土岩组合地层深基坑桩撑体系变形及受力分析

2021-02-25李克先张亚男

科学技术与工程 2021年1期

李克先，雷刚，李健，张亚男

(1.青岛地铁有限公司，青岛 266000；2.浙江大学建筑工程学院，杭州 310000；3.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；4.上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200093)

近年来，随着各大城市地铁建设的飞速发展，城市地下空间的开发规模也随之增大，因而，超大超深基坑数量也在不断增加。基坑围护结构设计和基坑开挖施工由于涉及多领域多学科交叉，十分复杂[1-4]，并且目前对基坑工程在理论方面的研究还远滞后于实际工程的发展，在实际施工过程中难免会引发一系列岩土工程安全问题。因此，开展基坑工程，特别是基坑围护结构的深入研究十分必要且迫在眉睫[5-8]。

目前中外研究学者对于基坑围护结构的研究一直在进行。刘继梅[9]对基坑支护结构进行研究，对其施加不同大小的预应力的前提下，基坑内支撑预应力越大，围护桩所受内力变大，但钢管内支撑受力大小与施加预应力大小没有直接关系。徐凌等[10-11]采用编程和弹性抗力法对深基坑中桩撑支护的内撑简化算法进行研究，其中特别对基坑内坑中坑和岩土介质不均匀的问题给出解答。张顶锋[12]在弹塑性力学理论基础之上，确定了基坑在进行拆撑过程的计算平衡方程，而该平衡方程往往被其他研究学者所忽略，此研究结果可用于反演分析土参数、预测基坑沉降和围护结构变形。

现以青岛1号线胜利桥车站基坑工程为依托，结合现场监测数据及数值模拟结果对基坑围护结构的变形与受力进行详细分析，总结围护结构变形及受力规律、基坑支护设计中的注意事项，为今后类似工程设计提供借鉴意义。

图2 监测点布置图Fig.2 Layout of monitoring points

1 工程概况

胜利桥站是青岛地铁1号线的第24个车站，该车站位于四流南路与郑州路交口的西侧，车站主体呈南北向。胜利桥站为地下三层双柱三跨箱形砼框架结构，有效站台中心里程为YSK46+931.768，起点里程为右YSK45+931.768，终点里程为右YSK46+106.168。车站主体长172.4 m，标准段宽20.1 m，有限站台宽11 m。车站采用岛式站台，有效站台长度大约为118 m，宽度大约为13 m。车站高度为21.41～23.0 m，顶板覆土约3.3 m，底板基本位于微风化岩层(碎裂状)。改车站顶板覆土约2.05 m，采用明挖顺做法施工，车站共设置2组地面风亭、1处冷却塔，车站公共区共设3个出入口通道，初期预留1个出入口通道，设置了4个地面出入口。其围护结构为桩+内支撑支护体系形式，车站两端无配线，小里程端区间采用暗挖法施工，大里程端区间采用隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)施工，车站端头设TBM吊出井，待主体结构施工完成后，实施TBM吊出。车站平面示意图如图1所示。

图1 胜利桥站平面示意图(1∶3 400)Fig.1 Plan of Shengli bridge station(1∶3 400)

2 监测内容及实测结果分析

2.1 监测内容

项目设立了多项监测内容，只对支护桩测斜监测、内支撑轴力监测进行分析。监测点布置图如图2所示。支护桩测斜监测布置了2个测斜管，内支撑轴力监测布置了15个横撑应变计。临近开挖区时监测频率为1～2次，其余时段监测频率保持1 d。

2.2 支护桩水平位移

在基坑施工期间对支护桩测斜变形进行了持续监测。图3所示为基坑中部监测点在不同施工步骤下的变形分布曲线，根据实测结果总结出如下变形规律。

图3 围护桩水平位移随施工步骤的变化Fig.3 Change of horizontal displacement of retaining pile with construction steps

在基坑开挖过程中，桩体向基坑内方向产生位移变形，由于顶撑作用桩顶变形相对较小，在最初开挖阶段，伴随着基坑开挖深度的不断增加，桩体水平位移呈现出近似线性增长的趋势；由于基坑外土体给围护桩施加主动土压力，且随着深度增加，桩体受到的主动土压力会呈现线性增大状态。

在开挖过程中，桩体水平位移曲线变化趋势呈“)”形分布。桩顶和桩尾的水平位移变形程度相对来说比较小，支护桩中部位移变形幅度较大，整体变形趋势呈现先增大后减小的特征，且随着施工进行，桩体的最大位移点逐渐向下移动。围护桩在第四道支撑施工时变形最大，变形最大值位于第四道支撑附近，为5.3 mm。

2.3 支撑轴力

采用横撑应变计来对支撑轴力进行测量，通过应变来计算各支撑轴力。每个支撑安装3个横撑应变计，如图2所示。从支撑架设开始对其支撑轴力进行监测，到基坑开挖完成结束，频率为1次/d。根据监测数据整理得到图4现场施工时各支撑轴力变化图，总结如下规律。

图4 现场实测支撑轴力图Fig.4 Field measured diagram of support shaft

在基坑开挖阶段，伴随着基坑开挖深度的增加(图2中以时间表示)，其横撑轴力也在不断增加，第一道支撑轴力变化量很大，变化规律如下：在第二道撑架设前，第一道撑轴力明显增加，且第一道支撑在整个施工期间的最大轴力发生在施加二道支撑之前；在此期间，随着二道支撑的架设，第一道撑的轴力会明显减小，并且第一道支撑轴力在基坑的整个开挖过程中呈现出明显下降的状态。

临近开挖面的支撑轴力随时间而增加，其余支撑轴力的变化没有一定的规律性可循，会有不同程度的波动或较小减小。也就是说，上部钢支撑的轴向力会随着钢支撑的安装从而得到有效控制。在基坑开挖完成时，各支撑轴力的增长速度会呈现明显下降的状态。

支撑轴力与地下连续墙的变形有一定的关联性。在基坑的开挖过程中，支撑轴力会因地下连续墙的横向变形而发生变化，墙体的进一步变形会因支撑轴向力的增加而受到限制。因此，基坑土体挖除后只要尽快架设钢支撑并施加合理的预加轴应力，即可达到减小基坑无支护暴露时间的目的，从而有效减小连续墙的变形。另外支撑设置以后必须尽快施加轴力，这不但保证支撑顶紧墙体，减小墙体横向变位，而且改善了墙体的受力条件。

3 有限元模型建立

3.1 基本假设

前文根据现场监测数据对基坑的桩体位移及支撑轴力进行了分析，但是由于监测科研断面布置较少，监测结果并不能完全反映基坑围护结构的变形及受力特性。结合以上原因，将结合有限元数值模拟软件建立三维数值计算模型，通过模拟基坑施工开挖的全过程，从而对基坑围护结构的变形及受力特性展开分析。

采用三维有限元数值模拟的方法对青岛地铁1号线胜利桥站进行数值计算，数值计算模型满足以下几个基本假定[13-16]。

(1)土体为理想弹塑性均质材料，破坏过程遵循Mohr-Coulomb准则。

(2)假定基坑围护桩和支撑受力和变形完全符合线弹性体特性。

(3)模拟开挖前，进行土体位移清零过程中，忽略重力作用产生的位移。

(4)支护结构与周围土体无摩擦。如果将支护结构与土体都采用摩擦接触，则势必会带来收敛的问题，并且非常消耗计算资源，三维摩擦模拟的计算量更是呈几何倍数的增加。由于结构与周围土体摩擦导致的相对位移与整个土体的位移相比是比较小的，因此采用支护结构整体嵌入土体，即与周边土体无相对滑动，类似于混凝土中的钢筋。

(5)不考虑围护桩入土过程产生的时间效应影响。众所周知，不同种类的桩(如灌注桩、静压桩等)的入土过程是不同的。桩的入土过程一直是有限元模拟的一个难点。因为桩的入土过程并不是一个完全静态的过程，不仅涉及大变形，而且结果与网格划分紧密相关，想要从三维实现更是难上加难。开挖是模拟的重点，而开挖时支护桩已经完全就位，抓住主要矛盾，忽略入土过程，一方面能大幅度降低结果不收敛的概率，另一方面也能缩短计算时间。

(6)忽略时间效应的影响。基坑工程具有很强的时空效应。三维模拟在一定程度上解决了空间效应的问题，所采用的仍是静力分析，静力分析中虽然有时间参数，但是并没有实际意义，与传统意义上的时间有着本质的区别。忽略了时间效应的影响，与时间紧密相关的因素，如土体及混凝土蠕变等所产生的作用会相应的减弱，对计算结果有一定的影响。

(7)模拟过程中不考虑基坑周边超载。原因有以下三点：①由于忽略了时间效应，超载的作用将有较大程度的削弱；②三维模拟不同于二维，设置基坑周边超载则必须额外在土体顶部划分一定区域作为加载面，这样使得土体原本对称的面变得不对称，对之后的网格划分会有严重不良影响，极容易生成奇异网格，导致不收敛；③距离基坑边0.2H～0.5H(H为开挖深度)为坑外超载主影响区。25 m开挖深度在100 kPa的超载作用下水平最大变形较原来增大约1/3，考虑到工程的实际情况，并考虑空间效应，坑外超载对水平变形的影响约为5%，因此模拟过程中忽略不计。

3.2 模型材料

对于本构模型的选择，通常需要同时考虑其精确性与可靠性，这两方面缺一不可，因此数值计算依据实际工程特点采用了修正的Mohr-Coulomb模型，该模型所需参数为：密度γ，弹性模量E，泊松比μ，摩擦角φ，黏聚力c。具体模型参数以青岛地铁1号线胜利桥站为背景进行选取，具体参数如表1所示。

整个模型中，采用实体单元对土体进行模拟计算，均采用梁单元对围护桩、混凝土支撑和钢支撑进行模拟计算。

3.3 模型建立

由于青岛市地下水类型主要为孔隙水，而孔隙水与大气降水有密切关系。青岛地区每年7月—9月为大气降水的丰水期，地下水位自7月上升，9月—11月左右达到当年最高水位，随后逐渐下降，年最大降水量为1 225.2 mm，累年平均降水量为714 mm。因此，地下水对青岛地区土岩组合地层深基坑桩撑体系变形及受力的影响不大，所以在建模时没有单独考虑“地下水”这一因素对青岛地区土岩组合地层深基坑桩撑体系的变形及受力的影响。按照青岛地铁1号线胜利桥站基坑工程实际进行计算区域的选择，建立三维数值计算模型，土体计算采用三维八节点实体减缩积分单元(C3D8R)法，各土层模拟情况按照岩土工程勘察报告由上至下依次分为杂填土层、粉质黏土层、砂砾层和中风化花岗岩层4层土体，由于着重研究基坑处的受力情况，因此在模型建立的时候整体网格密度在越接近基坑处网格划分越细，最大最小网格尺寸约相差5倍。具体三维计算模型如图5所示。

围护桩和冠梁在实际施工过程中，两者可以看做是锚固在一起的，因此，在建模时，把二者组合为一个部件进行计算，并设计绑定约束，使其不产生相对滑动。围护桩、冠梁平面图如图6所示。模型基坑桩撑体系如图7所示。

表1 各层土体材料参数Table 1 Soil material parameters of each layer

图5 三维模型示意图Fig.5 3D model diagram

图6 围护桩、冠梁平面示意图Fig.6 Plan of retaining pile and crown beam

图7 基坑桩撑体系平面示意图Fig.7 Foundation pit pile support system plan

4 数值模拟结果分析

在基坑开挖前首先对围护桩和冠梁施工进行模拟，通过计算，基坑围护桩施工完成时模型位移和围护桩及冠梁计算云图分别如图8、图9所示。

图8 围护桩施工结束位移云图Fig.8 Stress nephogram of displacement at the end of construction of retaining pilet

图9 围护桩和冠梁应力云图Fig.9 Stress nephogram of retaining pile and crown beam

由图9可知，当基坑未开挖而围护桩单独受力时，可以看出不管是中部位置还是阳角处，围护桩产生明显的嵌固段，桩身在嵌固段与土体交界处产生应力值突变，有一段2～3 m的应力集中区域，桩身上部应力值反而较小。未开挖前，应力最大值为围护桩与冠梁连接处。

基坑周围土体位移随开挖变化如图10所示。

通过图10基坑开挖过程模拟计算可知，基坑周围土体在中部区域产生的位移最大，随着基坑开挖深度的不断增加，坑内临空面的土体水平方向产生的位移区域逐渐向外部扩展且基坑内部土体变形量随着开挖的进行而不断增加，开挖完成时，土体产生最大位移值为8 mm；桩体内侧因受到主动土压力作用，土体会向坑内位移变形，同时剪应力值也不断增大，从而形成塑性区；开挖完成时基坑深度近20 m，是基坑宽度的3倍左右，开挖到基坑底部时，底部回弹增量逐渐呈减小趋势，坑底中风化围岩可压缩性相比回填土和粉质黏土小，故虽然应力释放逐渐增大，但产生的回弹量却比刚开挖时的增量小。由图10可以看出，基坑周围土体位移场的分布规律与圆弧滑裂面十分相似，这表明在开展基坑围护结构设计时使用圆弧滑动条分法来对基坑整体稳定性进行验算是合理有效的。开挖过层中的应力变化如图11所示，开挖结束时围护桩和支撑应力变化如图12、图13所示。

从图13土体应力计算云图可以看出，伴随着基坑开挖深度的不断增加，从而开挖临空面卸荷，导致土体应力不断得到释放，并且应力释放区域不断向下延伸；随着开挖的继续进行，桩体产生的最大位移的相对位置也不断向下移动。由计算云图可知围护桩体产生了显著的应力集中区，且围护桩桩体变形随着开挖进程的不断进行逐步由向坑内前倾变为“)”形曲线变化。支撑是本计算的主要受力构件，通过计算可以看到应力值最大值为第四道钢支撑与围护桩连接处，且最大值为58.6 MPa。

图10 基坑开挖过程位移云图Fig.10 Displacement nephogram of foundation pit excavation process

图11 基坑开挖过程应力云图Fig.11 Stress nephogram during excavation of foundation pit

图12 基坑开挖结束围护桩应力云图Fig.12 Stress nephogram of retaining pile after foundation pit excavation

开挖过程中，当支撑开始起作用时，围护结构的大部分受力会转移到支撑上，随着开挖不断进行，各道支撑逐渐开始承受荷载，围护桩身和冠梁受力变得更加均匀，这说明桩撑体系能很好地进行协同受力工作。当前一道支撑开始受力时，后面虽然单次开挖深度与前一段开挖距离相当，但每次的位移增量逐渐减小，当第四道支撑起作用时，位移增量仅为第三道支撑时的10%，这表明桩撑体系协同作用对土体变形具有较强的控制作用。

通过计算第一道混凝土支撑轴力，得出随开挖过程的轴力累计图，如图14所示。