陈 强

(中铁十八局集团第四工程有限公司,天津 300350)

0 引 言

随着城镇化进程不断推进,土地成为紧缺资源。为了最大化土地利用率,需要将建设区域复杂地质水文因素纳入考虑,这给基坑开挖项目提出了更加严格的要求[1-2]。因为随着基坑施工难度的增加,作业难度也随之增加,使得基坑工程事故率陡增[3]。这对本就属于软弱土层的沿海地区来说,如何在住宅基坑项目中设计出满足安全可靠的支护结构就显得更为重要[4]。研究旨在将预应力锚索和SWM工法桩相结合进行支护结构设计,并借助有限元数值模型考察其在各种工况下锚索预应力以及桩身形变和位移的变化情况。

1 基于有限元数值计算分析的复合支护设计

1.1 锚索-SWM工法桩复合支护设计

锚索和SWM工法桩复合支护设计中,锚索可以分为预应力锚索以及无预应力锚索两类。预应力锚索具有柔性好、加固深度大、主动受力以及施工便捷等优点。图1为支护设计整体稳定性测算示意图。

图1 支护设计整体稳定性测算示意图

图1示意图反映了在基坑工程项目设计中支护结构整体稳定性的计算原理,保证支护结构满足整体稳定性要求对于基坑作业至关重要。研究选择条分法和有效应力分析支护结构整体稳定性,公式(1)和公式(2)为对应的分析计算公式。

min{Ks,1,Ks,2,…,Ks,i,…}≥Ks

(1)

(2)

式(1)和式(2)中,Ks表示整体稳定安全系数,Ks,i表示第i个圆弧滑动力矩和抗滑力矩间比值。cj和φj分别表示第j个土条在滑动圆弧面接处的粘聚力和内摩擦角。bj,θj,lj和qj分别表示第j个土条宽度、滑动圆弧面中心点处法线与垂直面的夹角、滑动圆弧曲段长度以及土条顶部附加均布负荷的受力标准值。ΔGj,uj和Rk,k分别表示第j个土条自身重量、滑动圆弧弧面的孔隙水压和第K层锚杆对滑动体的最大拉力值。αk,θk,Sx,k和ψv表示第K层锚杆倾斜角度、滑动面位于第K层锚杆位置的法线与垂直面的夹角、第K层锚杆在水平方向的距离以及计算系数。图2为含多个支点的倾覆稳定性示意图。

图2 含多个支点的抗倾覆稳定性示意图

抗倾覆稳定的测验主要是为了考察基坑土质的优劣情况。此外,基坑开挖作业过程中,尤其是在对软弱土层位置进行挖掘工作时,原本土体的平衡样态会被改变,造成基坑内外两侧土体形成压力差,且压力差会随着开掘深度的增加而增加,最终当压差达到基坑底部土体的承载限值时,便会出现外侧土体内移的现象,从而带来坑底土体变形的不稳定状态。为了避免不稳定土体带来的施工事故的发生,需要在基坑建设时纳入抗隆起稳定性分析。公式(3)-公式(5)为地基承压测验公式。

(3)

(4)

Nc=(Nq-1)/tanφ

(5)

式(3)-式(5)中,Kb表示抗隆起安全系数。γm1和γm2表示基坑内外挡土之上的自然重度,ld,h和q0分别表示挡土嵌固深度、基坑深度以及地面压力超载值。Nc,Nq表示承载力系数。c,φ表示挡土构件底层土体的粘聚力以及内摩擦角。需要指出的是,当挡土结构的土层位于软弱下卧层时,基坑底部隆起稳定性测验需要将此软弱下卧层包含在内,其添加的数学表达式为公式(6)。

(6)

式(6)中,γm1和γm2表示支护构件内外两侧软弱下卧层于顶面以上的重度,D表示基坑底部到软弱下卧层顶土面的距离。同时,对于锚拉式支挡结构以及支撑式支挡结构而言,若坑底土体为软土性质时,挡土嵌固深度需要符合将最下层支点作为轴心的弧面滑动稳定性约束,其数学表达式为公式(7)。

(7)

式(7)中,Kr表示圆弧滑动稳定性安全系数,三个安全等级对应的系数值为2.2,1.9和1.7。

1.2 有限元数值计算分析及参数设置

有限元法通过将无限自由度的连续体简化成有限自由度个数的组成体,从而让问题化简成可解决的结构型问题。研究采用Midas/GTX NX有限元法分析软件进行模型建构和分析。在建立模型时假定各土层为均质且各项同性的弹塑性土体,且将SMW工法桩等价为连续墙,并忽略基坑开挖中存在的空间效应,并规定初始状态为零变形状态。模型的边界条件从X,Y,Z三个位移方向展开约束,其中Y轴负方向纳入了重力加速度因素。在借助Midas/GTS NX建模时,应将SMW工法桩、钢围檩、冠梁和素喷砼面作为线弹性材料,采用板模块属性定义SMW工法桩以及素喷砼面,采用梁模块属性定义冠梁以及钢围檩,采用植入式桁架模块来模拟锚索。表1反映了锚索、工法桩以及支护结构参数情况。

表1 锚索、工法桩以及支护结构参数情况

研究采用的支护结构为桩锚支护构造,在借助Midas/GTX NX有限元法分析软件进行实况仿真时,主要利用“激活”指令以及“钝化”指令进行操作以实现对于相应土层以及支护结构材料的模拟。基坑挖掘数值仿真分为五个工况,且地面标高为±0m。表2为有限元数值模拟挖掘的工况信息表。

表2 有限元数值模拟挖掘的工况信息表

从表2可知,第一工况为起始应力分析。该分析阶段首先进行基坑中各土层网格单元激活操作,设定好边界约束以及静力荷载,最后再进行位移清零操作。第二工况为首次开挖土层与支护设计阶段,该阶段先要对土体进行钝化处理,以模拟首次土体开挖过程,然后再进行冠梁、SMW工法桩等各单元激活操作。第三工况和第四工况为二次和三次土层挖掘以及锚索、钢围檩设置阶段,第五次工况则为挖至坑底阶段。

2 基于有限元模型的复合支护设计在住宅基坑中的应用分析

研究选取的住宅基坑处于软土沿海区域,其地貌特征为冲洪积-淤积平原。该基坑开挖深度为5.6m至6.3m,部分工程段开挖深度为10.5m,规模较大且场地表面不规则,该基坑安全等级属于一级。考虑到该基坑项目各种地质水文等环境因素,选取提出的锚索-SMW工法桩进行支护设计并对其采用有限元模型进行计算分析。图3为锚索应力计算值与实际值对比结果图。

图3 锚索应力计算值与实际值对比结果图

从图3对比图可知,此三个锚索应力的计算值与实际值间存在一定差值。锚索1在工况2中出现了应力偏差最大值为20kN。锚索2应力偏差最大值出现在工况4为20kN。锚索3应力偏差最大值在工况4中为10kN。但最终从图3曲线走向来看,随着工况的进行开挖深度加深,锚索轴力也逐步加大,且锚索轴力变化范围均位于60%到70%预警值以内,而且计算值曲线与实际值曲线的走向具有一致性,因此该设计模型具有可靠性。图4(a)为支护桩身水平方向位移计算值与实际值对比图,图4(b)为基坑周围地表沉降量对比结果。

图4 支护桩身水平方向位移以及地表沉降量对比图

从图4(a)可知,支护桩水平位移计算值曲线与实际值曲线走向具有一致性,从基坑开挖到项目预设的标高处表现为凸出样态,且随着开挖深度的进行,基坑下方桩身水平方向位移值趋于减小,符合设计要求。其中,水平位移实际最大值出现在距桩顶5.2m处,对应的最大水平位移量为16.2mm。而计算值得到的水平位移最大值出现在距桩顶6.1m处,对应的水平位移最大值为19.3mm。根据水平位移预警值40mm可知,该位移偏差处于正常范围。从图4(b)可知,地表沉降量实际值呈现先增后减的变化趋势,且在距离基坑边缘30m之后趋于水平变化,其地表沉降量最大值出现在基坑附近10m的位置,沉降量数值为8.8mm。模型曲线走向也呈现先增后减的趋势,且在距离基坑附近30m处趋于平稳,最大沉降量为5.7mm,发生在基坑边缘4.8m处。根据基坑周围地表沉降量预警值30mm可知,该偏差属于合理范围。

图5 三种附加负荷下桩身位移曲线以及弯矩曲线图

在实际情况中,坡顶周围还存在机械停放、材料堆积以及土方堆积等附件负荷。这些负荷会使得实际基坑附加负荷通常会超过模型预设值,所以此处在不改变其他参数的情况下,设置坡顶附加负荷为10kPa,20kPa,30kPa和40kPa四种情形来考察其对支护桩桩身水平位移以及桩身内力的影响。图5为三种附加负荷下桩身位移曲线以及弯矩曲线图。从图5(a)可知,坡顶附加的负荷给支护桩桩身水平方向的位移带来了较大影响。当附加负荷为20kPa时,支护桩桩身发生的最大水平位移量为19.3mm。当附加负荷为30kPa时,支护桩桩身最大水平位移增多了4mm,增长百分比为20.7%。从图5(b)可知,坡顶附加的负荷量对于支护桩桩身弯矩也影响显著,桩身弯矩曲线图整体呈现逆“S”曲线,且弯矩大小跟随附加负荷增多而增大。例如,附加荷载为20kPa时,桩身最大弯距为320kN·m。当附加荷载为30kPa时,最大弯矩与20kPa相比增加了35kN·m,增长百分比为11%。可知坡顶附加荷载的增大会导致桩身水平位移以及弯矩的增加,所以在支护设计时,应充分考虑附加荷载阈值避免因坡顶超载而引发工程事故。

3 结 语

考虑到SMW工法桩技术具有广泛的应用前景,同时考虑到预应力锚索能够给基坑提供更优越的支护技术,因此研究旨在将锚索和SWM工法桩相结合提出一种复合支护设计结构,并采用有限元数值模型来计算,最终和现场实际值相比较。结果表明,通过所提的复合支护设计方法锚索应力在不同工况下最大偏差值为20kN,满足60%到70%的预警值。支护桩水平位移最大值为19.3mm,满足40mm的预警值以内。因此,该结构在住宅基坑施工中具有一定借鉴意义。