自稳定超前斜撑排桩支护的数值模拟分析

姚 实

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引言

斜撑支护体系作为一种常用的支护形式,具有灵活、可靠和环保的特点,在工程建设中有着很高的应用价值。国内外众多学者都进行了广泛研究,Yoo Chungsik等[1]通过有限元模拟,提出了基坑的最终变形可通过悬臂开挖阶段变形和支撑开挖阶段进行叠加,并在预测地表沉降过程中提出两阶段法;O’Rourke等[2]讨论了支撑刚度、预应力大小、桩墙入土深度等对基坑变形的影响;Addenbrooke等[3]研究了基坑支护结构的位移柔度曲线,提出了当支护结构柔度指数一致时,支护结构的最大沉降量与最大水平位移值也将保持一致。国内学者易奇雄[4]结合实际工程案例,推导出斜撑水平及竖向承载力验算公式;宫喜庆等[5]在天津市国际会展中心二期大面积基坑开挖施工中,使用盆式开挖加斜撑支护的施工工法,肯定了斜撑支护体系在减少成本和工期中的作用;孙明刚等[6]针对双排桩加斜撑结合支护下深基础连续开挖施工过程,基于 Madias三维有限元分析软件,对其开挖过程中的水平位移及基坑中心隆起进行模拟计算,并与实测结果进行比较,计算结果表明,MADIAS计算模型能够较好地模拟基坑开挖过程及其变形。

本研究在国内外众多学者研究的基础上,对斜撑体系进行改进,提出超前斜撑排桩支护体系,如图1所示[7],目前该支护体系已在绍兴市越城区塔山竹木市场B,C块安置房建设工程、天姥物业建设工程、新昌县建设技术服务中心项目得以应用。该新型围护结构采用排桩作为支护挡墙,引入独立基础作为超前斜撑体,通过钢管斜撑将其连接在一起,形成自稳定斜撑体系。

超前斜撑体系在开挖前已经施作完成,采取超前支设的方式,是通过设置独立基础的方式来提供支撑反力,达到支撑支护挡墙的目的。但斜撑刚度有限,该支护形式一般适用于深度不大的大面积开挖。与斜撑加排桩支护体系比较,超前斜撑是通过引入的独立基础来提供支撑反力,而不是地下室底板来提供,所以能实现超前开挖。

本研究通过数值模拟分析讨论了超前斜撑支护体系单因素改变斜撑间距、斜撑倾角、三角土预留坡度、排桩嵌固深度下基坑的变形及对支护结构的影响规律,为今后自稳定超前斜撑体系的推广应用提供参考。

1 数值模拟模型参数及模拟过程

1.1 土层模型

以绍兴市塔山竹木市场B,C块安置房工程勘查数据为基础,该场地属平原地貌,总体地形地势较为平坦,地基土具有成层分布的特点,主要成分包括粉质黏土、粉质黏土夹粉土、淤泥质黏土、砾砂、圆砾、强风化凝灰岩、中等风化构造角砾岩等,项目场地土层分布从上到下依次为:①1杂填土,层厚0.5 m～2.3 m;②2-1粉质黏土,层厚0 m～2.3 m;③2-2粉质黏土,层厚0.00 m～3.00 m;④3淤泥质黏土,层厚0.8 m～5.9 m;⑤4-1粉质黏土,层厚0.00 m～5.40 m;⑥4-2a粉质黏土,层厚0.00 m～11.50 m;⑦5黏土,层厚0.00 m～14.20 m;⑧6粉质黏土,层厚1.50 m～9.10 m。

本次模拟取基坑西侧距用地红线较近区域进行模拟,为了方便模型建立和计算,假设该区域土体各项同性,土层水平厚度相同,模拟所选用的土层分布及土体参数详见表1。

表1 土层分布表 m

1.2 几何模型

基坑开挖深度为5.8 m,排桩采用φ700@900 mm,C30混凝土钻孔灌注桩,长度12 m;超前斜撑体采用楔形独立基础,斜撑间距9 m;三角预留土坡度取35°,斜撑角度取17.5°。坑外地下水在-2.5 m,坑内地下水降至坑底-0.5 m。有限元计算模型如图2所示,楔形独立基础采用线弹性材料,灌注桩和支撑体模拟为弹性杆件,材料参数见表2,为了使模拟更加贴合实际,土体采用HSS破坏准则[8-9],在现场勘探数据基础上结合工程经验,对地基土层计算参数取值见表3。

表2 弹性杆件材料参数

1.3 数值模拟过程

有限元模拟过程如下:

1)K0生成初始应力场。2)开挖至-2.5 m,冠梁及灌注桩施工。3)模拟降水+盆式开挖至-5.8 m。4)激活斜撑并施加预应力。5)开挖预留土。

2 不同因素改变对超前斜撑排桩支护的影响分析

依托上述基本模型的基础上,采用单因素分析法,分析仅改变斜撑间距、斜撑角度、预留土坡度及排桩嵌固深度时,基坑水平位移、地表沉降及斜撑轴力变化,总结规律,为今后工程提供有意义的指导。

2.1 斜撑间距改变对基坑开挖变形的影响

在超前斜撑排桩支护设计中,斜撑的间距是设计的一个关键,斜撑间距不同,斜撑的轴力以及基坑的变形也会有所不同。单因素仅改变斜撑间距,探讨其对基坑变形及斜撑受力的影响,将斜撑间距分别取7 m,8 m,9 m,10 m,11 m进行模拟分析,模拟结果统计表见表4,地表沉降曲线图见图3。

表4 不同斜撑间距时轴力和基坑变形统计表

从上述统计表可以看出:

1)随着斜撑的间距增大,斜撑所受的轴力逐渐增大,且增大的幅度非常明显,这是由于排桩承担的主动土压力不变,而斜撑间距改变导致单位面积内斜撑分担的水平力相应增加所致。所以,在施工中不可盲目地为了节约材料而增大斜撑间距,容易造成材料的破坏,若要提高斜撑间距时,应适当考虑增大斜撑截面面积和提高材料刚度。

2)斜撑间距越小,能更好地控制桩顶的变形和控制地表的最大沉降。所以,若基坑周边存在重要建筑,要严格控制地表沉降,可以采取减小斜撑间距的方式,能起到很好地控制地表变形的作用。

3)排桩的最大水平位移随着斜撑间距的增大而增大。当斜撑间距在9 m以下时,缩小斜撑间距能快速降低排桩的最大水平位移;当斜撑间距在9 m以上时,增大斜撑间距只会大幅提高斜撑所受轴力,并不能很好地控制排桩的最大水平位移。

2.2 斜撑角度对基坑开挖变形的影响

基坑工程手册中规定,斜撑的坡度不宜大于1/2,即斜撑的角度不宜大于26.6°[10]。本次模拟采用单因素分析法,对斜撑角度为12.5°,15°,17.5°,20°,22.5°时进行数值模拟,取预留土开挖完成,支护结构整体状态已经平衡时的模拟结果进行数值分析。

由图4可知,总体上斜撑轴力随着斜撑角度增大而增大,且随着斜撑角度的不断增大,斜撑轴力增长趋势呈现由缓向陡发展。从理论力学角度分析,取悬臂排桩为研究对象,排桩悬臂端承受主动土压的水平分力,在平衡状态时,由斜撑的提供水平分力与两侧土压之差进行抵消。所以,随着斜撑角度的增大,要保证斜撑提供水平分力不变的情况下,则所需斜撑轴力应当增大,符合图4总体上斜撑轴力变化曲线上升的趋势。

图5给出了不同斜撑角度下,排桩不同位置的水平位移值。从图5中可以得出:

1)排桩的最大水平位移发生在桩顶,随着桩深的加深,排桩的水平位移逐渐减小,桩底的水平位移基本上没变化。2)随着斜撑角度增大,基坑整体水平位移随着增大,说明基坑支护作用在逐渐减弱。

图6给出了斜撑不同角度时的地表沉降值,可以得出:

1)针对斜撑角度不同的5种工况,地表沉降量的变化趋势是一致的,都呈现“V”字形走势,最大沉降量都出现在距离基坑边2.5 m左右,并不随着斜撑角度的改变而改变。

2)基坑最大沉降值随着斜撑角度的增大也逐渐增大,角度在12.5°～20°时沉降变化缓慢,斜撑角度在20°以上后,沉降变化就较为迅速了。

2.3 预留土坡度对基坑开挖变形的影响

采用单因素法分析预留土坡度对基坑开挖变形及斜撑受力的影响,其余变量与基础模型一致,斜撑角度取17.5°。预留土坡度分别为25°,30°,35°,40°进行数值模拟,模拟结果如图7所示。

由图7可以得出如下结论:1)排桩最大水平位移与预留土坡度呈现正相关关系,坡度越大,桩顶水平位移越大。2)预留土坡度越小,桩顶的水平位移增幅较小,随着角度的进一步增大,水平位移增幅明显。3)预留土坡度对排桩的影响主要体现在桩顶,对桩底水平位移影响不大。

由图8可知:1)不同预留土坡度工况下,地表的沉降曲线都是呈现“V”形,沉降的极值点都出现在距离基坑边2.5 m左右。2)地表沉降的最大值与预留坡度有关,预留坡度越大,地表沉降越大。预留土坡度越小,地表沉降值越小,但当预留土坡度在30°以下时,地表沉降曲线较为接近,近似重合。

由图9可知,预留土坡度在25°～30°时,随着预留土坡道增大,斜撑轴力变化下降幅度较小;当预留土坡度在30°以上时,随着预留土坡度角度的增大,斜撑轴力变化下降幅度迅速。

2.4 排桩嵌固深度对基坑开挖变形的影响

改变支撑嵌固深度,研究嵌固深度为10 m,12 m,14 m时基坑变形的影响。经过Plaxis3D对模型的运行分析,得到不同嵌固深度下排桩的水平位移曲线。

由图10可清晰的看出:1)3种不同嵌固深度对应的排桩深度方向的位移曲线走势都是相同的,总体上呈现出递减的趋势。2)嵌固深度从10 m增加到12 m时,桩顶最大位移减少了6.84 mm,而嵌固深度从12 m增加到14 m时,桩顶最大位移仅减少了0.76 mm,可见排桩嵌固深度在12 m以上时,对排桩桩顶的最大位移量并有明显的抑制作用。3)排桩的嵌固深度为10 m,12 m,14 m时,桩底的水平位移分别为7.96 mm,4.29 mm,2.39 mm,说明排桩嵌固深度对桩底位移控制作用明显。

由图11看出:1)排桩不同嵌固深度对应的地表沉降走势基本上呈“V”字形走势,最大沉降量都发生在距离基坑边2.5 m左右。2)在0 m～2.5 m之间,3条曲线的趋势都是随着距基坑边界距离的增大,地表沉降以正比的趋势不断增加,但在2.5 m以后,随着距离基坑边界距离的增大不断减小。3)当嵌固深度在10 m～12 m之间时,对地表最大沉降能起到很好的约束作用,但嵌固深度在12 m以后,随着嵌固深度的增大,对地表最大沉降所发挥的作用就并不大了。

3 结语

通过Plaxis3D建立自稳定超前斜撑排桩支护结构模型,分别分析了斜撑间距、斜撑角度、预留土坡度、排桩嵌固深度的改变对基坑变形及斜撑轴力的影响情况,最后得出了以下结论:

1)适当减小斜撑间的距离可以有效的抑制基坑的变形和减少斜撑的轴力。当斜撑间距在9 m以下时,缩小斜撑间距能快速降低排桩的最大水平位移;当斜撑间距在9 m以上时,增大斜撑间距只会大幅提高斜撑所受轴力,并不能很好地控制排桩的最大水平位移。所以,在基坑维护设计中,若要提高斜撑间距时,还应适当考虑增大斜撑截面面积防止材料强度破坏。2)斜撑角度在17.5°以上时,斜撑受到的轴力呈现突变式增加,从安全和成本角度考虑,选择斜撑角度为17.5°左右是最佳的,不可盲目节省成本,过分增加斜撑角度。3)预留土坡度越小,地表沉降值越小,但当预留土坡度在30°以下时,地表沉降曲线已经近似重合,所以预留土坡度可以考虑设置在30°左右。4)嵌固深度在12 m时对控制基坑变形较佳。模拟数据中,嵌固深度从10 m增加到12 m时,不仅大幅度降低了排桩的水平位移,还大幅度降低了地表沉降,但当嵌固深度在12 m以上时,嵌固深度对抑制基坑变形和地表沉降的作用便不大了。所以基坑设计中,盲目地增大嵌固深度,并不能材尽其用。