复杂环境下多种组合支护深基坑的变形控制及响应研究

李海涛,任光明,沈国卓,范荣全,曾文慧,董 斌

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.国网四川省电力公司 经济技术研究院,成都 610041)

随着大规模城市地下建筑的开发,深基坑工程发展迅速[1-2],对于深大基坑支护,通常采用挡墙加支撑的组合支护结构,支撑系统可分为基坑外拉锚和基坑内支撑2种[3-4],并逐渐由传统的强度控制转变为变形控制。但基坑周围环境复杂多样,如何在复杂环境中使基坑开挖的变形问题得到控制将成为深基坑工程的难点之一。

为此,国内外学者进行了大量研究,并取得了一定成果。对于基坑环境变形问题,常用的位移有限元法、有限差分法、地层损失法和数值模拟方法均可对其进行定性与定量分析[5]。Wang J.H.等[6]、Tan Y.等[7]对上海地区多个地铁深基坑监测结果进行了分析,其结果表明,长宽比较大的长条形深基坑,空间效应不显著,并得出了墙体位移与地表沉降的一般规律;对于支护结构变形问题,曹雪山等[8]通过钢支撑轴力的有限元及监测数据研究,探明了支撑轴力与墙体位移的相关性规律,并指出预加轴力支撑不应少于2根;周勇等[9]通过建立改进的桩锚支护变形协调条件的静力平衡方程,总结了桩锚支护变形协调的普遍规律,证明了桩锚支护与土体共同作用理论的可行性;莫品强等[10]通过建立排桩挠曲线微分方程,研究了支护桩、冠梁和支撑的变形协调及空间尺寸效应;对于基坑变形控制问题,R.B.Peck等[11]通过对基坑土体变形的实时监测来反应基坑的动态变化。郑刚[12]通过研究基坑开挖各阶段的变形特征和对周围环境影响,提出针对基坑可能产生的变形进行全过程控制;刘维正等[13]利用三维软件对桩锚支护下的深基坑空间效应进行了分析,模拟了土体的弹性模量和粘聚力对基坑变形控制的影响。

鉴于深基坑开挖支护中的变形特点,同时为了客观分析复杂基坑环境中不同组合支护下深基坑的变形响应特征,定量评价其支护作用效果,在研究成都市区某变电站基坑工程特征和支护方案等基础上,结合监测资料,采用FLAC3D对2种组合支护下的深基坑开挖进行数值反演,讨论其开挖支护过程中的支护变形及综合作用效果,以期研究多种组合支护下的基坑变形控制特征,为类似工程提供参考。

1 工程概况

本工程为成都市区内深基坑变电站工程,基坑平面大小为62 m×42 m,开挖深度约为18 m,基础底板布置在地下约17.7 m处的地下室内,基坑开挖深度大,基坑安全等级为一级。

1.1 地质条件

图1 工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological profile

1.2 基坑支护方案

由于施工场地位于市区内,周边环境复杂,具有密集的现有结构以及不利的土壤条件,基坑处于不稳定状态;场地东、南两侧为市政道路,北侧距地下室边线7 m为地下人防工程,西侧为建站后的绿化用地,其周围建筑及市政道路均在基坑1倍开挖深度范围内,故开挖对周边环境影响较大。为了应对此复杂条件下的城市基坑工程,应采取有效的支护措施,以保证市政道路、相邻建筑物及施工的安全。

在满足基坑工程稳定性的前提下,同时应兼顾工程经济效益,因此桩锚支护是采用钻孔灌注桩结合预应力锚索的组合支护方案,并由冠梁与腰梁联结,主要通过桩身阻力和锚固段锚固力共同抵御土体的位移,具有施工技术简单、工程造价低、安全性高的特点,比较适合本工程。但因其锚索长度对基坑四周地下管线及环境有影响,而本工程北侧近地下人防工程,不适宜打锚索,故采取支承刚度大、易于控制变形的排桩内支撑组合支护,其不仅可以改善内力的传递,还可对基坑上层结构松散土体进行加固。其中排桩采用直径为1.5 m,桩间距为2.5 m的钻孔灌注桩;内支撑结构共由40根直径为609 mm、壁厚10 mm的钢管斜撑组成,弹性模量为30 GPa,泊松比为0.3;预应力锚索由4束直径为15.2 mm钢绞线和直径为25 mm注浆锚杆组成,弹性模量为300 GPa。基坑南侧由于距市政道路较近,故采取增加锚索施加角度及锚固段长度的方法,减少对道路的影响,施工时采用二次压力注浆进行锚固。并于基坑南侧顶部加设内支撑,组合支护结构的剖面及桩间支护示意如图2所示,不同支护结构的参数如表2、表3所示。

表1 土层基本物理力学参数Table 1 Basic physical and mechanical parameter of soil layers

图2 支护结构示意图Fig.2 Schematic diagram of supporting structure

表2 锚索参数Table 2 Parameter of prestressed anchorage

表3 内支撑参数Table 3 Parameter of inner support

2 深基坑变形监测方案与分析

由于该施工场地位于市区,周边环境较为复杂,为确保基坑施工安全及周围建(构)筑物的稳定性,在基坑开挖过程中和后续变电站运行期间对桩顶水平位移和竖向位移、周围地表沉降实施监测,布置了12个支护桩顶水平竖向位移监测点,8个深层位移监测点,29个周边建筑物及道路沉降监测点(图3)。

2.1 支护桩顶水平竖向位移

分别选取位于基坑各侧的代表性监测点JC1、JC4、JC7、JC10来研究基坑各组合支护结构桩顶的水平及竖向位移,其监测结果如图4所示。

图3 基坑监测点平面布置及周边环境Fig.3 Layout of foundation pit monitoring points and surrounding environment

图4 支护桩顶水平竖向位移监测Fig.4 Monitoring of horizontal and vertical displacement of the supporting pile top①开挖6 m深,2排内支撑,2排锚索;②开挖10 m深,4排内支撑,3排锚索;③开挖14 m深,5排内支撑,4排锚索;④开挖18 m深,6排内支撑,5排锚索

随着基坑开挖步骤的推进,各监测点的桩顶水平和竖向位移均表现为明显的“阶梯型”变化,变形过程主要分为2个阶段:①基坑开挖阶段,由开挖卸荷引起的土体应力调整使支护结构侧移并向上隆起;②基坑支护阶段,施加内支撑、预应力锚索及腰梁作用于支护桩上使其变形稳定。位于基坑北侧的支护桩顶最大水平位移为7.5 mm,基坑南侧为13.2 mm(与其顶部施加内支撑数量较少有关),基坑南北两侧最大隆起位移分别为10.4 mm和8.7 mm。受空间效应的影响,位于东西两侧(基坑长边)支护桩顶的水平和隆起位移较大,最大值分别为24.5 mm和12.8 mm。

2.2 地表沉降

选取地表监测点FD4、FD13、FD21、FD27对基坑周边地表沉降特征进行分析,图5为各测点基坑地表沉降随时间发展曲线。从曲线中可知,前两次开挖支护后,基坑各侧地表土体均产生1～2 mm向上隆起变形,随着深度10～14 m的卵石层及深层土体的开挖,土体应力释放,沉降受影响区域向后延伸,围护结构于此处产生较大侧移,土体的滑移蠕变和剪切破坏加剧,致使桩后土体滑裂面的形成,从而产生较大的地表沉降,后由于对应开挖的支护结构施加,地表沉降变形趋于稳定。基坑北侧土体沉降最为明显(约为4.8 mm),基坑南侧土体次之(约为3.2 mm),由于施加锚索角度的改变,基坑东西侧土体沉降最小(约为2.2 mm)。

图5 地表沉降监测Fig.5 Surface subsidence monitoring①开挖6 m深,2排内支撑,2排锚索;②开挖10 m深,4排内支撑,3排锚索;③开挖14 m深,5排内支撑,4排锚索;④开挖18 m深,6排内支撑,5排锚索

图6为开挖结束后,基坑围护结构最大侧移δhm和其对应监测点地表沉降最大值δvm的分布形态,由图中可以直观的看出,基坑短边的δhm小于基坑长边,南北侧均小于开挖深度He的0.13%,空间效应明显,对应基坑短边的δvm大于基坑长边,东西侧均小于开挖深度He的0.02%,呈现出相反的变形分布形态,空间效应不明显,由此可知,减少施加锚索角度的方法可以有效减小桩后土体的沉降变形。

图6 围护结构最大侧移与对应地表最大沉降分布Fig.6 Distribution of the maximum sideway of the building envelope and corresponding maximum surface subsidence

3 深基坑支护变形数值分析

3.1 数值模型的建立

为了更加全面地分析此基坑的支护变形情况和达到基坑变形的可视化,基于基坑监测数据,采用数值计算软件FLAC3D来反演整个开挖支护过程,定量分析评价支护措施的作用效果,考虑锚索长度及开挖对周围环境的影响,x方向延伸2倍开挖长度,y方向延伸3倍开挖长度[14],因土体的卸荷回弹作用,z方向延伸2.6倍开挖深度,模型大小为124 m×104 m×48 m,概化土层模型如图7-A所示。于模型侧面施加法相约束,底部施加固定约束,模型的上表面为自由表面,施工前,采取井点降水已将地下水降至开挖深度以下,因此模拟过程中,不考虑地下水影响。

图7 基坑数值模型Fig.7 Numerical model of foundation pit

土体本构模型采用能较好反应深基坑变形及非线性应力应变关系的土体硬化模型(PH)[15],以软件内置的线弹性结构单元模拟支护结构(图7-B),排桩采用pile结构单元模拟,内支撑、冠梁和腰梁均采用beam结构单元模拟,预应力锚索采用cable结构单元模拟(图8)。

图8 预应力锚索cable单元力学模型示意图Fig.8 Schematic diagram showing the mechanical model of prestressed anchor cable unit

3.2 模拟计算值与实测值对比分析

为验证数值模型模拟此基坑工程的可靠性,本文将选取JC7监测点的数值模拟计算值与监测值进行对比分析(图9),并将各工况下的最大位移进行比较分析,分析数值模拟与实测值之间的误差(表4)。

由图9和表4结果可知,基坑开挖过程中,桩顶变形模拟曲线与实测曲线变化趋势基本一致,桩顶水平位移监测值与模拟值的相对误差为6.7%～12.6%,竖向位移的相对误差为4.5%～10.5%。通过对比现场监测数据和数值模拟结果可知,数值模拟结果与监测数据之间存在些许偏差,但总体上规律一致,验证了此基坑数值模型是可靠、合理的,可以较为准确的反应此基坑多种组合支护的变形和支护过程。

4 组合支护效果对比分析

4.1 支护侧移及沉降对比

图10展示了2种组合支护下的坑壁侧移情况。由图10可知,由于开挖卸荷导致的侧向土压力较大,使基坑侧壁围护结构产生面向开挖临空面的水平位移,特别是基坑中下部,桩撑支护结构侧移变形为“鼓腹型”,桩锚支护变形与其相似,整体较桩撑支护大,最大侧移值分别为19.8 mm和30.6 mm,对应深度均为10 m左右。对比2种支护,桩撑式支护的水平抗力作用效果更强,分析原因为内支撑结构将约束力作用于排桩及混凝土面板上,增大了支护作用面积,使支护整体侧向约束力增大,且内支撑相比于锚索结构,变形更小、刚度更大,其作用方向主要为水平方向,更大程度限制了土体的水平位移。

图9 JC7监测值与模拟值对比Fig.9 Comparison of JC7 monitored values with simulated values

表4 数值模拟与监测值结果误差分析Table 4 Error analysis of numerical simulation and monitoring results

图10 两种组合支护下的侧移变形对比Fig.10 Comparison of lateral displacement and deformation under two types of combined support

由2种支护的沉降位移对比(图11)可知,基坑开挖支护过程中,两者均表现为距坑边一定距离内土体发生沉降。南侧土体沉降较小,最大沉降为是2.8 mm,北侧土体沉降较大,最大沉降值为5.2 mm。桩撑支护沉降大于桩锚支护。造成这种区别的原因为,预应力锚索自由段施加的轴向拉力,使附近土体受到法相挤压加固,起到了一定的抗剪作用,同时锚固段深入到基坑下部,与作用范围内土体联结成一个整体,并将预应力及腰梁、支护桩所受的土压力以一定倾斜角度传递到深层土体中,此部分土体提供一定的抗拉承载力进而产生向上隆起位移,且作用范围较大,抗沉降效果明显。由图11-B中可知,基坑最大沉降由中部向角部快速收敛,呈现三维坑角效应[16],支护结构因其对基坑整体稳定性及其周边土体变形的控制,存在着明显的空间效应,基坑北侧沉降影响范围显著大于基坑南部,其比值约为1.4,这种影响从基坑长边也可以看出(长边右侧沉降范围要大于左侧),这说明桩锚支护横向约束效果较桩撑支护更强。

图11 两种组合支护下的沉降变形对比Fig.11 Comparison of settlement deformation under two combined supports

4.2 支护弯矩及剪力对比

图12为基坑开挖后2种支护下桩身的弯矩及剪力对比,由于基坑的开挖致使上部出现临空面,其桩身弯矩均为先增大后减小,并于反弯点后继续呈先增大后减小趋势,但由于下部桩体深入基岩,受嵌岩深度影响,弯矩变化较小,桩锚支护最大弯矩为1 442 kN·m,桩撑支护最大弯矩为720 kN·m。同样地,由于2种支护上部施加了内支撑和锚索支护,桩身整体处于拉伸和压缩的混合状态,其剪力变化较大,而桩身底部作用于基岩中,很难发生变形,桩锚支护最大剪力为368 kN,桩撑支护最大剪力为223 kN。对比2种支护形式,相比于内支撑结构,预应力锚索结构对桩身弯矩和剪力的影响较大,在实际工程应用中应引起重视。

图12 两种支护下桩身的弯矩及剪力对比Fig.12 Comparison of bending moment and shear force of pile under two kinds of support

4.3 支护结构效果综合评价

综合上述分析,2种支护方案均可有效提高此基坑工程的稳定性,限制基坑变形,但在满足稳定性和安全性的前提下,成本效益就是一个关键因素。对比2种方案,桩锚支护强度较高,支护结构构造简单,工程造价较低,所需施工设备简单;而桩撑支护强度同样较高,且施工质量易控制,故采用模糊综合分析法对2种方案的结构强度及经济效益进行综合评价。

a.首先建立确定因素集,假设有n个评价因素

E={e1,e2,…,en}

(1)

b.建立评估集,对n个评价因素进行决策

D={d1,d2,…,dn}

(2)

c.参考文献并咨询多名专家对综合评价因素进行打分,确定各评价因素之间的隶属度,并将其进行两两比较,确定评价因素的优先关系系数,建立模糊优先关系矩阵:

(3)

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…,n;为评价因素ei对ej的优先关系系数。

d.建立模糊一致矩阵,在确定一个因素与另一个因素之间的隶属关系时,应具有一致性,故对评价矩阵进行按行求和:

(4)

并对其进行如下转换[17],得到模糊一致矩阵

(5)

并对模糊一致矩阵各列进行归一化处理,从而得到各因素集的权重

A=[a1,a2,…,an]

(6)

e.建立综合评价函数

将各因素权重A矩阵与评价指标评价合成,由于各因素之间的差异,为了使得到的评价结果更为准确,采取加权平均方法,综合各因素单独作用与整体作用效果,即

(7)

应用此方法对2种组合支护的系统强度、支护系统形变、施工难易程度、造价、工期以及对周围建筑物影响6个因素进行综合考量,为简化计算,其他相同控制因素暂不考虑,经上式求得各因素权重如下表5所示。各评价指标等级表如表6所示。

表5 基坑支护权重分配表Table 5 Weight distribution of foundation pit support

表6 评价指标等级表Table 6 Evaluation index grade

经计算,桩锚支护综合评价值B1为0.725 4,桩撑支护综合评价值B2为0.697 4。2种支护均能满足此基坑的设计需求,桩锚支护的综合评价值略大,但针对基坑北侧不能使用桩锚支护的特点,对其应用桩撑支护显然是更好的选择,可较好弥补工程的技术可行性和经济合理性,故对此复杂环境下的基坑支护,采取2种组合支护方法较为合理。

5 基坑变形规律分析

为了更好地展示此基坑的变形规律,图13给出了其变形实测值、变形模拟值与开挖深度的关系。由图13-A可知,本基坑实际开挖引起的围护结构侧移最大值δhm大致介于开挖深度的0.02%～0.13%之间,其中除个别实测数据大于丁勇春等[18]统计的基坑开挖实测值,其他数据均小于规范中[19]基坑安全等级为一级时的预警值及徐中华[20]统计的上海基坑开挖实测值。由于基坑在前2次开挖的卸荷作用下,地表发生隆起变形,故只统计后2次开挖引起的地表沉降数据(图13-B),实际开挖引起的地表沉降最大值δvm在(0.03%He-1.6)～(0.03%He-4.1)之间,远小于基坑安全等级为一级时的预警值,并与李航等[21]统计的实测值线性规律一致,模拟最大值δvm介于(0.06%He-5.4)～(0.06%He-7.8)之间,略大于基坑监测值,但其整体趋势一致,均呈明显的线性增长。

图13 基坑变形与开挖深度的关系Fig.13 Relationship between excavation depth and deformation of foundation pit

图14为无量纲化各阶段的地表沉降最大值δvm与围护结构侧移最大值δhm的关系,其中监测数据的离散性较大,其沉降最大值δvm介于(0.05～0.5)δhm之间,线性拟合结果为δvm=0.15δhm。数值模拟的δvm介于(0.05～0.4)δhm之间,线性拟合结果为δvm=0.12δhm。与其他基坑案例[22-23]进行对比,发现不同基坑开挖下,其δvm和δhm之间的关系不尽相同,应综合考虑基坑的地层、开挖和支护等情况[24-26],进而给出相应的判定标准。

图14 无量纲化的地表最大沉降与围护结构最大侧移关系Fig.14 The relationship between the non-dimensional maximum surface settlement and the maximum lateral displacement of the building envelope

6 结 论

本文基于成都某变电站基坑开挖的实测数据,建立不同支护及土体共同作用的数值模型反演开挖支护过程,以研究不同组合支护下基坑开挖的变形响应及支护结构的变形协调问题,得到结论如下:

a.监测及模拟结果表明,桩锚支护抗沉降效果明显,减小锚索的施加角度可以将作用于支护结构的土压力更多的转递至锚固区,抵消空间效应带来的地表沉降加剧,空间横向约束效果更强,但其桩身弯矩和剪力较大,在实际工程应用中应引起重视。

b.相比于桩锚支护,桩撑式结构将约束力作用于排桩及混凝土面板上,增大了支护作用面积,变形更小,刚度更大,更大程度限制了围护结构的水平位移。于桩锚支护顶部加设内支撑可有效减少基坑顶部的侧向变形。

c.通过模糊综合评价方法对包括经济效应等多种因素的评价结果可知,桩锚支护整体性更优,2种支护均能满足基坑的设计支护需求,且应用桩撑支护较好的解决了基坑北侧近地下工程的环境情况,达到了复杂环境适应性与结构变形能力之间的平衡。

d.本基坑对比其他基坑案例,围护结构侧移及地表沉降均较小,围护结构侧移监测最大值δhm介于(0.02%～0.13%)He之间,地表沉降监测最大值δvm介于(0.03%He-1.6)～(0.03%He-4.1)之间,线性拟合结果为δvm=0.15δhm,数值模拟值略大于监测值,但整体分布一致,均表明此基坑的2种组合支护可以有效限制基坑变形,可为其他复杂环境下的基坑工程提供参考。