复合支护下深基坑的变形破坏和支护结构受力演化过程分析

黄志全等

摘要：以某深基坑工程为研究对象，利用岩土数值分析FLAC 3D软件，建立三维数值分析模型，模拟开挖和支护实际工况，分析了双排微型桩复合土钉支护下基坑开挖过程中的变形破坏和支护结构受力演化特征。结果表明：坑壁水平位移总体上呈现基坑顶部小、基坑中下部大的形式，位移等值线呈鼓肚状；基坑基底隆起量较大，随着距基坑壁距离的减小而减小；基坑边坡竖向沉降较小，最大沉降量出现在支护结构之后；土钉轴力分布呈中间大、两端小的形式，离基坑底部越近，土钉的最大轴力点越靠近基坑开挖面，且随着开挖深度增加，土钉轴力初始增长迅速而后发展较为缓慢；前排微型桩弯矩大于后排，微型桩最大弯矩随着开挖深度的增加不断增大且不断下移，开挖完成后弯矩最大值位于基坑底部以下2 m深度处；基坑开挖及支护过程中监测点的位移时程曲线和塑性区分布区域说明基坑整体稳定性较好，但在坡顶后缘出现拉张塑性区，基坑壁浅表层和基坑底角部位出现剪切破坏区，在施工中应对其采取针对性措施进行保护；该研究成果对深基坑开挖过程中动态演化过程认识和变形破坏防治具有一定参考意义。

关键词：复合支护；深基坑；变形破坏特征；支护结构；塑性区；三维数值分析

中图分类号：TU473文献标志码：A

0引言

目前的城市建设中，深基坑工程已经非常普遍，往往都具有开挖深度大、规模大及环境复杂等特点，出现了各种形式的支护结构[1-10]。复合土钉支护是将土钉与预应力锚索、深层搅拌桩或微型钢管桩等结合起来形成的一种新型支护技术，一些学者对其进行了研究，文献[11]～[13]对深基坑土钉和预应力锚杆复合支护方式进行了研究；孙剑平等[14]对预应力锚杆复合土钉墙的变形规律进行了实测分析；袁守文等[15]研究了预应力锚索微型桩在深基坑支护中的应用；李彦初等[16]对钢管桩、土钉、预应力锚索3种支护结构的复合支护进行了数值模拟；宋广等[17]对单纯土钉支护和微型桩复合土钉支护进行了对比分析。基坑实际施工过程中，侧土压力和支撑力不断变化，支护结构与土体相互作用，周边土体位移和作用在桩体上的力也在不断演化，这是一个复杂的具有时间空间效应的过程。

本文以某深基坑工程为研究对象，利用岩土数值分析FLAC 3D软件，建立三维数值分析模型，模拟开挖和支护实际工况，分析双排微型桩复合土钉支护下基坑开挖过程中的变形破坏和支护结构受力演化特征，研究成果将对深基坑开挖过程中动态演化过程认识和变形破坏防治具有一定参考意义。

1基坑地质条件及支护方案

1.1工程地质条件

某深基坑所在场地最大勘察深度65 m，揭露的地层除上部为杂填土、素填土外以第四系冲洪积地层为主。根据岩土的物理力学性质，该基坑勘察深度内各个土层编号及分述如下：①杂填土，杂色，主要由建筑垃圾组成，层厚1.3～3.4 m；②粉土夹粉砂，黄褐色—褐黄色，中密—密实，土质均匀，层厚0.9～4.7 m；③粉土，③-1粉质粘土，暗黄—灰褐色，局部夹粉土薄层，层厚2.0～5.6 m，③-2粉土，灰褐色，中密—密实，土质较均匀，揭露厚度为0.50～3.10 m；④粉土夹粉砂，褐黄—黄褐色，中密—密实，层厚1.6～4.8 m；⑤粉土，褐黄色，稍湿—湿，密实，土质不均，层厚3.8～6.2 m；⑥粉砂，褐黄—黄褐色，一般可塑状态，土质不均，层厚0.9～4.1 m。

1.2基坑支护方案

基坑开挖深度为10 m，受场地条件限制，基坑坑壁垂直开挖，采用双排微型桩复合土钉墙支护，坑壁喷射混凝土面层，基坑边坡支护剖面见图1，其中，D为桩径，L为桩长，微型桩桩顶标高为自然地面，双排设置，桩长15.0 m，桩径100 mm，横向间距0.5 m，纵向间距0.5 m。微型桩孔径120 mm，横向间距0.5 m，排间距0.5 m，长度15 m，内置40 mm壁厚不小于2.5 mm的钢管，填充粒径5～10 mm碎石，灌注体积比1∶0.5的纯水泥浆，微型桩之间以及前排与后排之间无连接；土钉纵横间距1.0 m，倾角10°，主筋采用22钢筋，长度9～12 m，洛阳铲或小型机械成孔，孔径100 mm，注浆压力0.2～0.4 MPa，注浆材料为体积比1∶0.5的纯水泥浆，无预应力；面层喷射混凝土厚度80 mm，混凝土强度等级C20，施工过程中水泥、水、砂、碎石的质量比为1∶0.5∶2∶2，铺设6@250×250钢筋网，加强筋采用10@1 000菱形布置，交叉点与土钉端头弯折后焊接牢固。

2.1计算模型

数值计算模型总宽度（x方向）为35 m，基坑部分宽度为10 m，垂直剖面方向（y方向）为10 m，深度（z方向）为25 m，计算模型如图2所示，共划分71 400个单元、77 532个节点。模型侧边界施加法向位移约束，底部边界施加位移全约束。在模拟计算中，土体采用三维实体单元，土钉采用Cable单元，微型桩采用Pile单元，混凝土面层采用Shell单元[18]，具体加固方案模拟如图3所示。

.2参数选取

基坑支护模拟分析所需的主要参数有土层物理力学参数、土钉计算参数、微型桩计算参数以及混凝土面层参数，总的参数选取见表1，2，不同土层参数根据其厚度范围进行赋值。

2.3计算过程

3.1不平衡力监测曲线

图4为基坑开挖过程中系统的不平衡力监测曲线。由图4可知，从自然状态开始第1步开挖到开挖完成的过程中，每次开挖时系统的不平衡力都有一个突然增大的趋势，然后就要经历一个由大到小逐步调整的过程，直至达到平衡，这也是基坑由每步开挖产生变形到逐步稳定的过程。根据系统的不平衡力监测曲线是否收敛来判别基坑边坡的稳定性可知，该基坑在开挖支护过程中整体稳定性较好。

3.2基坑变形破坏演化过程

3.2.1水平位移

图5为基坑开挖完成后的水平位移云图，负值表示位移方向朝向基坑内侧，正值表示朝向基坑外侧。从图5可以看出，坑壁水平位移总体上呈现基坑顶部小、基坑中下部大的形式，并且在基坑深度约7 m处水平位移达到最大值，为3.54 cm，占基坑最大开挖深度的0.354%，小于0.4%，满足要求，同时也说明复合支护下基坑的最大水平位移并不是发生在坡顶。在同一高度处，随着离基坑壁距离的增加，水平位移逐渐减小，位移等值线呈鼓肚状。基底面以下的墙体由于受到墙前被动土压力的作用水平位移较小。