目前, 国内基坑工程中关于斜抛撑的研究较为广泛, 主要包括斜抛撑施工经验和施工技术的总结, 斜抛撑拆换撑的理论研究以及采用大量有限元数值模拟分析研究斜抛撑^{[1,2,3,4,5,6,7]}。

利用二维有限元软件Plaxis, 采用数值模拟方法, 主要研究同期开挖斜抛撑支座端形式及受力性状。从工程实例的设计文件和施工方案中归纳总结和简化得出数值分析的计算模型, 并通过传统启明星软件计算结果与数值模型的分析结果进行对比分析, 验证该模型的合理性;进而继续研究该工程在各个工况下斜抛撑支座端的变形及受力特点以及整个支护体系的稳定性。在此基础上, 推广研究在常规基坑下同期开挖斜抛撑形式的受力性状。

本工程位于天津市滨海新区滨海文化中心场馆———滨海东方演艺中心以南, 紧邻紫云公园围墙, 紫云公园一侧支护可用地条件紧张。拟建景观挡土墙总长度约158m, 紧贴用地红线布置。场地地坪现状存在天然高差, 地势较高一侧即紫云公园侧大沽标高约8.000m, 地势较低一侧滨海东方演艺中心 (场馆) 侧大沽标高约3.000m, 通过两级放坡使5.0m高差的边坡达到稳定状态。拟建完成结构如图1所示。

以单层景观挡土墙区域为例, 采用岩土专业有限元软件Plaxis对支护体系进行整体分析。计算中采用平面应变模型模拟开挖施工过程中支护桩受力及变形情况, 采用施工步骤来模拟整个施工过程。开挖深度约为2.6～6.65m (紫云公园侧6.65m、场馆侧2.6m) , 支护结构采用直径800mm混凝土灌注桩, 桩间距1 000mm, 紫云公园侧桩长21.8m, 为便于分析简称为深坑桩, 场馆侧桩长11.8m, 简称为浅坑桩。建立有限元模型如图2所示。

基坑开挖后, 深坑桩处土体向坑内位移, 最大约为18.5mm, 浅坑桩产生向坑外位移, 坑外土体受压。

一般而言, 基坑开挖支护桩在坑外土压力的作用下均会向坑内移动, 但对于本工程由于深坑桩处开挖深度要远大于浅坑桩处, 斜抛撑将深坑桩处土压力传递到浅坑桩处, 使浅坑桩向坑外移动, 坑外土体为被动侧土压力, 由浅坑桩及周边土体共同承担。

浅坑桩在基坑施工过程中水平位移分布如图3所示。由图3可见, 桩身上部向坑外的水平位移较大, 下部向坑外的水平位移较小, 这是由于在浅坑桩上部, 水平土压力较小, 可提供的水平抗力较小且随着桩体埋深的增大, 桩周土体水平应力增大, 其抗力增大, 桩下部周围的土体对桩的嵌固作用增强, 因此浅坑桩应保证一定的嵌固深度以防止桩体因周围土体抗力不足而发生倾倒破坏。回填使桩体上部水平位移增大, 拆撑后, 桩体水平位移减小, 但仍残留一定量的水平位移。

浅坑桩在基坑施工过程中的弯矩分布如图4所示。桩体所受的弯矩值是斜抛撑轴力与桩周围土压力共同作用的结果, 与桩体水平位移分布相适应, 桩体迎土面受压, 迎坑面受拉。桩身最大弯矩出现在基坑开挖完成后。

在基坑开挖至坑底阶段, 利用有限元程序中的强度折减方法计算基坑的安全系数。计算结果显示, 基坑在开挖至坑底的安全系数为1.40, 能够满足基坑稳定的要求。基坑滑动带过深坑桩桩底, 呈折线形, 浅坑桩位于滑动土体范围内。

监测点平面布置如图5所示。

从桩顶水平位移曲线分析, 在土方开挖期间, 由于土体卸载达到最大值, 位移量明显增大, 开挖完成后顶部水平位移监测点位未出现明显位移, 位移趋势比较稳定。支撑拆除完毕后基坑整体变形稳定, 状况良好。

从桩顶竖向位移曲线分析, 变形主要发生在土方开挖期间, 结合现场情况分析, 由于土体在施工过程中会产生回弹, 开挖过程中坑内荷载减少, 致使土体回弹, 导致监测点上浮。在土方开挖完成后, 土体卸载达到最大值, 随着底板施工完成后基坑底部荷载的增加, 位移逐渐平稳。

围护桩深层水平位移监测曲线如图6所示, 累计变化情况如表1～4所示。

图表内容分析可知, 受基坑支撑拆除和基坑周边堆载较大影响, 表层位移有明显变化, 但深层土体变化不大。随着地下结构的进行, 各监测点变形均得到有效控制, 围护桩深层水平位移增量没有明显变化, 位移趋势稳定。

本项目基坑施工过程中, 从钢支撑轴力变化曲线分析, 在基坑土方开挖期间至基坑底板浇筑完成, 钢支撑轴力变化量明显, 但未达到报警值。整体变化趋势稳定。

从周边地表沉降曲线分析, 在基坑土方开挖至基坑底板施工阶段, 周边地表受到影响较小, 变形平缓, 未达到报警值。底板施工、地下结构施工阶段, 各监测点沉降趋势基本一致, 沉降均匀。

前文借用工程实例分析了在天然地势高差下斜抛撑形式支座端 (连排灌注桩) 的变形及受力特点, 但其具有明显的特殊性, 无法作为常规经验供其他工程借鉴。因此, 考虑将这种特点鲜明的斜抛撑支护形式引用至常规基坑 (初始场地地坪一致且为天津市区典型土层分布) 的设计中更具研究与工程实践意义。本章通过传统启明星计算软件与二维有限元Plaxis软件综合深入研究斜抛撑支座端与支护端的变形和受力特点, 并与常规水平支撑系统进行经济性比较。

计算模型中包括基坑支护结构及周围土体。计算模型中采用小应变硬化土体模型 (HSS) 模拟土体, 采用线弹性本构模型模拟支护桩、支撑与换撑。为保证土层计算参数的准确性, 首先以与斜抛撑基坑模型采用相同土层、支护桩、支撑位置的水平支撑基坑启明星模型的支护结构变形及受力结果为参考, 采用Plaxis建立相同模型进行结果对比, 如表5所示。

两款软件在基坑支护结构变形及弯矩方面的计算结果相近, 可以认为Plaxis软件中所采取的土层计算参数基本合理, 在此基础上进一步对斜抛撑基坑模型的分析。最终确定的土层计算参数如表6所示。表6中, E_oed^ref为主固结仪加载中的线性刚度, E₅₀^ref为标准排水三轴试验中的割线刚度, E_ur^ref为卸载/重新加载刚度。

计算模型中采用线弹性本构模型模拟围护桩、支撑桩、支撑与换撑。计算模型中结构尺寸及计算参数如下:围护桩800@1 000, C30混凝土, 容重25kN/m³, 弹性模量E=30 000MPa;支撑刚度50MN/m/m, 换撑刚度500MN/m/m。

1) 生成初始地应力场, 并将位移场清零。

2) 激活支护桩、支撑桩的板单元及基坑地面超载, 模拟支护桩施工。

3) 施工开挖1部分土体, 简称开挖1。

4) 激活支撑单元, 模拟施加支撑工况。

5) 施工开挖2部分土体, 简称为开挖2。

6) 激活换撑单元, 杀死支撑单元, 模拟拆换撑工况, 简称为拆撑, 模拟结束。

由不同工况下支护桩的水平位移与弯矩的分布情况可知, 支护桩的最大变形发生在拆撑工况, 最大变形位置为支护桩桩顶, 最大变形量约为55mm, 约为拆撑前工况 (开挖2) 桩顶变形量的2倍。当进行开挖1施工时, 即盆式开挖、支护桩内侧预留土坡, 由于基坑大面积卸荷, 导致支护桩产生悬臂式变形, 桩顶最大变形量20mm, 随坑外土体向坑内移动, 且桩体通长均产生一定的水平位移, 此时支护桩起到抗滑桩的作用, 因此为减小支护桩桩身在该工况下的水平位移, 建议桩端嵌入较为坚硬的土层中。当加设斜抛撑进行盆边土开挖时, 支护桩水平位移增大, 在原有悬臂式变形基础上发生弓式变形, 表现为复合式变形。当基坑拆除斜抛撑后, 支护桩换撑点上部桩体位移大幅增加, 下部桩体位移几乎不变, 桩体呈悬臂变形模式。

由弯矩图所示, 各工况下所呈现的仅为设置一道支撑开挖基坑时支护桩的受力特点。当进行开挖1盆式开挖时, 支护桩桩身弯矩很小, 仅桩身中部承受土层侧移而生产一定的弯矩。当开挖盆边留土时, 支护桩在桩顶斜抛撑约束与桩身处土压力的作用下, 桩体迎坑面受拉, 桩身弯矩大幅增加, 且坑底附近桩身弯矩增幅最大。当拆除斜抛撑后, 在换撑约束与桩身土压力的作用下, 桩体迎坑面受压, 桩身弯矩由正变负, 呈悬臂结构受力特点, 负弯矩最大值出现在换撑点处。

图7为基坑开挖完成后, 坑内支撑桩的水平位移分布情况。如图所示, 基坑开挖后, 支护桩发生向坑内位移, 坑内底部土体则有向基坑中央处的水平运动趋势, 斜抛撑承台下支撑桩随之产生变形, 产生向基坑中央处水平位移。支撑桩上部向基坑中央处水平位移较大, 且前桩侧移要大于后桩, 这部分位移差主要是在斜抛撑加撑前的盆式开挖过程中产生的。支撑桩下部向基坑中央处水平位移较小, 且两桩侧移几乎相同。支撑桩水平位移主要发生在支撑桩的上部, 这是由于在支撑桩的上部, 支撑桩周围的水平土压力较小, 其对支撑桩的水平抗力较小。随着支撑桩埋深的增大, 支撑桩下部周围的土体水平应力增大, 其下部周围土体对支撑桩向基坑内的水平移动的抗力增大, 支撑桩下部周围的土体对支撑桩有一定的“嵌固”作用, 因而承台下支撑桩下部向基坑内的水平位移就会减小。因此, 在实际工程中, 建议承台下支撑桩应当嵌固与土质条件较好的硬土中, 防止承台下支撑桩因周围土体抗力不足而使其发生整体倾覆破坏, 进而会导致整个斜抛撑支护体系对基坑的支护作用发生失效。

图8为基坑开挖完成后, 坑内支撑桩的弯矩分布情况。如图所示, 支撑桩向基坑中央处一侧受压, 且最大弯矩均发生在距离桩顶2m位置, 最大值前排桩约是后排桩的2倍, 且原因分析为坑内土体的二次开挖过程中, 前桩对后桩的遮拦作用。基坑开挖完成后前桩与后桩在支撑桩的同一深度处相比, 在桩体上部, 前桩弯矩值要大于后桩所受的弯矩值;桩体下部, 则两桩弯矩值几乎相同。

在基坑开挖至坑底阶段, 利用有限元程序中的c/φ强度折减方法计算基坑的安全系数。计算结果显示, 基坑在开挖至坑底的安全系数为1.79, 能够满足基坑稳定的要求。与极限平衡法采用圆弧法搜索最危险滑动面的方法不同, 有限元强度折减法主要通过对土体强度的不断折减, 当达到极限平衡状态时, 可从土体内部最大剪应变图中很直观观察到滑动面的大致位置, 其上形成一条过支护桩桩底的折线型剪切滑动带, 坑内滑动带未到达支撑桩的位置。

图9为基坑开挖完成后, 水平撑与斜抛撑工况支护桩水平位移与弯矩包络图。通过水平支撑与斜抛撑条件下支护端的变形与内力包络图可以看出, 支护桩的最大变形均发生在桩顶位置且发生最大变形的工况均为完成基础底板的换撑条件并拆除支撑后, 最大变形量分别为3cm和5cm, 斜抛撑比水平支撑多了2cm, 分析其原因主要是由于斜抛撑架设前盆式开挖导致支护桩随土体侧移而产生较大水平位移, 但此工况下桩体内力却变化较小;在支护桩的弯矩包络图中水平撑与斜抛撑两工况曲线形式相同, 且最大正弯矩值相差无几, 仅最大负弯矩值是斜抛撑形式略大。

将等面积同深度的基坑分别进行水平支撑和斜抛撑的平面布置, 二者均采用约8m一跨的布撑形式, 斜抛撑形式的基坑4个角换用水平钢角撑 (见图10) 。根据以上的布撑系统进行经济性对比分析, 如表7所示。

由表7可得, 等面积同深度的基坑选用水平支撑每延米造价为5 530元, 而选用斜抛撑系统每延米造价仅用3 236元, 比水平支撑系统每延米节省造价2 200元左右。由此可知, 对于面积较大的基坑工程选用斜抛撑的支护体系可以节省较大的经济投入, 有效控制成本, 具有很好的性价比。

1) 从技术层面讲, 对于可设置斜抛撑支护体系的常规基坑, 在设置斜抛撑前的盆式开挖中支护桩向坑内产生悬臂式变形, 且桩体通长均产生一定的水平位移, 为减小支护桩桩身在该工况下的水平位移, 建议桩端嵌入较为坚硬的土层中。在相同条件下的斜抛撑支护体系与水平支撑支护体系的支护桩最大变形均发生在拆除支撑工况的支护桩桩顶位置, 且两者最大变形量相差约2cm, 斜抛撑支护体系偏大。而支护桩的弯矩包络图中水平撑与斜抛撑两工况曲线形式相同, 且最大正弯矩值相差无几, 仅最大负弯矩值是斜抛撑形式略大。

2) 从技术层面讲, 对于斜抛撑支护体系中支座端的承台式支撑桩的变形及受力从设置斜抛撑前的盆式开挖中便产生, 其水平位移直接受周围土抗力的影响。随着支撑桩埋深的增加, 桩体向基坑中央的水平位移减小。建议承台下支撑桩应当保证一定的嵌固深度, 防止承台下支撑桩因周围土体抗力不足而使其发生倾倒破坏, 进而会导致整个斜抛撑支护体系对基坑的支护作用发生失效。

3) 从经济层面讲, 对面积较大 (10 000m²以上) , 周边环境条件简单的常规基坑, 斜抛撑支护体系与水平支撑支护体系相比, 更具性价比且时间成本也将大大节约, 具有明显的技术经济优势。