埋入式支护桩变形和土体位移场数值分析

赵 颖，赵 鹤

(1.江苏省地质局,江苏 南京 210018;2.江苏华东地质建设集团有限公司,江苏 南京 210007; 3.广西科技大学,广西 柳州 545006)

0 引言

在地下空间开发中,常出现不同面积和开挖深度的近接基坑及近接基坑之间衔接段[1-2]。近接基坑的施工时序分为同步施工和不同步施工,同步施工是指近接基坑的每道内支撑同时施工,有利于围护墙受力均匀,消除偏心载荷,降低近接基坑之间开挖卸荷产生的相互影响[3-6]。实践中,近接基坑很难同步施工,以不同步施工时序居多。不同步施工时序归结为两种:“先深后浅”时序、“先浅后深”时序。

“先深后浅”时序最显著的优点是施工浅基坑时,浅基坑坑底土体阻止了深基坑通过衔接段向浅基坑位移,施工风险小,行业内称之为顺时序。但因为协调等原因导致施工不一致,实践中常见“先浅后深”时序,其最明显缺点是:深基坑施工时,在浅基坑中已建成建筑物荷载、土压力、地下水压力作用下,浅基坑可能通过衔接段向深基坑位移,施工风险大,行业内称之为逆时序。

因此,衔接段事关近接基坑安全,进行衔接段支护结构安全性研究具有必要性和紧迫性。作者依托南京市欢乐广场B地块基坑工程,对近接基坑施工风险最大的逆时序,选取衔接段埋入式支护桩位移、衔接段周围土体位移场作为代表进行了数值模拟分析,进一步验证了贯通式衔接段支护结构的安全性,文章中介绍的设计思路、支护结构组成、参数选取和数值模拟方法等可供同行借鉴参考。

1 工程概况

欢乐广场B地块位于南京市六合区,建筑面积312 840 m2,3层地下室,桩基础。B地块基坑围长1 144 m,面积38 419 m2,B地块基坑西北侧为正在进行主体结构施工的欢乐广场A地块基坑(见图1)。A地块为地下2层,基坑开挖深度8.85 m～9.25 m,先于B地块开挖。B地块基坑开挖深度14.40 m～16.15 m,B地块3层地下室中的第一层、第二层地下室分别与A地块中第一层、第二层地下室贯通。两地块外墙间距约为3.0 m。由上述描述可知:A地块基坑、B地块基坑为近接基坑,衔接段TA长434 m,贯通式衔接段中狭窄长条形土体宽度不大于3.0 m,施工时序为施工风险最大的逆时序。

2 贯通式衔接段支护结构技术特点

衔接段支护结构主要技术特点如图2所示,由图2可知:第一道内支撑、第二道内支撑通过承重柱分别对撑于已完成的浅基坑中-1层、-2层顶楼板;在浅基坑-2层顶楼板内预埋了传力型钢,增强传力性能、便于后期换撑;第二道围檩中使用吊筋;衔接段支护桩为埋入式,没有出露地表;第三道内支撑对撑于衔接段预先施工的支护桩桩顶冠梁中心处,通过承台配筋伸长与冠梁拉接,辅以与冠梁混凝土相同强度混凝土回填,与浅基坑中已完成底板连接。

3 贯通式衔接段支护结构数值分析

贯通式衔接段支护结构剖面计算支撑刚度按0.5倍取值,依托《北京理正深基坑支护结构设计软件F～SPW》7.0版进行设计稳定性计算,获得贯通式衔接段支护结构主要技术参数(如表1所示)[7],内支撑中心标高分别为-0.40 m,-6.30 m和-10.45 m。因为土体性质复杂性和计算模型局限性,理论计算很难得到深基坑开挖卸荷过程中衔接段埋入式支护桩位移、衔接段周围土体位移场等[8],因此采用PLAXIS有限元软件对衔接段在分步开挖过程中支护结构和周围土体的变形情况进行数值分析,同时验证贯通式衔接段支护结构设计的合理性。

表1 B地块基坑内支撑参数表

3.1 计算模型

B地块基坑内支撑跨度80 m以上(见图1),相对于16.15 m开挖深度来说,按平面应变、对称问题进行分析引起的误差可忽略。从基坑正中心往A地块方向取衔接段中部计算剖面进行分析,B地块基坑第一、二道内支撑是通过A地块地下室最外侧承重柱作用在楼板上,因此计算模型除包含B地块的支护桩、内支撑外,还应考虑A地块地下室外侧承重柱以及地下室内部楼板对刚度的贡献。

3.2 模型参数

表2 衔接段数值模拟计算参数表

为了便于模型建立和网格划分,按刚度等效原则把埋入式支护桩等效成地下连续墙。贯通式衔接段支护桩桩径为800 mm,桩间距为1 000 mm,按照刚度等效原则等效后的连续墙厚度为623 mm。另外,地下室结构的轴向刚度和抗弯刚度可由混凝土强度等级、构件尺寸计算得出。由于建模时不考虑地下室内竖向墙、柱,因此对于地下室-1层顶楼板与-2层顶楼板,分析时只考虑其轴向刚度和抗弯刚度的贡献,不考虑其结构自重。支护桩、结构物理力学参数如表3所示。

3.3 模型建立

从基坑正中心往A地块方向选取衔接段中部的计算剖面进行有限元分析。在水平方向,坑内部分为深基坑中心至支护桩,坑外部分自支护桩向A地块方向延伸至少5倍开挖深度,由于A地块地下室面积较大,模型竖向边界处仍为地下室及其下土层;竖直方向按土层实际分层情况设置,并自坑底向下延伸约开挖深度的3倍,模型总尺寸为100 m×60 m。土体采用15结点的三角形等参单元模拟,支护桩、地下室结构物均按线弹性材料考虑,采用板单元模拟,水平内支撑采用弹簧单元模拟。左右边界约束横向位移,上边界自由,下边界为固定边界,约束横向位移和竖向位移(见图3),有限元分析过程如表4所示。

表3 埋入式支护桩、地下室结构计算参数表

表4 衔接段有限元分析过程

3.4 模拟结果分析

1)衔接段埋入式支护桩变形:图4为数值模拟计算剖面处衔接段埋入式支护桩不同工况下最大侧向位移及对应深度。由图4(a)可知:支护桩侧向位移在前两次开挖时发展较慢,当开挖深度超过6.78 m后,桩体侧移增长较快。因为开挖初期,埋入式支护桩顶位于开挖面下方较远,支护桩两侧土压力差较小,开挖对位于土层深处的支护桩影响较小;当开挖深度大于6.78 m后,坑内遇到强度较低的淤泥质粉质黏土层,支护桩内、外侧所受的土压力差增大,且支护桩顶距离开挖面较近,导致桩体变形增长较快。由图4(b)可知:当开挖面位于埋入式支护桩顶以上时,支护桩体最大侧移位置出现在桩顶,随着开挖深度增加,当开挖面位于埋入式支护桩顶下方时,桩体最大侧移的深度也不断下移,最大侧移对应的深度位于开挖面附近以下。

图5为数值模拟计算剖面处衔接段埋入式支护桩在不同工况下的桩顶变形。

由图5(a)可知:开挖面位于埋入式支护桩桩顶上方时,桩顶侧移随基坑开挖深度的增大而增大,当开挖至埋入式支护桩深度后,桩顶侧移逐渐减小,这是由于架设于支护桩顶的第三道混凝土支撑较好地约束了支护桩上部的变形,桩顶水平位移在钢筋混凝土支撑的作用下出现一定的变形回复,桩顶的水平位移减小。有限元计算结果显示,基坑开挖至16.15 m深处桩顶侧移为1.75 mm,紧邻衔接段的CX3土体深层水平位移监测点的监测结果显示(如图1所示),在16 m深处土体水平位移为1.46 mm,两者数值非常接近,表明有限元计算结果较好地模拟了衔接段在基坑开挖过程中土体的变形情况,同时证明了贯通式衔接段支护结构设计是安全、经济的。

由图5(b)可知:基坑开挖时土体处于卸荷状态,支护桩桩顶的垂直位移表现为回弹非沉降;随着基坑开挖深度的不断增大,桩顶回弹表现为随挖深线性增长;开挖至基底时,桩顶回弹呈现出稳定的趋势。

2)衔接段周围土体位移场:衔接段周围土体位移场用坑底隆起量表示,实践中无法对坑底隆起量进行监测,只有通过数值模拟进行分析,图6为衔接段深基坑侧开挖引起的土体竖向位移场。从图6可知:土体竖向位移主要集中于坑底被动土压力区和坑外一倍开挖深度的主动压力区,推断出深基坑开挖卸荷对周边敏感环境的影响范围在开挖深度的2倍左右。

图7为不同工况下基坑内土体隆起变形。由图7(a)可知:B地块深基坑底土体的隆起呈现出平稳变化的形态,说明坑底土体隆起量处在弹性阶段,基坑稳定性较好。由图7(b)可知:坑底土体的隆起量随开挖深度的增加呈线性增长,但总体隆起量不超过15 mm,小于25 mm～35 mm的监测报警值[13]。

4 结语

1)贯通式衔接段有益于地下空间的开发利用,但因为衔接段的支护桩为埋入式,目前市场上流行的基坑支护结构设计软件很难在设计阶段准确获得贯通式衔接段埋入式支护桩位移、衔接段周围土体位移场等事关贯通式衔接段支护结构安全性的参数,而数值模拟是一种科学的基坑支护结构安全性能评估的方法,能进一步验证贯通式衔接段支护结构设计的合理性。

2)对“先浅后深”逆时序的近接基坑,因为施工风险大,施工实践中不可预测因素太多,建议在施工前进行不同开挖工况下衔接段支护结构和周围土体变形情况等数值模拟分析。