黄云龙
【摘 要】深大基坑开挖施工过程中,围护桩和支撑的变形与内力监测,是保障基坑和支护结构稳定性的重要措施之一.以某地铁车站路基深大基坑为例,采用ANSYS有限元软件建立二维模型,分析基坑支护结构在开挖过程中内力变化和位移的关系,并与实测数据进行了时比.结果表明:较其他三道钢支撑而言,钢筋混凝土支撑的轴力最大.基坑两侧围护桩剪力和弯矩分布基本上呈对称分布.由于基坑两侧围护桩长度和背后土层分布的不同,基坑东、西两侧桩体水平位移变化趋势及最大值所处位置有较大差异.
【期刊名称】《兰州交通大学学报》 【年(卷),期】2016(035)003 【总页数】7页(P45-51)
【关键词】深大基坑;支护结构;变形;内力 【作 者】黄云龙
【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安710043 【正文语种】中 文 【中图分类】U47
近年来我国的城市轨道交通、高速铁路、城际铁路等建设快速发展，在轨道交通引入城市后，与城市规划、既有建筑物、文物保护等在用地上存在交叉干扰.为了最大限度的减少征拆、保护文物，同时满足线路技术规范，一些深路堑车站边坡或区
间路基因受地形、城市规划、既有建筑物等不能放坡开挖、只能采用垂直开挖土体后施做符合地层特性的合理路基支挡工程，即基坑支护.这些支挡结构施做前需进行基坑开挖，基坑支护的力学过程复杂，需要深入研究支护结构与周围土体的相互作用、开挖过程中支护结构变形和内力的变化规律等[1].
在理论研究方面，白冰等[2]提出一个考虑空间效应的深基坑双排桩支护结构计算模型，并验证了其合理性.许海勇等[3]根据基坑工程围护墙变形实测数据的统计结果，利用弹性叠加法得到了水平位移的简化计算结果.黄嵘[4]提出一种考虑实际基坑变形引起的围护结构随变形内力变化的计算理论，并验证了其可行性.黄茂松等[5]在对支护结构入土深度影响分析的基础上，推导了符合极限分析上限定理的修正机构简化公式.耿建勋等[6]提出了一种基于非线性共同作用弹性地基反力法的土-结构相互作用实用计算方法.
随着监控量测技术的不断进步，施工过程中基坑及支护结构的变形和受力监测手段已日益成熟[7-9].熊智彪等[10]通过基坑变形监测结果，提出了相应的加固措施.张钦喜等[11]结合原位监测数据，分析了支护体系实际受力和理论计算结果的差异.通过监测数据和数值模拟结果的对比，姜忻良等[12]讨论了基坑开挖过程中支护结构的受力特征及对周围环境的影响.
作为监控量测手段的有益补充，数值模拟在基坑支护稳定性分析中亦发挥着至关重要的作用[13-14].娄奕红等[15]采用有限元-无界元耦合的方法进行了基坑支护结构内力及变形的动态分析.赵玉华等[16]采用FLAC3D有限元差分软件，研究了随着钢支撑的增加，围护桩体及周围土体变形的发育规律.武亚军等[17]提出了一种同时考虑开挖与支护过程以及双重非线性问题的有限元计算方法,并通过土钉支护基坑验证了其正确性.陈福全等[18]采用强度折减法，分析了不排水条件下软土地基中内撑式排桩支护基坑开挖过程抗隆起稳定性及其影响因素.殷德顺等[19]结合修正的邓肯-张模型模量公式，通过数值方法分析了不同方向卸载情况下支护结构的
位移和内力.
某车站工点地层以第四系海相交互相沉积层为主，覆盖层总厚度9～19 m不等；下伏泥岩，砂岩夹泥岩.站内路基全长2 300 m，其中挖方段长为830 m，基坑标准段宽25.7 m，局部加宽至28.5 m，开挖深度12～18 m.由于车站范围内地下水较丰富，水位变化幅度较大，在基坑开挖前二十天须进行坑内降水，以提高土体强度.
本次基坑支护结构设计为围护桩、旋喷桩止水帷幕及空间支撑体系组成. 1)围护桩
车站东侧基坑设计的围护结构为Ø1 250 mm@1 400 H型钻孔灌注桩，设计桩长26.0～29.0 m，桩锚固段需深入车站底板以下不小于10 m.其西侧基坑设计的围护结构为Ø1 500 mm@1 700 B型钻孔灌注桩桩，设计桩长34.0～41.0 m，桩桩锚固段需深入车站底板以下不小于17 m.于钻孔灌注桩顶设置矩形钢筋混凝土冠梁.灌注桩和冠梁分别采用C35和C30钢筋混凝土浇注；围护结构平面布置见图1. 2)桩间止水帷幕
东西侧围护桩桩间均设Ø900 mm@700三重管旋喷桩止水帷幕. 3)空间支撑
车站基坑的南侧，在施工完支护结构后，开挖土体时，需设置4道横向支撑体系；第一道支撑设置于冠梁上，采用C30混凝土浇注，其余第二至第四道均采用Ø606 mm钢支撑、支撑竖向间距平均为4 m；第四道钢支撑在施工结构底板时需进行一次换撑.空间支撑结构剖面如图2所示.
为确保施工安全，要对基坑及支护结构进行必要的监控量测，以及时调整开挖速度与位置，防止因围护结构变形过大造成安全隐患，影响施工进度.本文分析中，仅选取具有代表性的1-1断面(距离南端扩大端约50 m)的监测数据进行分析.
采用钢筋应力计对第一道钢筋混凝土支撑轴力进行轴力测试，用端头轴力计对第二、
三、四道钢支撑的轴力进行测试.空间支撑实测轴力曲线如图3所示.
由支撑轴力图3可知，第一道钢筋混凝土支撑所受轴力最大，峰值轴力约为第二、三、四道轴力之和；第一道支撑位于桩顶，所受力矩及位移最大，因此支撑轴力最大；但随基坑开挖及下部横撑的设置，其轴力大小随时间不断波动.第一道钢支撑施做后，钢筋混凝土支撑轴力由1 400 kN逐渐减小到900 kN；而钢支撑架所受轴力是缓慢增加，约20 d后趋于稳定，维持在250 kN.第二道钢支撑的轴力则快速增大，约10 d后达到峰值599 kN，其后轴力逐渐减小并在501 kN处趋于稳定.第三道钢支撑的轴力变化波动不大，在405 kN附近上下变化.
钢筋混凝土支撑峰值轴向所受应力约为2.8 MPa，远小于C30钢筋混凝土的抗压强度.第一道钢支撑峰值轴力为350 kN，设计值为2 017 kN，实际发挥17.3%；第二道钢支撑峰值轴力为599 kN，设计值为2 192 kN，实际发挥27.3%；第三道支撑峰值轴力为430 kN，设计值为1 200 kN，实际发挥35.8%.通过实测支撑轴力或应力，比设计值进行对比分析，其结果是满足基坑支撑结构安全要求的. 通过实测围护桩水平方向位移，分别对基坑西侧和东侧围护桩绘制桩体开挖深度与位移关系图，如图4所示.由图4a可知，西侧围护桩桩体向下15 m范围内，是向基坑外侧发生位移，且随着开挖深度的增加而增大；桩顶下1 m处开挖到设计高程后达到最大值，约为15.8 mm.从位移观测值可看出：一是靠近地表处，桩顶位移较大；二是随着支撑体系的建立，位移随桩体深度增加逐渐减小；三是支撑体系施工结束后，维护桩整体位移很小，最大约3 mm；四是基坑底部以下的桩体位移向基坑内侧、但值较小、不到1 mm，说明坑底以下的桩体基本没位移及变形，可以看作锚固端[20].
由图4b可知，桩体在地面下5 m范围内，位移方向是朝向基坑外侧的，最大值为7.5 mm；围护桩5 m以下的位移方向是朝向基坑内侧的，最大位移发生在第二道和第三道钢支撑之间，最大值为24.8 mm；位移与图3中第二道钢支撑轴力
最大的情况一致，与施工工况相关.
对比图4a和图4b可知，位移与基坑地层情况厚度和围护桩设置长度相关，两侧围护桩位移沿桩长方向变化规律不同. 1)同一种材料为均质、各项同性体；
2)围护结构为线弹性体，桩体和土体之间不产生滑动； 3)土体为理想均值弹塑性材料，遵循Druker-prager屈服准则. Druker-prager准则的表达式为
地铁车站基坑呈南北向长，将其开挖工况简化为平面应力应变问题来解决.以基坑1-1断面为标准原型建立有限元二维模型.围护桩可以等效为板桩，其弹性模量按照下列公式进行计算[21]： 围护桩和支撑参数见表1所列.
根据文献[22]，基坑开挖影响范围一般为横向3～4倍开挖深度，竖向2～4倍开挖深度.设计维护桩长为29 m，因此，选取长140 m×80 m作为有限元二维模型，如图5所示.有限元模型设计中，把围护桩和支撑均按“梁”模型构建，以PLANE42单元模拟地层分布.本次计算未考虑地下水.
根据地质勘查报告，基坑两侧土体可分为6层，各层土体的物理力学参数如表2所列.
深基坑的开挖工序对支护结构受力及位移影响较大，严禁基坑开挖结束后施做支撑；正常情况下应按“分层开挖且先撑后挖”原则施工，但现实中存在钢支撑架设的空间问题，一般是开挖到钢支撑以下0.5 m的位置，停止开挖，架设钢支撑结构.模拟开挖、支护工况按五个步骤进行：第一步基坑开挖至-1.5 m，浇注钢筋混凝土支撑，待养生至设计强度；第二步开挖土体至-6.5 m，架设第一道钢支撑；第三步开挖至-10.5 m，架设第二道钢支撑；第四步开挖至-14.5 m，架设第三道钢支撑；第五步开挖至坑底-18.0 m，第三道钢支撑发挥作用.ANSYS中的荷载步功能
可以实现不同施工步骤间的连续计算，杀死和激活单元可以实现土体开挖和支护结构架设，二者共同实现基坑的分层开挖.
基坑西侧和东侧围护桩桩体水平位移的数值分析结果分别如图6a～6b所示.由图6a可知，第一步开挖时，围护桩桩顶有向基坑内侧发生位移的趋势，随着开挖的进行，桩体向基坑外侧发生位移，开挖完成后最大位移位于桩顶，约为8.9 mm.由图6b可知，基坑开挖整个过程中，围护桩的位移均向基坑内侧，峰值位移约为15.2 mm，位于第二道和第三道钢支撑之间.
与图4所示的实测结果对比分析可得，西侧围护桩桩体位移实测值与计算值变化趋势基本相同，较实测数据而言，数值模拟结果较小.东侧围护桩桩体位移的计算结果在桩体上部的变化趋势与实测数据有较大差异，没有出现向基坑外侧发生位移的情况，但其下部变化趋势基本相同.
施工过程中，基坑周围地面上临时活荷载的存在以及桩体未达到设计强度就承担土压力等因素的影响，实测结果与计算结果在数值和趋势方面出现差异.
图7a～7b分别为基坑东西两侧围护桩桩顶垂直位移实测值与模拟计算值的对比结果(正表示隆起，负表示沉降).分析图7a可知，在开挖初期，西侧桩桩顶实测垂直位移有少量上浮.随着基坑开挖深度的增加，开始发生沉降，且沉降量越来越大，最大沉降值约为15.2 mm.而有限元模拟结果在基坑开挖时就出现沉降，随后产生些许上浮，在第二步开挖时又出现沉降，最大值为17 mm.由图7b可知，东侧围护桩则自开挖起持续沉降，实测最大值为14.6 mm，计算最大值为18.7 mm. 按照假定模拟计算西、东两侧基坑在各种工况下的弯矩值，分别如图8a～8b.从图8a可知，第一步开挖时西侧桩桩顶弯矩较大，其后沿桩身往下逐渐减小，并在10 m以下桩体产生较小的正弯矩.开挖至第二道支撑时，桩顶弯矩变化不大，桩体正弯矩位置上移，基坑底部附近桩体弯矩值为负.第三步开挖时，桩体弯矩变化较小.开挖完成后，基坑底部(悬臂端)以上桩体的弯矩曲线呈“弓”字形，基坑以下(锚
固端)的桩体有较大负弯矩.最大负弯矩为1 150 kN·m，位于桩顶；最大正弯矩为617 kN·m，位于第二道钢支撑附近.
由图8-b可知，基坑底部以上的弯矩沿桩长的变化趋势与西侧桩体基本相同，呈对称布置.东侧桩体最大负弯矩约为750 kN·m，位于第二道钢支撑附近；最大正弯矩约为1 102 kN·m，位于桩顶.
图9a～9b所示分别为基坑西、东两侧围护桩桩体剪力随深度变化的模拟结果. 由图9a可以看出，基坑西侧围护桩在第一步开挖时桩顶剪力较大，且随桩体埋深增大越来越小.较第一步开挖而言，第二至第五步开挖时，桩体上部剪力均迅速增大，且沿桩长方向剪力波动较大.基坑开挖完成及第五步开挖完成后，桩体剪力沿桩长波动最为明显，且在基坑深度约18 m处达到最大值316.4 kN.
由图9b可知，基坑底部以上，东侧围护桩剪力沿桩体深度的分布情况与西侧围护桩大致对称.其最大剪力也发生在基坑深度约18 m处，约为354.3 kN .
采用ANSYS有限元软件，建立了某车站路基基坑开挖的二维模型，通过实测维护体系位移和内力数据关系和有限元数值模拟的结果进行对比分析：
1)围护桩顶设置的钢筋混凝土横撑在基坑开挖过程中所受轴力最大，在支撑体系中发挥作用无可替代；第二道钢支撑的轴力次之，在各种工况下变化较小、相对稳定. 2)围护桩桩体的弯矩、剪力等内力分布基本对称，其受力模式和悬臂梁相同，最大弯矩位于桩顶，最大剪力位于悬臂端和锚固端分界处(基坑底部位置).
3)西侧围护桩产生朝向基坑外侧的位移，最大值位于桩体顶端；东侧围护桩上部桩体发生朝向基坑外侧位移，下部桩体产生朝向基坑内侧位移，最大值位于距桩顶14 m处.
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容