软土深基坑组合开敞式支护数值模拟与监测分析

摘 要:

以某沿海地区深基坑工程为背景，介绍了软土地区采用分级卸荷、重力挡墙和桩锚组合的开 敞式基坑支护型式。通过建立三维有限元模型模拟基坑开挖过程，对比数值模拟和现场监测结果，分 析了基坑支护桩水平位移和锚杆力的变化规律。结果表明: 支护桩变形和锚杆力的模拟值与监测结果 趋势一致，实测结果与预测值的整体偏差在 15%以内，基坑工程处于安全稳定状态; 三维有限元模 型可以较好地考虑基坑在组合支护情况下重力挡墙和空间效应对桩锚结构受力的影响，具有较高的可 信度; 对于软土基坑，将重力挡墙和桩锚组合，并结合分级卸荷，改变了支护结构上的土压力分布规 律，能够有效控制基坑变形，确保支护结构稳定。应用成果可以为同类工程提供参考。

关键词:

软土地区; 深基坑; 桩锚支护; 数值模拟; 动态监测

赵凌云( 1976—) ，女，高级工程师，硕士，主要从事水工结构及岩土工程设计与研究工作。E-mail: 154503041@ qq. com

引用：

赵凌云，路威，秦景，等． 软土深基坑组合开敞式支护数值模拟与监测分析［ J］ . 水利水电技术，2020，51( 2) : 155-161.

ZHAO Lingyun，LU Wei，QIN JING，et al． Numerical simulation and monitoring analysis of composed open-typed support for deep soft soil foundation pit［ J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 2) : 155-161.

0 引 言

随着 会经济的快速发展,地下空间的开发利用规模加大,使得基坑工程日益增多,且向更深更大的方向发展 沿海地区,其工程地质和水文地质条件较差,受潮汐影响严重,部分区域软土层深厚,力学性质差,增加了基坑工 度。在基坑支护结构选型过程中,不仅需要考虑结构自身的安全稳定,还要结合周边的环境条件,在环境条件允许 下,开敞式的支护型式由于具有投资省,工效快,结构形式简单等特点,更具有优势。

对于软土地区深基坑,一方面由于支护结构受力大、变形难以控制,且易失稳,单一的支护方法很难满足复杂 设计,多种支护方案组合应用越来越多,以解决支护结构所承担的较大土压力。张玉成等在总结基坑支护型式 设计存在问题的基础上,具体介绍了复杂环境下某深基坑所采用的多种支护型式;秦景等介绍了不同组合支护 某沿海软土深基坑中的应用;赵云等介绍了浅海钢板桩围堰与软土深基坑支护协同设计方法,分析了钢板桩和 生连续变形后采取的加固措施和应用效果;路威等 通过现场试验,研究了基坑桩锚支护下旋喷锚杆的锚固体直 方法和影响参数;蔡建军等 以某复杂深基坑工程为例,介绍了一种深基坑多层支护方法。

另一方面,对于基坑支护,现阶段的主要研究手段是以理论分析为基础,通过有限元对基坑施工过程进行三维 结合现场监测结果分析,但是对于组合式支护,由于结构型式复杂,理论计算方法不能完全考虑结构的组合受力 需要采用数值计算等手段。何志勇等 以深圳某工程为例,结合数值模拟和现场监测,研究了深基坑在桩撑和桩 合支护下结构的变形和受力特点;潘旭亮等 结合实际监测结果,通过反演得出桩身弯矩,并与传统的m法和等值 行比较,认为传统设计方法具有优化空间;周勇等 以桩锚支护结构相互作用的基础上,建立静力平衡方程,对桩 协调条件进行了改进;李方明等 基于江漫滩地铁深基坑的变形实测资料,采用理论分析、经验公式和有限元数 方法,总结了悬挂式帷幕基坑变形规律;叶帅华等 分析了兰州市某地铁车站施工过程中的桩顶水平和竖向位 表沉降、钢支撑轴力及地下水位的监测数据,并对基坑开挖过程进行了数值模拟。

1 工程概况

1.1 场地概况

二期泵房基坑位于某核电站场区东侧,邻近北侧护堤。基坑东侧为预制件车间,南侧为重件道路,西侧为已建 期泵房,北侧与挡潮海堤相接。泵房主体结构地下净尺寸为90 m×60 m×32 m(长×宽×深),底板设计底标高-20 现状地面标高为+11～+12 m,实际基坑开挖(考虑放坡)尺寸为128 m×112 m×32 m(长×宽×深)。基坑工程安全 一级。

1.2 工程地质概况

该工程所在场地雨季较长且暴雨频现,常有台风发生。厂区原始地貌为滩涂和岛礁,地形呈簸箕状,岩面呈南 滩涂淤泥及软土层分布为南浅北深,东北角最深,下伏软土层厚为15～45 m。厂区场坪经碎石回填标高为+12～ 地下水位为+2.0～+3.63 m。

在勘察深度范围内,基坑场区地层主要分为6大层,而本基坑开挖深度及基坑围护影响深度范围内主要土层 层回填块石;第③ 层黏土;第③ 层粉质黏土。基坑范围内各岩土层层序、层名、岩土特征及空间分布等如表 要地层物理力学参数如表2所列。

2 工程难点

本基坑支护工程的难点主要有:(1)基坑开挖规模大,深度深,工期要求短,支护设计需要结合开挖工期;(2)基坑 已建构筑物、重件道路和挡潮护堤约束,场地受到限制,无法大范围卸荷,且变形控制严格;(3)基坑场区地下水位 紧邻海堤,需要同时考虑挡潮防渗;(4)基坑上部为碎石回填层,中间夹深厚软弱黏土层,物理力学参数差,支护结构 (5)设计坑底位于黏土层,岩面深度大,且变化不一,呈由西南向东北倾斜,基坑支护易产生整体失稳。

表1 岩土层层序、层名、岩土特征及空间分布

图1 二期泵房深基坑开敞式支护平面布置(单位:m)

表2 主要土层物理力学参数

3 支护设计

鉴于本基坑工程规模大、开挖深、工期短,采用内支撑方案不可避免地会与基坑开挖产生冲突,严重影响工 结合场地条件,设计采用全开敞的支护方案,以桩锚为基础,通过分级卸荷和重力挡墙,降低作用在支护结构上的 并增大支护桩前的被动区土体抗力的组合支护措施,保证支护结构的稳定性。同时在支护结构外围,结合地下水 潮高程,单独设置素混凝土桩止水帷幕,止水帷幕进入低透水软土层1.5～6 m。基坑支护平面布置如图1所示。

基坑支护设计综合考虑支护和开挖运输条件,方案如下:(1)基坑西侧和南侧,对回填层采用1∶1分级放坡至0 考虑基岩埋深相对较浅,在0 m高程和-7 m高程处布置2级桩锚支护,同时在支护桩之间布置格栅状搅拌桩加固 (2)基坑东侧,对回填层进行1∶1分级放坡至-2 m高程,并在对软土层采用格栅状搅拌桩重力挡墙支护,台阶式卸 m,-7 m以下采用桩锚支护,基坑内临近支护桩3 m范围进行旋喷加固,防止支护结构产生整体失稳;(3)基坑北侧 方式与东侧相同,属同一典型剖面,但是北侧有主体结构盾构隧道下穿,采用旋喷桩整体加固;(4)施工道路以10% 东北侧+11 m高程降低至西南角-9 m高程。

基坑支护典型剖面如图2所示。

图2 基坑支护典型断面(高程单位:m,尺寸单位:mm)

4 计算模型及结果分析

4.1 计算模型

采用ABAQUS软件建立三维有限元模型,模拟基坑开挖支护过程,计算分析支护结构变形和锚杆受力。模型 围以基坑为基准,向四周和下部各延伸3倍的基坑设计尺寸。模型中土体的本构模型为摩尔-库伦模型,支护桩、 梁单元模拟,支护桩直径1 m,桩间距1.5 m;预应力锚杆采用杆单元模拟。模型共分为221 119个节点,222 257个 模型 格划分和支护结构布置如图3和图4所示。

图3 开挖完成后的二期泵房基坑有限元 格

图4 二期泵房基坑支护系统有限元 格

按照基坑实际开挖工序进行数值模拟,即首先分级放坡开挖至0 m高程,施加支护桩,然后根据设计锚杆高程 挖,开挖至对应高程后施加锚杆及预应力,再进行下一层开挖,直至开挖至坑底。

锚杆预应力通过在锚杆单元上施加相应的轴力进行模拟。锚杆自由段直径150 mm,岩石锚杆锚固段直径 旋喷锚杆锚固段直径500 mm。

4.2 计算参数

有限元数值模拟中岩石、重力挡墙和支护结构的物理力学参数如表3所列。

表3 岩土计算材料参数

4.3 计算结果分析

基坑开挖完成后的地层和支护结构的整体水平位移如图5所示。计算结果表明,基坑开挖完成后,基坑整体处 状态,最大水平位移约为170 mm,出现在基坑的北侧中下部;基坑的东侧中部和西北角水平位移也相对较大,最大 140～160 mm,而南侧则基本未产生水平位移。主要是由于:基坑南侧和西侧的基岩埋深相对较浅,基坑采用两 支护,后排(邻近基坑侧)支护桩桩底和预应力锚索的锚固段均位于基岩内,锚固区稳定,能够提供足够的锚固力,限 结构的水平位移;而基坑东侧和北侧,水平位移相对较大的原因主要有两个方面,一方面,基岩埋深较大,预应力锚固段和支护桩桩底均位于土层内,锚固段和桩底将产生一定的水平位移,另一方面,基坑上部采用重力挡墙支护 墙承受的部分土压力将会传递给支护桩,使得桩体承担的土压力增加,变形增大,因此出现支护结构的中下部呈整 这一趋势。在施工过程中,需要加强观测,特别是这一部位的变形发展趋势,并做好相应的应急处理措施。

图5 基坑开挖后的基坑的横向水平位移(单位:mm)

基坑开挖完成后支护桩的桩体弯矩分布如图6所示。由图6可见,由于锚索对桩体变形的限制作用,南侧和西 桩的中部产生约为1 421 kN·m的最大弯矩,与理论规律基本一致;而对于东侧和北侧,重力挡墙和支护桩联合作 桩的受力规律发生变化,最大弯矩出现在坑底偏下,约为-1 347 kN·m。

图6 支护桩的弯矩分布(单位:kN·m)

5 基坑监测结果与模拟值对比分析

在基坑开挖和主体结构施工过程中,进行了支护桩桩体位移、锚索轴力、土体深层水平位移和基坑周边地 等4项监测项目,监测点的布置如图1所示。

5.1 基坑变形

监测数据从基坑开挖起,至基坑开始回填结束,以完整反映基坑整个施工期和使用期各项指标的变化过程,掌 的安全状况。主要测点的监测结果如表4所列。由表4可见:(1)对于边坡的坡顶水平位移,基坑北侧相对较大,最 58.91 mm,东侧最小,仅为22～58 mm,主要是由于基坑北侧由于邻近护堤,卸荷范围有限,且海潮波动也会对边 影响,而东侧结合开挖出土道路,卸荷范围相对较大,且边坡下部重力挡墙有效限制了坡底的水平位移;(2)对于基 地表沉降,从西侧中部至北侧、至东侧中部,均产生了100 mm以上的沉降,而南侧则仅为21.1 mm,主要是由于南 埋深较浅,且重件道路基础在基坑开挖前已经进行了加固处理,而其他部位,由于软土层较深,基坑开挖过程中产 重分布,土层的深层位移和压缩变形增大了地表沉降;(3)对于支护桩的桩顶水平位移,北侧中部和东侧中部最大, mm以上,特别是东侧中部,达到151.13 mm,而西侧中部和东北角相对较小,在70 mm左右,南侧则仅为1.66 mm。

表4 基坑变形监测数据统计

同时,对于软土基坑,边坡的水平位移和地表沉降,不仅产生在边坡开挖阶段,而且在基坑向下继续开挖过程 产生较大的持续变形,监测结果表明,基坑向下开挖过程中,边坡产生的水平位移和地表沉降达到最终值的27% 这在软土深基坑支护中应引起注意,特别是周边存在重要建筑物的情况。

5.2 支护桩水平位移监测值与模拟值对比

选取典型监测断面,对基坑支护结构的水平位移的数值模拟结果和实测值情况进行了对比,结果如图7所示。

整体上看,对于支护桩的水平位移,数值模拟计算结果和实测值总体趋势一致,且吻合程度较高,模拟计算结 但除北侧和个别测点外,偏差在15%以内。这表明,三维有限元计算模型能够较好地考虑软土基坑在重力挡墙和 合支护情况下的受力特点和空间效应对结构受力的影响,可信度较高。

数值计算结果和实测值产生差异的原因主要是数值模拟中并未考虑基坑内侧的局部土体加固对于坑底位移 效果,同时,数值模拟采用的重力挡墙参数可能比实际值略小,特别是北侧,数值模拟低估了旋喷挡墙的加固效果。

同时,从支护桩的水平位移上看,在采用重力挡墙和桩锚组合支护后,支护桩的最大位移出现在重力挡墙底部 偏下,特别是北侧,这一特征更加明显,旋喷挡墙的基础在坑底以下,相应的支护结构最大位移也出现在坑底以下 明,组合支护后,重力挡墙除自身承担一定的土压力外,还将会传递部分土压力给桩锚结构,导致桩锚结构上的土 布形式发生改变。

5.3 锚杆力监测值与模拟值动态对比

表5给出了典型支护断面上-9 m、-12 m、-15 m和-18 m不同高程处的四根锚索应力实测值和数值模拟 比。结果表明,锚索应力的数值模拟和实测值的对比结果与桩体变形的对比结果具有一致性,东侧、西侧和西北程度较高。同时,大部分锚索的最终应力仅在预应力的基础上增加了10%～15%,处于安全范围内,因此软土基坑 力挡墙和桩锚组合的支护型式能够确保支护结构的稳定。

表5 基坑应力监测数据统计

6 结 论

(1)三维有限元模型可以较好地考虑基坑在组合支护情况下重力挡墙和空间效应对桩锚结构受力的影响,模 和实测值吻合较好,可信度高。

(2)基坑开挖和使用全过程监测结果表明,重力挡墙和桩锚组合支护的结构形式,支护结构变形、锚索应力等 期范围内,基坑整体处于稳定状态。

(3)软土基坑采用重力挡墙和桩锚组合支护,并结合分级卸荷,改变支护结构上的土压力分布规律,能够有效控 变形,确保支护结构稳定,可为同类型的工程提供参考。

图7 基坑开挖后基坑的水平位移观测值与模拟值(高程单位:m，位移单位:mm)

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也 道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。