工程建设中主体结构设计不可避免出现反复修改, 从而导致基坑随之变动, 甚至基坑开挖完毕后, 还需重新对已有边坡进行削坡开挖, 而原基坑往往接近安全极限, 处理不当, 轻则导致坑顶地面产生变形, 影响周边环境, 重则将导致基坑整体失稳, 危及周边环境及坑内施工的安全, 故基坑二次开挖及支护应引起足够重视。目前对于基坑二次开挖及其加固设计研究较少, 而实际工程^[1,2,3,4]中类似情况出现较多, 发生的安全事故情况也比较多, 因此有必要进行深入研究。本文以某深基坑工程二次开挖及支护为例, 采用有限元软件对深基坑二次开挖及支护方案进行模拟, 提出了二次开挖加固设计方案, 并对现场进行了监测, 获得了基坑开挖过程中基坑及周边建筑的变形数据, 并对监测结果进行了分析对比。

湖南某城市广场原设计2层地下室, 基坑开挖深度为7.7~10.5m, 基坑开挖后, 由于原规划调整, 地下室由原来的2层变成3层, 基坑深度调整为11.7~14.5m, 地下室边线向坑内缩进了3.6m, 此时基坑已按原设计施工, 土方已经开挖至5m位置。基坑平面如图1所示。

根据勘察报告, 场地内土层自上而下为杂填土, 粉质黏土, 粉砂, 强风化砂质泥岩, 中风化砂质泥岩。各地层的物理性质与力学参数如表1所示。

场地水文地质条件较简单, 根据赋存条件的不同, 地下水主要分为孔隙潜水和基岩裂隙水, 粉砂层是场地主要含水层, 水量丰富。

基坑原采用桩锚支护, 配合桩顶放坡;支护桩采用直径1m、中心距2m的旋挖钻孔灌注桩, 桩身设1~2排锚索, 支护桩嵌岩4m;桩顶放坡坡比1∶0.9, 放坡段采用土钉加固, 典型支护剖面如图2所示。

基坑支护难点: (1) 基坑周边环境复杂, 既有多层建筑, 又有市政道路, 支护不利将造成严重后果; (2) 重新施工后, 原支护使用已超设计使用期限, 并且原支护发挥的作用无法估量; (3) 基坑深度的增加不仅加大了基坑的影响范围, 也削弱了原支护结构的支护效果; (4) 重新规划基坑支护边线距原支护边线仅3.6m, 支护空间有限; (5) 重新规划后基坑侧壁出现粉砂层, 该层中存在孔隙水, 需要考虑地下水的治理; (6) 基坑重新支护后原支护与新支护共同作用, 基坑变形较为复杂。

鉴于原支护边线与新支护边线间存在一定的距离, 新支护应充分利用两支护边线间的土台, 支护方案将围绕土台采取不同的措施进行比选;另外, 考虑到坑壁出现粉砂层, 各方案均考虑采用旋喷桩截水, 具体方案如下。

此方案仅考虑在桩前预留土台, 并对预留土台进行封面;依靠土台在支护桩悬臂段提供水平约束^[5], 并增强嵌固段的嵌固效果, 减小二次开挖对支护桩的影响。

此方案与方案1类似, 在桩前预留土台, 但在原支护桩桩间新增1排锚索, 依靠锚索来约束原支护桩的变形, 增强支护效果。

此方案拟在新支护边线位置处设置1排支护桩, 依靠新增的支护桩来约束桩前预留土台的变形, 增强土台对原支护桩的约束效果, 并通过连梁将新老支护桩连接, 增强支护体系的刚度和抗变形能力。

采用Midas GTS对基坑二次开挖进行模拟, 通过建立不同的加固模型, 得到不同加固措施下基坑变形情况, 为方案比选提供依据。

计算按照平面应变问题处理。选取具有代表性剖面建模, 并进行计算分析。模型中的土体采用GTS有限元软件中的莫尔-库仑模型进行模拟;支护桩及锚索锚固段采用梁单元进行模拟, 锚索自由段采用桁架单元进行模拟。有限元模型及网格如图3所示。

不同支护方案下, 基坑开挖至坑底时, 基坑水平位移云图如图4~7所示。

由图4可知, 在不新增任何支护形式, 基坑二次开挖时, 原支护桩及桩后土体产生较大变形, 支护桩水平变形呈抛物线, 最大水平位移出现在桩中, 达37.30mm;且从图中可明显看出, 桩后土体中产生了1条起于桩顶地面, 从桩底穿出的滑面, 说明基坑二次开挖后, 桩前水平约束大大减小, 支护桩嵌固效应急速减弱, 且已无法有效控制桩身变形, 从而导致支护桩及桩后土体发生侧移, 并在桩后土体中产生剪切变形, 形成贯通的滑面。

由图4和图5可知, 基坑二次开挖时, 在原支护桩桩前预留土台后, 支护桩的水平变形得到了较好控制, 最大水平位移为19.38mm, 减少了48.04%, 且桩身最大水平位移仍然出现在桩中部位;但是, 土台土体却产生了较大变形, 最大水平位移达124.58mm;说明预留土台提供了一定的水平约束, 控制了支护桩的水平变形;但是由于土台高度较大, 土层较差, 很难保证自身的稳定, 从而导致土台土体产生较大变形。

由图5和图6可知, 在原支护桩桩间新增锚索后, 支护桩的变形得到了进一步的控制, 最大水平位移为14.53mm, 减少了25.03%;但是, 土台土体最大水平位移仍达121.07mm, 减少了2.82%;说明锚索能比较有效地约束支护桩的侧移, 控制桩身变形, 但此约束并不能解决土台变形问题, 也证实了土台变形是由自身土质差造成的。

由图5和图7可知, 在土台前增设支护桩后土台及原支护桩的变形都得到了极大的控制, 原支护桩最大水平位移为5.74mm, 减少了70.49%;土台土体最大水平位移仅5.88mm, 减少了95.28%;说明二次支护从结构上与原桩组成了一个h形刚架桩, 并通过刚架桩从结构上对变形进行约束, 同时也抑制了桩间土体的变形;从支护体系的变形形态上来说二次支护变形更接近于组合型, 但h形刚架桩的变形形态更接近于悬臂式, 究其原因, 是因为锚索的约束控制了桩顶变形。

从上述分析可以看出, 桩前预留土台能较好约束支护桩的变形, 锚索也能发挥一定的效果, 但土台土体自身变形过大, 且原支护桩嵌入坑底的长度较浅, 施工质量也无法得到保证, 原支护桩在实际中不一定能发挥出有限元模型中的支护效果, 这些都对基坑不利, 最终选定新增支护桩及连梁方案, 但对于坑壁未出现粉砂的位置, 仍采用预留土台+新增锚索方案。基坑二次支护剖面如图8所示。

根据现场监测结果, 选取了部分具有代表性的时程曲线来反映基坑二次开挖及支护后的变形情况, 如图10~12所示。

从实测结果可看出, 新增支护桩桩顶水平位移时程曲线与原支护桩及坡顶水平位移时程曲线线形是相似的, 在2013年6月至2014年1月基坑支护结构施工及开挖这段时间水平位移急速增加, 而后缓慢增加;说明基坑的二次开挖削弱了桩前的土体约束, 造成桩后土体及支护桩侧移;这也表明:虽然原支护桩桩前预留了土台, 但是依然需要考虑基坑二次开挖对原支护桩的影响。

从水平位移量值上来说, 坡顶的最大水平位移达到了16.0mm, 原支护桩桩顶最大水平位移达到了15.5mm, 新增支护桩桩顶最大水平位移达到了12.2mm, 原桩桩顶最大水平位移比新增支护桩高出了21.29%;究其原因, 主要与原桩的状态以及新桩施工的影响有关, 新桩施工前, 原桩早已开始发挥作用, 或者说已经产生较大变形, 基本处于极限状态, 对周边的变形比较敏感, 微小的扰动即会导致其产生变形, 而基坑的二次开挖以及新桩的施工恰恰提供了这种条件, 导致原桩的变形大于新桩, 形成与有限元模拟不同的结果。

从上述分析可知, 基坑及周边的变形基本都在规范^[6,7]规定安全范围内, 说明基坑二次支护达到了预期的效果。

基坑二次开挖后, 实测和有限元模拟基坑新增支护桩桩身水平位移曲线如图13所示。

从桩身水平位移变形及趋势上来看, 有限元模拟跟实测有所差别, 实测桩身水平位移形态为悬臂式, 表现为顶部位移最大且随深度增加位移逐渐减小;而有限元模拟的桩身水平位移形态更接近于组合型, 最大水平位移在桩顶以下, 接近桩中位置。

从桩身水平位移的大小上来看, 实测桩身最大水平位移值要比有限元模拟值大, 实测桩身最大水平位移为12.2mm, 而有限元模拟桩身最大水平位移为5.8mm, 实测值比有限元值高出了110.34%。

究其原因, 主要与桩后土体的状态以及二次支护的效果有关;有限元模拟主要采用的是原始土体的参数, 但是在二次开挖前基坑已经开挖, 桩后土体的状态与性质已经改变, 参数也已相应降低;另一方面, 二次支护是通过连梁将新老支护桩连接, 未通过腰梁过渡, 实际施工很难达到有限元模拟的连接效果, 实际未能形成理想的刚架;另外, 基坑暴露期土体流变特性的影响也不可忽视。

1) 深基坑二次开挖支护时, 应考虑首次开挖对基坑坑壁土体以及原支护结构的影响, 对土体参数及原支护体系支护效果进行适当的折减。

2) 深基坑二次开挖支护应重点开发原支护结构的支护效果, 减小其水平约束及嵌固效果的削弱, 保证原支护能充分发挥其作用。

3) 深基坑二次开挖支护时, 新老支护的连接部位应重点加强, 保证新老支护体系能协同作业。

4) 桩前预留土台可以有效地增加桩前的水平约束作用, 减少桩身侧移;同时, 应适当地对土台进行加固, 保证土台稳定, 使其更好地发挥效果。