深基坑单排桩加内支撑支护结构有限元分析

2024-01-08张阳阳

黑龙江工业学院学报(综合版) 2023年11期

王松,张阳阳

(淮南联合大学建筑与艺术学院,安徽淮南 232038)

基坑工程的稳定性主要由土体稳定性、土体强度及土体和支护结构相互作用关系决定。这些年来随着城市地下工程及高大建筑的发展,深基坑工程项目越来越多,而城市周围环境复杂且用地紧张,这些因素都加大了深基坑开挖和支护的难度。虽然目前我国深基坑支护结构类型较多,如锚桩支护、排桩支护、地下连续墙支护等,但由于施工土体性质、周围环境及施工荷载等原因,造成基坑土体和支护结构变形和受力过大,从而破坏了基坑的稳定性。为此,国内外做过很多相关内容的研究,如:孙超[1]对深基坑排桩支护、土钉墙支护和新型地下连续墙等多种支护形式进行了总结。郭永成等[2]在软土地基中,针对不同基坑支护形式的支护效果进行了研究,得出多种组合支护形式对深基坑软土地基有良好的支护效果。徐凌[3]利用FLAC-3D软件对不同深基坑工程进行模拟分析,研究不同基坑支护结构受力和变形,得出排桩加内支撑的结构形式支护效果更好。Leiyu Zhang[4]分析了软土基坑开挖时,基坑中的土体变形及土体的力学特征。在整个研究过程中运用数值模拟、有限元分析计算等方法,得出的结论能够真实反映基坑开挖后土体的力学特征。Han L[5]对排桩支护的深基坑工程进行现场监测,从而得出支护桩体的位移变化,进而研究桩顶和桩身的变形规律。Phillip S.K[6]对深基坑中的排桩支护进行了研究,分析了排桩桩身的受力特征和位移,得出了排桩数越多,桩身变形控制越好的结论。Ilyas.T[7]研究了深基坑排桩在受到外部荷载时的变形和受力特点,得出排桩的变形可以通过增加排桩的数量得以控制。目前在国内外关于基坑支护的理论研究有很多,但有些研究理论很难做到精准控制基坑变形或者基坑支护相关研究理论的安全系数过高,造成不必要的经济浪费。单排桩加内支撑的支护形式可以优化基坑支护形式,同时研究方法采用Midas模拟软件进行模拟,通过参数设置可以做到精准控制,为基坑支护工程提供理论依据。

1 工程概况

本项目基坑宽度为32.6m,开挖深度为8.2m,基坑放坡深度为1m,以1:1进行放坡同时采用C20喷射混凝土进行护坡,基坑其余深度为垂直开挖,四周做了混凝土强度为C30的地下连续墙。在基坑1m和4m深处设置了截面尺寸为1000mm×700mm的钢筋混凝土冠粱和腰梁,同时配有截面尺寸600mm×600mm的混凝土内支撑,混凝土强度为C30,桩体采用直径为500mm,强度为C35的混凝土桩体,并在桩体下部设置了高度2m,强度为C40的桩基础,深基坑整体支护结构如图1所示。

图1 深基坑排桩加内支撑支护结构

通过地质勘查得出整个深基坑土层从上往下分别为杂填土、淤泥质土、粘土、粉砂夹粉土、粉细砂,各土层及不同强度混凝土物理力学参数如表1和表2所示。

表1 各土层主要的物理力学性质参数

表2 不同强度混凝土物理力学性质参数

2 现场监测

深基坑开挖时,支护结构受到土体压力及周围动荷载的影响,基坑会出现比较明显的变形,甚至是基坑失稳,因此深基坑开挖要做好基坑监测工作。

2.1 基坑沉降监测

基坑沉降监测时在基坑周围埋设三个以上的基点,方便相互校核检验,并且能够形成较为稳固的基准网[8]。监测开始时,可对设置的基准网进行定期监测以此来判定各个基准点是否正常,如果异常可以对数据异常的基准点进行修正。在测量监测点的高程时,一般通过闭合的水准测量从而引测到各个监测点上,得到监测点的高程,将不同时间段测量的高程与原始高程相减,其绝对值就是基坑土体在不同时间段的沉降值。在基坑开挖前布设的监测点首次测量得到原始高程,随后监测频率为一天一次。如果监测点的沉降数据不符合规范,可适当增加监测次数。当基础结构施工完成时,可以停止监测[9]。

2.2基坑水平位移监测

基坑水平位移采用轴线投影进行测量,在基坑两端各取两点作为基准点,两点则连成一条基准线。将全站仪加设在一点,定向于另一点,观测时读取监测点到基准线的准直距离,然后将不同时间段的测量值与原始值进行相减,取绝对值则得到监测点的水平位移[10]。

2.3基坑支护位移监测

根据现场基坑的实际情况,对于基坑中的围护结构、排桩及内支撑采用极坐标法进行测定[11]。在基坑中部、端部及阴阳角的位置布设监测点,同时在基坑项目的影响范围之外,视野开阔的地方选取基准点。通过基准点,进行基坑支护位移监测。在实际的基坑测量工作中,为保证测量结果的正确性,要求监测点坐标误差小于1mm,累计报警值不得超过40mm,基坑结构位移速率不得超过3mm/d,监测频率为1天监测1次,初始监测为2次[12]。

2.4 基坑桩体的应力监测

桩体内的应力选用应力计进行测量,根据设计要求每根桩体内外两侧个各埋设应力计,同时在支护桩体纵筋施工过程中安置传感器,两者同步进行[13]。等桩体达到一定强度后,应力计进行归零设置,随后每隔2天测量1次。在基坑开挖过程中,如果出现支护桩体受力变化过快或者出现异常,则需要增加监测频率。当基监测数据稳定后,可减少监测频率,当主体基础结构施工完成时,基坑桩体的应力监测结束[14]。

3 Midas模拟深基坑单排桩加内支撑支护结构开挖

本次深基坑开挖模拟采用三维模拟,相比于二维模拟,三维模拟不再只以点、线单元构成的模型,分析地更加直观和准确。另外,在深基坑开挖1m范围内,通过软件设置了1:1的坡度,同时采用C20喷射混凝土进行护坡,这样计算的数据结果更加真实可靠。按照地质资料整个基坑分为5层,从上到下分别为1.5m杂填土、1.8m淤泥质土、2.4m粘土、0.6m粉砂夹粉土、1.9m粉细砂。深基坑中的支护结构冠梁、腰梁、内支撑、桩体、桩基础等参数依据实际情况进行设置,模型的边界约束自动设置,土层和支护结构的重力根据材料容重乘以重力加速度得出。根据深基坑开挖影响范围,整体模型的宽度和长度为深基坑的两到三倍,模型的深度为深基坑的三倍以上。整体模型划分网格统一采用混合网格,如图2所示。混合网格可以提高计算网格的质量并降低求解区域网格的离散难度,能够很好地离散复杂的计算域,提高计算的精确度[15]。

图2 深基坑排桩加内支撑支护结构网格划分

由于深基坑开挖是一个动态过程,所以需要定义施工阶段组。第一阶段为“初始阶段”,激活各开挖土层、重力及边界约束[16]。第二阶段“开挖-1”,激活第一道内支撑、冠梁、立柱、围护桩及喷射混凝土护坡面,钝化杂填土层;第三阶段“开挖-2”钝化淤泥质土,第四阶段“开挖-3”激活第二道内支撑和腰梁,钝化粘土;第五阶段“开挖-4”钝化粉砂夹粉土;第六阶段“开挖-5”钝化粉细砂,各施工阶段设置完成后,运算分析。

4 数据分析

4.1 基坑表面沉降

深基坑在开挖过程中,不可避免会对周围土体产生扰动,从而基坑会产生不同程度的沉降。根据基坑现场监测和Midas软件模拟可得数据图3和图4,图3表明随着深基坑开挖,基坑周围同一节点的沉降也在增加,基坑地表沉降最大值出现在“开挖-5”,计算模型图如图5所示。由于模拟时,未考虑地下水以及基坑周围荷载的影响,造成测量值和模拟值存在差异,但变化趋势一致。基坑开挖完成后,基坑周边不同节点的沉降值如图4所示,离地下连续墙较近的节点,沉降值较小,随着距离的增加,沉降值先增大并达到最大值,随后离基坑周边越远的节点沉降值越小,直至沉降不明显。

图3 基坑地表沉降值

图4 距坑壁不同距离地表沉降

图5 地表沉降最大值开挖-5模型图

4.2 基坑坑底沉降

深基坑在开挖的过程中,由于坑底土上部土体不断减少,导致坑底土上部荷载降低,坑底土向上回弹;同时由于基坑变形,围护墙体向坑内侧移动,挤压基坑内土体向中间移动,导致坑底土向上隆起;随着基坑的开挖,坑底土最大隆起高度不断增加,并且基坑中心处的隆起最大且坑底土最大隆起高度在“开挖-2”阶段,位于基坑中心处,如图6所示,图6为将模型其他部位隐藏,只显示坑底土变形的模型图。通过模拟计算和现场基坑监测得到“开挖-1”阶段至“开挖-5”阶段坑底土最大隆高度,如图7所示。图7表明坑底土隆起的高度随着离基坑中心的距离越远,呈非线性降低。随着时间流逝,基坑中心的隆起将慢慢降低,整个基坑坑底变成中间低两边高的形状。

图6 坑底土最大隆起模型图

图7 离基坑中心不同距离隆起高度

4.3 围护结构水平位移

深基坑在开挖过程中由于土体向内挤压,造成围护墙体产生水平位移,位移结果如图8所示。

根据测量点监测和Midas数据模拟得出围护结构水平位移情况如图9所示,图9表明深基坑开挖过程中,围护墙体水平位移不断增加并且基坑开挖深度较小时,围护墙体水平位移不大。随着深度的增加,围护墙体水平位移先逐渐增大,然后减小,围护墙体水平位移最大值在深基坑深度2/3处。这主要由于围护结构设有两道钢梁,钢梁约束了围护结构的水平位移,致使围护墙体的最大位移向下移动。从图9中可以看出围护墙体水平位移的测量值和模拟值变化趋势基本保持一致,表明Midas能真实模拟基坑开挖过程中围护墙体位移变化。

图8 基坑围护结构水平位移

图9 围护结构水平位移

4.4 支护桩体弯矩

深基坑支护桩体主要作用是抵抗由于土体滑动产生的侧压力,由于混凝土抗压能力强,而抗弯能力比较弱,因此文本研究了支护桩体的抗弯性能。深基坑在开挖过程中支护桩体的弯矩图如图10所示,从弯矩图中可以看出由于第一道和第二道支撑的约束作用,所以在该位置弯矩产生了突变。随着基坑的开挖,支护桩体弯矩的最大值在不断下移,弯矩的最大值为132.8kN·m,符合规范要求。