V-H组合荷载作用下基坑围护结构变形特性分析

2021-02-14江杰田翔豪罗方正彭伯伦

广西大学学报（自然科学版） 2021年6期

江杰,田翔豪,罗方正,彭伯伦

(1.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室, 广西南宁 530004；3.工程防灾与结构安全教育部重点试验室, 广西南宁 530004；4.中国建筑第八工程局有限公司, 上海 200135)

0 引言

随着城市建设的迅速发展，大量的地铁车站深基坑工程应运而生[1-4]，基坑围护结构的变形是工程界最关注的焦点问题之一。目前，国内外学者主要通过数值计算、理论分析、试验及现场监测等方法对基坑围护结构的变形进行研究。汪俊杰等[5]通过FLAC3D数值分析软件进行了基坑地连墙支护参数敏感性分析，得到了各支护参数的相互影响关系；赵香山等[6]利用有限元软件对基坑地连墙水平位移和地表沉降进行反演分析，得到的上海软土地区土层参数能较好应用于数值分析当中；徐长节等[7]和范晓真等[8]通过理论推导的方法，得到了非对称开挖基坑刚性支护结构变形的解析解；LIU等[9]和XIANG等[10]通过数学模型对基坑围护结构变形进行了预测；郭海庆等[11]以某基坑实例为背景，通过离心模型试验和有限元软件得到了两种不同形状基坑的土压力分布形式；刘炀镔等[12]通过离心试验和理论方法深入研究了窄基坑围护结构的变形特性；李连祥等[13]针对传统基坑离心模型试验中存在的不足，研制了一种新型开挖模拟装置，提高了试验精度和可操作性。对于受外部荷载影响的基坑，林刚等[14]针对基坑开挖时两侧不平衡堆载的实际情况，通过数值模拟发现两侧围护结构内力及位移均呈相反的变化规律，在设计时需要分别考虑两侧的支护参数；姚爱军等[15]则通过现场监测数据，研究不对称荷载作用下的基坑变形，得到的结论与林刚等[14]的研究成果一致；林驰等[16]对不同汽车流量下的基坑围护桩顶水平位移、围护桩身应力及钢支撑轴力进行监测，发现汽车移动荷载对基坑稳定性有明显不利影响。以上学者针对基坑围护结构变形进行了深入研究，但实际工程中围护结构可能会受到竖向荷载(V)和水平荷载(H)组合作用，而此工况下基坑围护结构变形特性的相关研究还鲜有报道。因此，对V-H组合荷载作用下基坑围护结构的变形规律开展研究具有较强的现实意义。

本文以南宁地铁5号线某地铁车站基坑为依托，首先运用FLAC3D有限差分软件对基坑开挖支护开展数值计算，对比分析了基坑围护桩受V-H组合荷载和仅受水平荷载两种工况下的桩顶、桩身水平位移及支撑轴力变化，得到了竖向荷载对桩顶位移、桩身水平位移、水平承载力及内支撑轴力的影响规律，然后将现场监测数据与数值计算结果进行对比分析，进一步验证了数值计算模型的准确性和竖向荷载对基坑围护桩的影响规律，为后续研究V-H组合荷载作用下的基坑提供参考。

1 工程概况

南宁市地铁5号线某地铁车站为地下两层明挖岛式站台车站，站位紧邻某汽车客运中心，周边为居民区，环境较复杂。根据超前地质勘探报告显示，基坑土层自上而下依次为杂填土、素填土、粉土、泥岩、粉砂岩，土层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical properties of soils

地铁车站基坑长594.40 m，标准段宽度19.20 m，开挖深度16.00 m，车站主体围护结构采用“钻孔灌注围护桩+桩间旋喷+内支撑”的结构体系。围护桩径1.20 m，桩长22.00 m。竖向设置3道内支撑，第一道为800 mm×900 mm米字型钢筋混凝土撑，位于基坑深-0.50 m处，第二、三道钢支撑直径分别为800.0 mm、609.0 mm，壁厚均为16.0 mm，分别位于基坑深-6.40 m、-11.90 m处，水平方向两道相邻内支撑水平间距为9.00 m。基坑平面示意图如图1所示。

图1 基坑平面示意图Fig.1 Schematic diagram of the foundation pit

为保证周边居民正常出行及汽车客运站正常运营，需在基坑开挖前搭设通行钢便桥，钢便桥横向通行宽度25.50 m，纵向跨度21.20 m。钢便桥由贝雷梁拼接搭设而成，上方铺设0.25 m厚混凝土行车面板，竖向荷载约1.05×104kN通过钢支座向下传递至两侧围护桩。在基坑开挖前，贝雷梁钢便桥的竖向荷载已作用于围护桩顶，随着基坑土体的开挖卸载，围护桩受到水平荷载作用，在V-H组合荷载作用下产生位移和变形。受V-H组合荷载作用的围护结构标准段横断面如图2所示。

图2 受竖向荷载段基坑围护结构横断面图Fig.2 Sectional view of retaining structure of foundation pit under vertical load

2 数值模拟分析

2.1 计算模型与参数

图3 1/2基坑计算模型 Fig.3 Calculation model of 1/2 foundation pit

基于有限差分软件FLAC3D对基坑开挖支护开展数值模拟。由于基坑尺寸较大，为提高计算效率，根据对称性计算原理，选取实际工程的1/2进行建模，基坑开挖的影响范围[17]约为开挖深度的4～5倍，确定计算模型尺寸为155 m×180 m×80 m，土体采用摩尔-库伦本构模型的实体单元进行模拟，内支撑采用梁结构单元进行模拟。基坑开挖前，在钢便桥下的围护结构顶部施加均布力来模拟竖向荷载，架设完钢支撑后，在钢支撑两端施加一对相反的作用力来模拟预应力。计算模型的边界条件为：限制周围四面水平位移，底面为固定端，顶面为自由端。网格划分以基坑中心，由近及远逐渐稀疏，共划分104 260个单元，111 321个节点，1/2基坑计算模型如图3所示。

钻孔围护排桩的受力形式与地下连续墙相似，依据等效刚度原理，通过(1)式转换成模拟地连墙的厚度H，围护结构物理力学参数见表2。

(1)

式中，H为等效地连墙厚度；t为相邻桩间净距；D为钻孔灌注桩直径。

表2 围护结构物理力学参数Tab.2 Physico-mechanical properties of retaining structures

根据实际工程现场作业情况，基坑开挖支护过程一共分为5个工况，地下水位控制在开挖面以下0.50 m，基坑开挖支护工况见表3。

表3 基坑开挖支护工况Tab.3 Conditions of foundation pit excavation support

2.2 数值计算结果分析

2.2.1 桩身水平位移分析

以基坑长边标准段围护桩Z42和Z46为分析对象，其中Z42桩上部无钢便桥，仅受开挖卸荷引起的水平荷载，Z46为图2中受竖向(V)与水平(H)组合荷载作用的围护桩。不同工况下围护结构水平位移云图如图4所示，从计算模型里提取Z42和Z46桩身水平位移，桩身水平位移变化如图5所示。

(a) 工况2

(b) 工况3

(d) 工况5

图5 桩身水平位移变化Fig.5 Horizontal displacement of pile

由图5知：Z42和Z46桩身水平位移均随开挖深度增大而逐步增加，且在各个工况下，Z42的桩身水平位移均小于Z46，这是因为预先作用的竖向荷载与桩身水平位移会产生附加弯矩，从而使得桩身水平位移增大，降低了围护桩的水平承载力。在工况2条件下，第一道混凝土支撑暂未架设，桩身仅受到土压力作用，桩身变形形式类似于悬臂桩，工况3～工况5条件下，由于内支撑的架设限制了桩身水平位移，桩身变形呈“两端小中间大”的形状，两者变形形式一致，说明竖向荷载对桩身变形形式的影响较小。在工况5时，基坑开挖至坑底，桩侧水平荷载增至最大，此时Z42与Z46桩身水平位移差值最为明显，竖向荷载对桩身水平位移的影响发挥至最大。

同时由图5知，工况3和工况4时，桩身水平位移变化速度较快，Z42桩在这两种工况下最大水平位移分别为13.1 mm和18.6 mm，相对于上一工况分别增长了274%和42%，而Z46桩在这两种工况下最大水平位移分别为13.9 mm和21.6 mm，分别增长了256%和55%，这是因为这两个工况开挖深度较深，引起水平荷载快速增加所致，应加强这两个工况下的基坑监测频率。Z42最大水平位移位于-8.00 m深度处，而Z46最大水平位移位于-10.00 m深度处，说明预先作用的竖向荷载能使围护桩身最大水平位移位置下移，下移深度为开挖深度的12.5%。

2.2.2 桩顶水平位移分析

各个工况下Z42和Z46桩顶水平位移变化如图6所示。

由图6知，Z42和Z46桩顶水平位移的变化规律趋于一致。在工况1时，基坑未开挖，只在搭设钢便桥区段的围护桩上作用了竖向荷载，Z42和Z46两者桩顶水平位移接近于零。在工况2条件下，由于开挖深度较浅，桩身所受水平土压力较小，Z42与Z46桩顶水平位移分别为3.5 mm和3.9 mm，差值仅为0.4 mm。随着开挖支护工况的进行，Z42与Z46桩顶水平位移逐渐增大，且二者的差值也进一步增大，竖向荷载对桩顶水平位移的影响越来越明显。当开挖至工况5时，两者的水平位移增长值均较小，这主要是由于此时三道内支撑已架设完毕，承担了较多的基坑外侧主动土压力，限制了桩顶位移。在整个开挖支护过程中，Z42桩顶水平位移略小于Z46，预先作用的竖向荷载会使桩顶水平位移增大。

2.2.3 桩顶竖向位移分析

从计算模型中提取各个工况下Z42和Z46桩顶竖向位移数据，得到的桩顶竖向位移变化如图7所示。

图6 桩顶水平位移变化Fig.6 Horizontal displacement of pile top

图7 桩顶竖向位移变化Fig.7 Vertical displacement of pile top

由图7知，Z42和Z46桩顶竖向位移呈先增大后略减小趋势，且Z42桩在各个工况下的桩顶竖向位移均小于Z46桩，由此可见，除了围护桩自重使桩顶产生竖向位移外，预先作用的竖向荷载对桩顶竖向位移产生了一定的影响。在工况3时，Z42和Z46有最大桩顶竖向位移，分别为-8.7 mm和-11.8 mm，相对于工况2分别增加了5.9 mm和4.8 mm。在工况4时，开挖卸载引起桩顶略微上浮。工况5时进行了基坑底板封底浇筑，有效的减小了开挖卸载引起桩体上移。

图8 支撑轴力变化Fig.8 Variation of axial force of support

2.2.4 支撑轴力分析

从计算模型中提取与Z42和Z46桩相对应位置的ZCL42和ZCL46三道内支撑轴力数据，支撑轴力变化如图8所示。

由图8知，ZCL42和ZCL46各道内支撑轴力变化规律一致相同，均随着开挖深度增大而增大，其中第一道内支撑轴力在工况2～工况4增长速率较快，近似线性变化，但在工况5时，增长速率明显放缓，这是因为此时三道内支撑均已驾设完毕，开挖卸载对第一道内支撑轴力的影响较小。第二道内支撑轴力在工况5时增至最大，且超过了此工况下第一道内支撑轴力。第三道内支撑轴力最小，这是因为驾设第三道内支撑时，第一道和第二道内支撑承担了大部分的坑外土压力。总体上看，ZCL42各道内支撑轴力均略小于ZCL46，这与Z42和Z46桩身水平位移表现的规律一致，预先作用的竖向荷载使得内支撑轴力增大。

3 监测数据与数值计算对比分析

3.1 桩身水平位移对比分析

分别将Z42和Z46工况5时的桩身水平位移监测值与数值计算值进行对比，得到工况5桩身水平位移监测值与计算值对比如图9所示。

由图9知，监测数据和数值计算的桩身水平位移大小及变形规律较为契合，说明数值计算模型及参数取值是合理的。监测数据显示，Z42桩身水平位移要略小于Z46，其中Z42桩身最大水平位移为19.1 mm，位于-8.00 m深度处，Z46桩身最大水平位移为24.4 mm，位于-10.00 m深度处。在预先作用的竖向荷载的影响下，桩身最大水平位移增大约27%，桩身最大水平位移位置下降约2.00 m，这与数值计算中呈现的规律相同，进一步说明预先施加的竖向荷载会削弱围护桩的水平承载力和增大桩身水平位移。

3.2 桩顶水平位移对比分析

Z42和Z46桩顶水平位移监测值与数值计算值对比如图10所示。

图9 工况5桩身水平位移监测值与计算值对比Fig.9 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile in working condition 5

图10 桩顶水平位移监测值与计算值对比Fig.10 Comparison between measured and calculated values of horizontal displacement of pile top

由图10知，Z42和Z46桩顶水平位移监测数据与计算值呈现的变形规律相同，均随着开挖深度增加而增大。在工况1时，由于基坑暂未开挖，Z42和Z46桩顶水平位移监测值与计算值均近似于零。工况2时，开挖深度1.00 m，Z42和Z46桩顶水平位移监测值分别增大至3.0 mm和4.1 mm，而在工况5时分别增大至10.5 mm和14.6 mm，比对应工况下的计算值分别小2.1 mm和0.9 mm。总体来看，桩顶水平位移监测值要略小于数值计算结果，这是由于现场实际开挖作业时，会对围护结构设置临时加固，在一定程度上限制了桩身及桩顶的水平位移。此外，在各个工况下，Z42桩顶水平位移监测值均小于Z46，这与数值计算得到的规律相同，预先施加的竖向荷载使得桩顶水平位移的增大。

3.3 支撑轴力对比分析

选取ZCL42和ZCL46第一道内支撑轴力监测值与计算值进行对比分析，如图11所示。

从图11可以看出，第一道内支撑轴力监测值与计算值变化趋势一致。在工况2时，ZCL42和ZCL46第一道内支撑轴力监测值分别为1 300.3 kN和1 546.3 kN，与数值计算值差值分别为1 180.1 kN和1 192.0 kN，差值较大的原因是由于基坑开挖存在时空效应，现场施工荷载、气温等因素也会对监测数据的采集产生一定影响。总的来看，ZCL42轴力监测值比ZCL46小10%左右，这与数值计算结果表现的规律相契合。