某基坑典型桩锚支护段的设计研究

2014-09-03吴少波卓宏博

四川建筑 2014年5期

吴少波,秦云,2,卓宏博

(1．云南大学城市建设与管理学院,云南昆明650091；2.昆明市建筑设计研究院有限责任公司，云南昆明650041)

随着城市地下空间的不断开发利用，基坑的面积和开挖深度越来越大，因此，传统基坑支护方式面临深度与广度的挑战[1]。近年来，昆明城市建设发展迅速，深基坑工程大量涌现。众所周知，地处高原的昆明是典型的地质博物馆，地形地貌复杂多变,导致基坑工程在设计和施工中面临多方困难，工程事故偶有发生。本文以昆明某高层建筑深基坑支护项目为例，选取典型性支护剖面，在理正深基坑工程软件分析和设计的基础上，采用Midas/Gts软件建立相应的有限元分析模型，将理论分析结果与现场实测相对照，结果表明，上述两种软件在工程中是可行的，合理确定计算参数后，Midas/Gts的结果具有很高的可信度。

1 工程概况

拟建某保障房住宅项目位于昆明滇池国家旅游度假区大渔乡片区，月马路和前新路交叉口东南角，东部紧邻轻轨1号线终点站，南为规划的8号路。受人工建设活动的影响，场地地形起伏变化较大，北高南低，东高西低，地质勘察报告揭露该基坑整体土质情况较差。基坑周长约为567 m，设二层整体地下室，开挖深度约为9.6 m。基坑周边环境如图1，基坑北距已建成的鱼浦路30.5 m，东边距离高架的轻轨一号线终点站28.6 m，站点为钢筋混凝土框架结构，基础为柱下大直径冲孔嵌岩端承桩，南部拟建规划路尚未建设，在本工程建设期间亦不会开工建设。

图1 基坑周边环境示意

2 方案设计

本基坑周边环境较为一般，但最大开挖深度达9.6 m，依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)，基坑安全等级按照二级选取，基坑侧壁重要性系数为1.0。基坑开挖过程中，基坑坡顶4 m范围内不能堆放任何荷载，允许堆载宽度不得大于6 m, 且等效均布荷载应不大于20 kN/m2。经安全、经济、技术可行对比后，总体支护方案为：(1)在东南方向，采取“放坡+土钉+挂网喷混凝土”的方案；(2)在其它三个方向，采取顶部适当“放坡+土钉、下部桩锚支护”的方案。

基坑专项勘察地勘报告显示，基坑3d-3d区段的填土最大厚度约为16 m，受人工建设活动影响，填土竖向差异较大，上部4 m深度范围内含有大量孤石或碎石，4～6m深度范围内为1.5～2.0 m厚的淤泥层，呈流塑状。坑顶边缘距离月马路约6.2 m，其支护桩桩底已进入道路路基范围，局部含有土工格栅；考虑月马路交通荷载，在基坑边缘2.6 m处施加宽度为15 m的均布荷载30 kPa。显然，3d-3d区段为本基坑工程设计和施工的重点区段。该区段整体长178.2 m,3d-3d区段长42.1 m,分析表明，该支护段不利位置桩顶冠梁提供的侧向水平支撑刚度为0.016 MN/m，可忽略不计，偏安全，该区段可简化为如图2所示的平面结构进行分析。基坑分步开挖、分步支护，根据施工实际过程，基坑开挖由表1所示5个工况组成。

图2 基坑支护设计

工况1上部4.0 m放坡开挖,坡度系数为1.2工况2土体开挖至4.7 m标高,添加第一排预应力锚索工况3土方开挖至8.2 m处工况4土体开挖至8.2 m标高,添加第二排预应力锚索工况5土方开挖至坑底9.6 m

3 理正深基坑软件计算分析

根据地勘报告，3d-3d区段各土(岩)层的分布情况及其主要物理力学参数指标如表2。

表2 各土(岩)层主要物理力学参数指标一览

由理正深基坑支护软件得到的工况5结果如图3所示，支护桩桩身向坑内最大位移为21.34 mm，桩身最大弯矩标准值(以下未注均为标准值)为598.04 kN·m，均发生在基坑坑底平面处，也接近支护桩的中部。坑顶存在4 m高度的放坡后，在本区段剖面支护布置情况下，锚索计算最大内力标准值为第一道的381.71 kN[2]，且计算所得两道锚索的内力差值不足5 %，较为均匀，表明本区段的支护设计较为合理。

图3 开挖至坑底时计算结果

图4为支护结构在各工况下的位移分布图。由图中可知工况1下，支护桩桩身位移最大值为桩顶处的2.87 mm，其变形形态类同于受荷较小的全埋抗滑桩；在工况2下，锚索预加力的作用使桩顶位移由坑内转向坑外，坑内最大位移为桩顶下约11.0 m处的2.74 mm；在工况3下，支护桩最大位移为桩顶下约8 m处的15.40 mm；在工况4，桩身最大位移为桩身长度9 m处的12.45 mm；在工况5，桩身最大位移为桩顶下约10 m处(与基坑底面标高基本一致)的21.34 mm。由此可见，随基坑开挖深度的增加，尽管桩身最大位移点的位置不同，但数值在总体上是逐步增加的，张拉锚索会使同等情况下的桩身最大位移有所减小，对于本工程，开挖至坑底后，可认为最大位移点发生在坑底标高处。

图4 桩身水平位移随深度变化

4 有限元软件Midas/Gts计算分析

4.1 分析模型

采用有限元Midas/Gts对3d-3d区段建立二维平面应变模型，进行复核计算。为简化分析，按常规根据地勘资料将地层简化为竖向分层、水平各向同性的成层地基，模型尺寸充分考虑基坑开挖的影响深度为开挖深度的2～4倍、影响宽度为深度的3～4倍的因素。荷载分布和取值与理正软件分析中的相同。土体采用实体单元，网格单元为1 m×1 m×1 m六面体单元，冠梁、腰梁及支护桩均为梁单元，采用植入式桁架单元模拟土钉、锚索，分析中，土的本构关系为莫尔-库伦理想弹塑性模型。具体有限元模型如图5所示[3]。

图5 有限元分析模型

4.2 计算参数

土体Mohr-Coulomb的本构模型在岩土工程数值模拟中的应用较为成熟，需要用到的主要参数有土体的黏聚力、内摩擦角、重度、泊松比及弹性模量，前三者可由地勘报告获取，泊松比可根据相关经验来取值，弹性模量的计算取值较为复杂，且该值直接影响着有限元分析准确性。在数值模拟中，存在两方面的问题：(1)勘察报告一般只提供土体的压缩模量参数，弹性模量需根据弹性力学理论换算得到；(2)Midas/Gts的工程实践表明，直接采用换算所得弹性模量进行模拟分析，所得计算位移远远大于实际观测值。在Midas/Gts的工程实践中，一般根据经验将弹性模量取为压缩模量的2～5倍，具体数值带有强烈的主观性，缺乏理论依据，目前，尚无一个为大家所认可的取值方法。

事实上，基坑变形也可理解为特殊荷载情况下的地基变形问题，众所周知，在现行地基基础规范的分层总和法计算地基变形中，理论压缩计算结果均需引入沉降经验系数进行修正方可得到反映实际情况的长期荷载作用下的沉降。基坑变形可以认为是短期荷载作用下产生的地基变形问题。据此，在Midas/Gts分析中，若要得到反映实际的位移变形模拟结果，必须对地勘报告给出的压缩模量进行调整。

笔者认为，可通过沉降经验系数ψS将压缩模量ES换算得到有限元计算所需要的弹性模量Ej。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)：一般多层建筑物在施工期间完成的沉降量，对于碎石或沙土可认为其最终沉降量已完成80 %以上，对于其他低压缩性土可认为已完成最终沉降量的50 %～80 %，对于中压缩性土可认为已完成20 %～50 %，对于高压缩性土可认为已完成5 %～20 %[4]。基坑工程的使用期限一般为2年，又受到土质情况及周边环境等因数的影响，在实际开挖期间，土体并不能达到其最终沉降量，因此在对沉降经验系数ψs取值时应当有所保留，本文采用折减系数α来考虑荷载作用时间的影响，该折减系数可认为是2年内地基变形量占荷载长期作用下总变形量的百分比，其值按上述原则结合土体实际情况确定。综合考虑上述因素，笔者认为，计算弹性模量可按式(1)确定：

Ej=ES/(ψs×α)

(1)

式中：ψs为沉降经验系数，可根据各土层在自重应力区段的压缩模量，查《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)表5.3.5得到。

按上述原则，可确定本工程各土层的计算弹性模量如表3所示。

4.3 有限元分析结果

图6为通过Midas/Gts分析得到的水平位移分布图。从图中可知3d-3d支护段，当开挖至坑底时，计算所得桩身最大水平位移值为14.75 mm，发生在支护桩靠近基坑坑底的位置，与根据测斜观测得到的13.80 mm较为一致。

图6 支护结构模型

图7为基坑地表沉降图，从图中可看出，基坑最大竖向位移发生在坑底，其最大隆起量为32.74 mm，与实际开挖情况较为符合。同时坑顶处随着与基坑边线距离增大，其后方的沉降逐渐增大，尤其在堆载位置，沉降达到最大值13.70 mm，与实际监测值15.64 mm亦较为接近。对于本工程，当距坑边的距离增大到坑深的3倍后，地表沉降主要由地面荷载引起，与基坑开挖无直接的联系。

表3 各土层计算弹性模量取值的确定一览表

图7 基坑地表沉降

4.4 实际监测情况

图8反映了Midas/Gts分析结果与实际监测值得对比情况，从图中可以看出在基坑上部5 m,有限元模拟结果比实际监测结果偏小3～6 mm，出现这种情况的原因可能是上部素填土含有大量碎石块，土体并不连续。自5 m以下，分析结果与实际监测结果较为接近，能够较好地反映出土体的位移。由表4可得出桩顶B处位移模拟值与实际值较为接近，而坡顶处A点的位移模拟值与图8中的上部位移一样，均与实测值相差较大，结果表明，Midas/Gts模拟对桩锚支护段可以得到较为准确的结果，而对上部受外环境影响较大、土体可能不连续的放坡段，计算数值偏小，且误差较大。