友春[1]、朱志华等[2]、杨生彬等[3]、吴伯建等[4]依托实体工程,结合当地特殊地形条件运用理论推导、现场监测手段对基坑周围水土压力进行计算并对比不同支护方案的优势,针对不同地质条件的不同工程需求提出最优的支护方案。苏永波等[5]、吴西臣等[6]、仇步云等[7]、白志华等[8]为合理选择支护施工方案,综合考虑决策者对施工工艺、经济性、工期及对周围环境的影响等不同要求,建立了深基坑支护评价目标体系,形成了较为满意的支护方案,并结合实际案例对该方法进行了说明。Zeng等[9]、Ding等[10]结合地铁深基坑工程,对深基坑的变形和应力特性、深层水平墙位移、支护轴力和地表变形进行了测量和比较。近年来,众多学者利用的数值模拟方法对不同的基坑工程进行研究。彭社琴[11]、王松等[12]、吴志超等[13]应用有限差分析软件FLAC3D并和现场监测结果对比,研究了支护边坡墙体力学与位移特点、支护形式选优准则。朱翔[14]、闫爱田[15]运用数值模拟软件ANSYS结合理论研究支撑结构和围护结构可能产生的变形与破坏形式展开了有效的分析。涂芬芬[16]、李莹[17]应用Midas GTS计算了某基坑分步开挖不同施工过程的受力特性,得到了不同状态下深基坑支护结构的变形特征与规律。

中外学者在基坑支护上的研究已有大量成果,然而却对基坑支护方案的选择方法,深基坑内、外土体及构筑物受力与变形特征研究则相对较少,理论体系也并不完善。为此,以京沪高速改扩建工程3#钢筋加工场基坑支护工程为依托,采用多目标层次分析与模糊综合评判的方法优选出比较合理的支护方案,并依据该方案对基坑施工过程进行现场监测、数值模拟分析。研究了基坑表面及构筑物的位移规律,可为类似工程提供指导。

1 工程概况

1.1 基坑设计概况

京沪高速公路于1993年全线贯通,其中山东省莱芜至临沂段原设计方案为双向四车道,后依托原路线进行改扩建。现需要为3#钢筋加工厂的深基坑进行支护方案选择及施工,厂区占地30万m2,建筑高度约20 m,建筑工程类别为Ⅰ类。基坑内净尺寸为16.5 m×16.1 m,基坑周长约65.2 m,坑深为11.1 m。基坑安全等级为二级。在水压基坑四周16 500 mm×16 100 mm的净范围内进行地坑支护设计并施工,同时绝对保证基坑施工期间不渗水、不漏水。

1.2 工程地质条件

工程各土层物理参数如表1所示。

表1 各土层物理参数

1.3 基坑支护设计方案初选

1.3.1 基坑支护常用结构

现阶段中国常用的支护手段有钢板桩、排桩、地下连续墙、土钉墙、锚杆支护组合式挡墙等。深基坑支护按作用机理可分成支护型、加固型两种类型。支护型结构主要有地下连续墙、桩墙、排桩等；加固型结构主要有树根桩、水泥搅拌桩、旋喷桩和注浆等。在实际工程中,通常将上述两种支护方法结合应用。

1.3.2 基坑初步支护方案

工程中,防水是首要考虑的指标。故根据各支护形式的适用范围及其特点,提出3个支护方案。

方案1：钻孔桩+钢筋混凝土内支撑+搅拌桩防渗幕墙。

方案2：上部1∶1放坡(高度2.5 m)+土钉支护,下部咬合桩+钢筋混凝土内支撑。

方案3：地下连续墙。

2 基坑支护方案选型分析

2.1 基于层次分析法(AHP)的模糊评判法

为选择最优的支护形式方案,采用多目标层次分析和模糊综合评判法。首先通过层次分析构建目标层次模型,以此寻找目标的最优解,然后通过模糊数学理论对各个目标打分,选取最高分的目标为最优方案。

2.1.1 层次分析法

层次分析结构即将所有影响目标的因素根据它们之间的联系,分解成目标层、方案层和指标层。层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)的步骤如图1所示。随后通过表2所示的1～9标度法对各个影响因素打分后形成判断矩阵。判断矩阵如表3所示,表3是由大量工程实例取得的相关因素间的重要性排序。

图1 AHP的步骤

表2 1～9标度法

表3 判断矩阵A

在表3中,A为判断矩阵,Bi为向量B的第i个元素,B=AW；W为权重；n为矩阵阶数。根据最大特征根法将层次排序。通过式(1)、式(2)计算各指标权重。

(1)

(2)

(3)

式中：Mi为判断矩阵各行元素的乘积；λmax为最大特征根。根据式(4)进行一次性检验,若不满足,则需重新校核。其中一致性检验指标RI的取值如表4所示,CI为单位一致性检验指标。

(4)

CR=CI/RI<0.1，n≥3

(5)

表4 RI的取值

最后总排序一致性检验,假设上一层次有m个因素B1,B2,…,Bm,加权后为b1,b2,…,bm；下一层次有n个因素C1,C2,…,Cm,加权后为C1j,C2j,…,Cnj(k=1,2,…,n)(当Ck与Bj无关联时,Ckj=0),其中k为检验指标次序；C层元素对最高层的层次总排序权值即为前两个层次的乘积值。其中一致性检验按照式(6)。其中CR<0.1作为一致性检验的标准,如果不符合,则需重新调整直至通过为止。

(6)

2.1.2 模糊综合性评判

建立各因素的权重集合,bm是元素m对目标的影响相对于其他因素的重要程度。它应满足归一化条件,由式(7)求出模糊集b。

b={b1,b2,…,bm}=aR

(7)

设评价主因素集和评语集同上不变,单因素的评判结果由各评判结果排列为

(8)

由向量a={a1,a2,…,an}作二级模糊变换,然后将结果做归一化处理。

如果评语集的等级矩阵量化值为c={c1,c2,…,cm},则此方案的综合评价值为W=bcT。所有方案中评价值最高的方案即为最优方案。

2.2 分析过程

2.2.1 评价综合指标体系的选取及权重的计算

此次选型首先以确定最优基坑支护方案为目的,以此构建目标层A,然后分别选取U1、U2、U3、U44个指标因素,分别代表安全、经济、环境、施工,作为准则层B,最后按照每个指标中影响此指标的权重,将细化为指标层C。评价指标体系如图2所示。

根据式(1)～式(6)、表2～表4计算指标影响因素权重a,结果如下。

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)。

图2 深基坑支护工程方案评价指标体系

2.2.2 方案选优

以方案1钻孔桩+钢筋混凝土内支撑+搅拌桩防渗幕墙为例。据表5方案1的模糊评判矩阵,采用加权平均型算子,计算如下。

表5 方案1模糊评判表

据表5列出方案1因素的模糊评判矩阵，各因素U1、U2、U3的模糊评判矩阵R′1、R′2、R′3分别为

得单因素评判结果矩阵R为

同理可得方案2(上部1∶1放坡+土钉支护,下部咬合桩+钢筋混凝土内支撑)的综合评分值Q2为1.88。方案3(地下连续墙)的综合平均值Q3为1.53。

2.3 结果分析

对比结果Q2>Q1>Q3,Q2最大,最终选定方案2为本次基坑工程的最优解,即选定部1∶1放坡+土钉支护,下部咬合桩+钢筋混凝土内支撑。

3 基坑支护数值模拟分析

3.1 模型建立

为探明上文施工方案对基坑的影响,用Midas-GTS建立有限元模型,分析上部1∶1放坡+土钉支护,下部咬合桩+钢筋混凝土内支撑方案对基坑的力学及变形影响。采用Mohr-Coulom准则,结构面采用二维接触模型——Goodman单元建立。根据现场情况,模型尺寸取58.8 m×57.8 m×35 m,整体模型和支护结构如图3所示。模型上部边界无约束,侧边施加水平约束,底部边界施加固定水平约束和竖直约束。施加的荷载为自重荷载和建筑物均布荷载。

图3 模型视图

根据地质勘查报告,模型中土层材料参数如表6所示。各支护构筑物参数如表7所示。

表6 模型材料参数

表7 支护体系模型物理力学参数

3.2 工况模拟

基坑开挖的施工过程表现出连续化和动态化,GTS-NX通过激活和钝化来模拟这一动态过程,通过激活和纯化不同的土体和结构,来定义施工阶段,数值模拟的具体工况如表8所示。

3.3 计算成果分析

3.3.1 坑外地表沉降分析

坑外地表沉降变化趋势随施工阶段变化如图4所示。图4中正值代表地表隆起,负值代表地表沉降。随着土体开挖和支护施工的进展,距基坑边坡2 m范围内的土体地表隆起量不断减小,且减小速率逐渐增大。距基坑边坡2～9 m范围内,土体地表沉降量不断增大。距基坑边坡9 m范围之外的土体沉降量基本不变。最终最大沉降量出现在距离基坑边坡5 m的位置,沉降量为5.2 mm,基坑较稳定。

表8 模型施工工况

图4 坑外土体地表位移

3.3.2 基坑边坡变形分析

为分析施工过程中边坡的变形规律和稳定性,在基坑有限元模型边坡坡顶、坡中、坡脚各布置一个测点,布点情况如图5所示。通过提取数值模型测点处的结果,得到各测点在不同工况下的表面位移,结果如图6所示。

图5 边坡变形监测点布置

图6 边坡变形结果

由图6可知,不同施工阶段中,坡脚的水平位移最大,坡顶水平位移最小,初始阶段,坡顶发生背离基坑方向的水平位移。随着边坡和基坑内部土体的开挖,边坡水平位移不断增大,增大速率坡顶最快,坡脚最慢,最终指向坑内的坡脚水平位移为18 mm,坡顶为12.1 mm,符合规范要求。发生上述现象的原因主要是由于放坡,坡顶所受的土压力小于坡腰和坡脚,所以水平位移最小、增大的速率最小。竖直位移方面,坡脚沉降最大,坡顶最小。并且在咬合桩施工之前,边坡各点沉降量都不断增大,咬合桩施工之后,沉降量逐渐减小,最终坡顶沉降为4.8 mm,坡中沉降为8 mm,坡脚沉降为11.4 mm。

边坡土体变形由坡顶向坡脚逐渐增强,所以在施工时应该对坡脚区域重点监测并加强支护。

3.3.3 咬合桩变形及力学特征分析

咬合桩是该工法的重点结构,为保障基坑工程开挖的安全性,需要通过数值模拟对其水平位移、轴力、弯矩等力学特性进行预分析。咬合桩X方向位移分布如图7所示。

图7 咬合桩X向变形随施工阶段的变化规律

由图7可看出,随着桩身埋设深度增加,水平变形逐步增加,速率降低。桩体刚刚灌注完成时,桩体存在0.1 mm量级的轻微位移,在开挖了第1层土后,桩体变形迅速增大,桩身呈抛物线形分布,最大位移为6 mm；在第2层土体开挖后,桩顶位移增大了约2.2 mm；第3层土体开挖后,桩顶位移增大了约3.5 mm。两次变形增量比值约等于第2层土和第3层土厚度的比值,因此土体位移增量与开挖土层厚度有关。施工完成后的咬合桩轴力和弯矩分布如图8所示。

图8 咬合桩桩身力学特征分布

由图8可知,咬合桩轴力主要为土压力,从桩顶到桩底线性增大。对应的轴应力分别是1.592 kPa、439.709 kPa。由于轴力和轴应力随桩深线性增大,可认为桩体轴力主要受其自重的影响。桩体弯矩对称,最大值发生在桩顶和桩底处,约为370 kPa、383 kPa,在桩体中点处,弯矩值约为0。各桩的弯矩与桩的位置有关,每条边中点附近的桩体弯矩值偏大。

4 现场监测

采用上部1∶1放坡+土钉支护,下部咬合桩+钢筋混凝土内支撑的施工方案。基坑开挖时,咬合桩原有的受力状态发生了改变,桩承受被动土压力,向基坑内侧产生位移。当设置支撑后,桩体在支撑点处的位移受到了较大的限制,大大约束了咬合桩的位移。为探明咬合桩的位移变形特征和分布规律,并与数值模拟结果进行对比分析,验证设计的准确性,进一步指导施工,因此有必要对基坑进行现场监测。

4.1 监测方案

监测内容包括坑外土体地表沉降、基坑边坡表面位移、咬合桩水平位移。地表沉降采用水准仪,精度为1 mm,坡面变形采用全站仪,精度为1 mm。基坑施工是一个动态的过程,因此在不同的施工阶段,其所对应的监测频率会有所不同。通常,在基坑刚刚进行开挖的时候,其监测频率较低；随着施工的进行,基坑开挖深度逐渐加大,此时监测频率应当相应提高；在基坑底板完成施工以后,如果监测数据的变化幅度和范围较小或其趋于稳定,则监测频率可适当降低。

4.2 监测结果分析

4.2.1 坑外地表沉降分析

选取16个地表沉降观测点,分别位于基坑的四周,每边布置4个测点,分别距基坑坑壁2、5、9、14 m,点位布置如图9所示。为了便于叙述和分析,表9给出了基坑施工各工况的施工内容,各施工步骤都用工况代替。

图9 坑外土体地表位移监测点布置

现场监测结果如图10所示。在S1测点处,前4个工况后,地表由于边坡开挖导致了四周土体应力释放发生隆起。随后地表开始沉降,最大值为5.8 mm,隆起量随着与边坡之间的距离增大而逐渐减小。在S2测点处,最大沉降量同样发生在开挖第3层基坑土体后,为5.65 mm。S3、S4测点规律相同,可推断出施工对基坑周围地表变形的影响范围在9 m以内。

4.2.2 基坑边坡变形分析

选取每个坡面坡顶、坡腰和坡脚3个监测点。以基坑南侧的坡顶AS1、坡腰AS2、坡脚AS3三个位置处的监测数据进行边坡水平和竖直位移分析,监测结果如图11所示。边坡各点的水平位移总体趋势相同,坡顶在开挖第1层结束前发生了背离基坑方向的位移,其余各点都发生朝向基坑内部的位移。坡顶和坡腰的水平位移随施工步骤的变化较大。竖向位移方面,各测点位置都发生隆起位移,趋势一致,随着施工进行而减少。

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

图10 坑外土体地表位移

图11 边坡位移监测结果

4.2.3 咬合桩水平位移分析

在基坑四周沿着基坑中轴线的咬合桩各布置3个测点。选取基坑北侧某桩进行桩体水平位移分析,监测结果如图12所示。

图12 桩身水平位移监测结果

从图12可知,随着施工的进行,桩身水平位移总体呈增大趋势。虽然桩体在水平方向发生了一定程度的位移,但和普通的单桩相比,咬合桩的水平变形明显较小。咬合桩的“咬合”作用,使得各桩形成整体,类似于地下连续墙结构,因此变形比普通的单桩要小。

4.3 监测数据与数值模拟对比分析

地表位移对比结果、边坡位移监测结果与数值模拟对比结果、桩身水平位移监测结果与数值模拟对比结果分别如图13、图14、图15所示。

图13 地表位移对比结果

图14 边坡AS2监测和数值模拟位移结果对比

图15 桩身水平位移监测和数值模拟结果对比

由图13、图14、图15可知,地表沉降、边坡位移、桩身位移的数值模拟与监测水平位移结果相差较小,且变化趋势基本一致,可较好地反映基坑开挖过程受力结构变形特征发展规律。地表沉降和边坡位移监测值略大于模拟值,其原因是施工过程中基坑内外受到了人为、车辆、施工机械和时空效应的影响。桩顶实际水平位移偏小,是因为咬合桩在实际施工过程中形成了整体结构,而数值分析中尚未能够模拟出这一过程,导致数值模拟结果偏大。总体来说,数值模拟的模型建立及参数选取合理。

5 结论

以京沪高速改扩建3#钢筋加工厂深基坑支护项目为依托,阐述了常用的基坑支护结构和方案设计,并通过模糊理论进行对比选型,随后采用现场监测和数值模拟的方法研究了基坑施工过程中的土体和支护结构力学变形特性,并进行对比分析研究得出以下主要结论。

(1)采用多目标层次分析和模糊综合评判方法进行基坑支护方案选型,建立多指标评价体系,通过综合评分值给出选型建议。最后提出基坑支护采用上部1∶1放坡+土钉支护,下部咬合桩+钢筋混凝土内支撑的方案。经数值模拟和现场监测结果验证,该选型方案合理、可靠。

(2)随着土体开挖和支护的进行,土体地表沉降随距基坑的距离程先减小后增大的趋势,最大沉降为5.2 mm,距基坑边坡5 m,坑外土体稳定。边坡变形值随着咬合桩的出现而降低,且最大变形值出现在坡脚,施工时应重点关注坡脚区域。

(3)咬合桩桩体最大位移位置随着开挖的进行逐渐下移,基本上处于基坑开挖面附近位置,两次竖直位移的增量比约等于相邻土层厚度的比值。咬合桩轴主要受自重影响,桩体弯矩对称,桩身弯矩与桩的位置有关,每条边中点附近的桩体弯矩值偏大。

(4)通过对京沪高速改扩建3#钢筋加工厂深基坑支护项目的现场监测,并将坑外土体地表沉降、基坑边坡表面变形、咬合扎桩桩身变形与有限元分析数据结果进行对比,建立了能较好反应实际工程的力学模型,该模型的建立以及参数的选取合理。