0 引言

随着科学技术的进步，基坑支护结构有了越来越多的选择。在众多的基坑支护形式中，桩锚支护是我国目前常用的一种支护形式，得到了持续广泛的研究和应用^[1-5]。周勇等^[6]结合土压力理论建立静力平衡方程，改进了桩锚变形协调条件，计算结果较好地反映了支护结构的内力及变形规律；徐勇等^[7]以火车站地下停车场基坑工程为实例，结合复杂的场地环境设计了桩锚支护体系，并作了详实的基坑可靠性分析。除此之外，国内外出现了一些新型装配式可回收基坑支护形式，其在理论分析、工程监测和数值模拟方面有了一定的研究。装配式可回收基坑支护在理论分析方面：蔡根生^[8]提出了装配整体式地下连续墙技术，并对这一技术的结构稳定性和经济适用性进行研究；沈晶晶^[9]分析了装配式型钢斜抛撑支撑系统的适用范围和工作原理，并与传统的支撑形式做了对比；王复明等^[10-11]提出了新型环境友好型的装配式可回收支护技术，改善了传统支护施工成本高、环境扰动大、对地基破坏严重等缺点。然而，在基坑工程中将桩锚支护和装配式可回收支护同时施工在基坑的一个面上的试验案例为数不多；基于实际工程，在周围环境和外部荷载基本相同的情况下，对比装配式可回收支护形式和桩锚支护形式的受力和变形规律仍为空白。本文依据衡水市基坑现场实验工程，通过对装配式可回收支护结构和桩锚支护结构进行三维数值模拟，对比装配式可回收支护结构与桩锚支护结构的变形，分析装配式可回收基坑支护结构的受力、变形特征，以期为装配式可回收支护结构的设计和施工提供参考。

1 基坑工程现场实验 1.1 工程地质条件

基坑现场实验场地位于河北省衡水市安平县，现场场地平整，实验场地为矩形，长度为30 m，宽度为12 m，深度为8 m，周围没有建筑物，左边15 m为桩锚支护结构，右边15 m为装配式可回收支护结构(图 1)。根据本工程的现场勘察报告，该区域地层自上而下依次为粉土、细砂、中砂、粉质黏土，各土层物理参数如表 1，由于勘察期间未见地下水，在计算中不考虑地下水对基坑开挖的影响。

1.2 装配式可回收支护结构组成及工艺

装配式可回收支护结构结合了钢骨架支撑结构和可回收锚杆(图 2)及可回收木板，实现了标准化设计。现场装配式施工的目标是通过高效率回收再利用来降低工程造价，具有施工快速、拆除简易和绿色环保等优势。其主要组成部分(图 3)：①可回收工字钢，主要承载构件，由型钢支护桩、冠梁和腰梁组成。②可回收木板，分散坑后土体的水土压力，将钢骨架承受的土压力分散到木板上。③可回收锚杆，将桩身受力通过锚杆传递至土体中，锁头提供压力，基坑支护结束后锚杆中的钢绞线可抽离。装配式可回收的深基坑支护施工工艺包括支护构件从安装至拆卸的全过程(图 4)。

1.3 基坑支护设计方案

基坑采用桩锚支护和装配式可回收支护结构。桩锚支护：排桩为钻孔灌注桩，桩长为12.0 m，桩径为0.5 m，桩间距为1.0 m，混凝土强度等级为C25，锚杆长度11.5 m，结构剖面图见图 5所示。装配式可回收基坑支护：腰高15.0 cm工字钢，桩长为8.2 m, 桩距为2.0 m，冠梁和腰梁采用Hw350型钢, 可回收木板厚度为150 mm，结构剖面图见图 6所示。

2 室内土工试验结果确定土体硬化模型的参数

PLAXIS3D是用于研究各种岩土工程问题的三维有限元计算软件。此基坑模型采用PLAXIS3D建模，数值模拟假定土体遵循硬化土(HS)模型，此模型的优越性为既可以模拟软土模型又可以模拟硬土模型。土工强度参数可由三轴试验、三轴卸载-再加载实验得到，因此较Mohr Coulomb本构模型适用于模拟地基土受压情况。取现场样品，用颗粒分析仪测得粒径范围为6~400 μm, 按颗粒粒径大小划分为4组，自上而下分别为粉土、细砂、中砂、粉质黏土。取2、4、8、11 m用SLB-1多功能三轴仪进行三轴固结排水剪切试验，测试土体的参考割线模量，详过程如下。

根据三轴试验结果可以确定的参数有黏聚力c、内摩擦角φ、三轴试验刚度E₅₀、卸载-再加载刚度E_ur、剪胀角ψ。根据侧限压缩试验结果可确定的参数有侧限压缩实验切线刚度E_oed、幂指数m。图 7及表 2、表 3为三轴排水试验和侧限压缩试验结果，下面以细砂为例逐一计算。

1) 黏聚力和内摩擦角

由图 7可知，围压σ′3=100 kPa时，土样破坏时最大偏应力|σ′1-σ′₃|=400 kPa，则主应力σ′1=500 kPa，试样为细砂，假定黏聚力为0，则莫尔-库仑准则退化为

将σ′3=100 kPa和σ′1=500 kPa代入上式，可得φ=43°。

2) 三轴试验刚度

三轴试验刚度为|σ′1-σ′₃|破坏荷载50%处对应的割线刚度，如图 7中所做的斜线OA所示。参考应力p^ref为三轴试验的围压100 kPa，则此时标准三轴排水试验割线刚度E₅₀^ref为：

土体硬化模型中三轴试验刚度的定义式为

假定细砂的c=0，则有

3) 三轴卸载-再加载刚度

在三轴试验中进行卸载-再加载试验，则可以确定卸载-再加载刚度。土体硬化模型不能描述卸载-再加载对应的滞回行为，但是能够表现非线性弹性卸载-再加载行为。因此，可取割线斜率作为卸载-再加载刚度，由图 7可知卸载-再加载割线斜率。

同样假定p^ref为三轴试验围压100 kPa：

式中，E_ur^ref为σ′₃=100 kPa时三轴卸载-再加载刚度。

对于卸载-再加载刚度而言，数值偏小，本文取100 000 kPa。

4) 剪胀角

由表 2可知轴向应变-体积应变关系，根据下式确定剪胀角：

得到ψ=2°。

卸载-再加载泊松比通常可取ν_ur=0.20。

5) 侧限压缩试验切线刚度和幂指数

根据侧限压缩试验结果(表 3)，可以确定竖向应力σ′_y=100 kPa和σ′_y=200 kPa对应的切线刚度E_oed：

由p^ref=100 kPa，则有

土体硬化模型中，应力相关切线刚度定义为

假定细砂的c=0，则有

m的值可以相应确定：

代入可得：

即：m=0.50。

6) 正常固结K₀值

无试验数据时，可根据Jaky公式进行估算K₀值：K₀=1-sin φ=0.65。综上，细砂的土体硬化模型计算参数见表 4。

3 有限元模型的建立

采用有限元软件PlAXIS3D建立三维模型，算例假定：①土体应力-应变关系符合硬化土(HS)本构理论，型钢支护桩、横梁、木面板符合线弹性本构关系；②型钢支护桩、木板服从理想弹性本构关系；③本文不考虑基坑开挖过程中时间效应的影响，根据工况，开挖一层完成后安装柔性木面板。由于基坑是对称支护，故取基坑的一半进行建模分析即可，基坑模型见图 8。

算例中，土体三维实体单元锚杆自由段用点对点锚杆模拟、锚固段用嵌入式梁单元模拟，桩锚支护结构的混凝土支护桩等效成板单元，装配式可回收支护结构的钢管桩、冠梁、腰梁均采用嵌入式梁单元，木面板采用板单元进行模拟。土层参数设置按上节方法计算，结果如表 4所示，支护部件参数设置方面如表 5所示。

根据基坑开挖数值模拟的经验，为消除边界条件对模拟结果的影响，基坑开挖水平和竖向影响范围按李玉岐等^[12]的做法，取开挖深度的3~4倍考虑，由此确定模型长110 m，宽50 m。网格划分采用中等且局部加密，模型网格划分图如图 9所示。

结合基坑开挖的施工工艺顺序，算例对基坑开挖过程的模拟共分为7个步骤进行，具体的施工模拟步骤如表 6所示。

4 受力变形分析结果对比分析 4.1 基坑土体整体受力分析

基坑的开挖破坏了土体在开挖前的初始应力状态(图 10a)，但由于基坑边开挖边支护，新的应力平衡状态逐渐形成(图 10b)。此过程可验证使用HS模型可以很好的模拟不同工况下的施工过程，模拟的变化过程和理论预期变化过程相符。

基坑开挖会导致土体卸荷，释放土体应力，使基坑内产生水平位移和竖直沉降(图 10c)。下面对桩锚支护和装配式支护结构的水平和竖向位移进行分析研究。

4.2 垂直变形分析

基坑土体的开挖导致原有土体的应力平衡破坏和受力状态改变，可以引起基坑表面的局部沉降和坑底处的隆起。

如图 11为基坑土体垂直位移随各工况的变化云图。由云图可以看出：装配式可回收深基坑支护和桩锚支护随着开挖深度的增加，土体的应力稳定性遭到破坏，基坑底部变形最为明显；随着支护的进行，坑边竖直位移逐渐减小，桩锚支护第一排锚杆后坑底变形明显减小。说明装配式可回收深基坑支护和桩锚支护都能对基坑边坡起到良好的稳定作用。

4.2.1 地表沉降分析

取装配式可回收支护结构的中点和桩锚支护结构的中点作为监测点，分别向坑外延伸20 m，分析坑边地表沉降。

1) 由于桩锚支护的排桩具有一定的嵌入深度，主动土压力可被被动土压力所平衡，所以基坑开挖深度不大时，桩锚支护有向上的地表位移，其最大位移约为7.5 mm。随着基坑继续开挖，排桩和锚杆作为支护结构替代原有土体提供了支撑力，限制土体向坑内移动，基坑周边土体产生向下的沉降。在距坑边6~10 m处达到沉降最大，之后地表沉降值随距坑边距离的增大而不断减小直至趋于平稳(图 12)。

2) 装配式支护基坑随着开挖深度的增加, 地表的沉降量先增大然后减小到一稳定数值，曲线呈勺型, 每次开挖的沉降最大值基本位于距基坑边10~14 m的位置，勺把位置都在距基坑16 m左右的位置，此处沉降值明显减小，说明基坑的开挖对16 m以外的建筑物影响减小(图 13)。各步开挖引起的最大沉量分别为-2.1，-5.5，-6.7，-8.5和-11.4 mm。由图 13可以看出，地表沉降最大值出现在距坑边10~14 m处，这是由于围护结构自身发生较大的深层变形，使得围护墙顶端与地表交界处的地表沉降不明显，地表最大沉降发生于距围护墙后一定距离处，形成凹槽形沉降形态^[12]。

4.2.2 基坑隆起分析

1) 基坑的坑底隆起是分析基坑垂直位移的另一重要指标。桩锚支护基坑坑底隆起位移与距基坑底边距离和基坑开挖深度均成正相关关系，开挖深度越深时，随着距基坑底边距离的增大，坑底隆起位移增长越快(图 14)。这是因为随着基坑的开挖，基坑上部土体压力消失，坑底有向上的应力，引起基坑底部发生隆起。当开挖至-8.0 m时，坑底隆起值最大，最大值约为10.1 mm。

2) 装配式支护基坑坑底隆起位移与距基坑底边距离和基坑开挖深度均成正相关关系(图 15)。与桩锚支护形式下的基坑隆起位移规律相似。基坑开挖到坑底时，坑底隆起位移增长明显，坑底最大隆起值为9.7 mm。

4.3 水平变形分析

随着开挖深度的增加，坑边水平位移逐渐增大，桩锚支护坑角处变形最为明显(图 16)。说明开挖使土体的应力稳定性破坏，坑角处应力集中明显。

4.3.1 坑顶水平位移分析

取装配式可回收支护结构的中点和桩锚支护结构的中点作为监测点，分别向坑外延伸15 m分析坑顶水平位移。

1) 桩锚支护形式下，在基坑逐渐开挖的过程中，坑顶的水平位移先发生外移，后随开挖深度的增加逐渐向坑内移动(图 17)。这是因为开挖深度较浅时围护结构会提供的约束力大，使基坑土体向坑外移动；随着开挖逐渐加深，基坑土体向坑内转移，随深度的不断增大水平位移值也不断增大，开挖结束后达到最大水平位移约为9.0 mm。

2) 装配支护形式下，在基坑逐渐开挖的过程中，距离坑角越近，坑顶水平位移越小，两者呈正相关关系(图 18)。随开挖深度增加，水平位移不断增大：开挖至-1.8 m时，水平位移最小；开挖至-3.5 m时，最大值约为2.5 mm；开挖至-4.7 m时，最大值约为4.3 mm；开挖至-6.5 m时，最大值约为7.0 mm；开挖至-8.0 m时，水平位移最大，最大值约为10.3 mm。距坑角0~8 m范围内水平位移较小，距坑角距离15 m达到最大10.3 mm。

4.3.2 基坑侧壁水平位移分析

1) 桩锚支护基坑最大位移在基坑顶部，随着基坑的逐渐开挖，侧壁位移均平缓增加。4步开挖引起的最大侧壁位移分别为：-2.51，-3.95，-5.89，-7.28 cm(图 19)。

2) 装配式可回收支护基坑最大位移同样发生在基坑顶部，随着基坑开挖，基坑侧壁的水平位移不断增大，向坑内倾斜。4步开挖引起的最大水平位移分别为：-4.02，-5.56，-7.90，-9.00 cm(图 20)。

5 结论

1) 新型可回收支护对控制坑底附近区域隆起效果更好。

2) 桩锚支护会引起基坑周围土体的向上位移；装配式可回收基坑的地表沉降曲线呈勺形，在距坑边12~16 m处基坑地表沉降值最大，所以需在1.5~2.0倍开挖深度范围内做重点监测。

3) 装配式可回收支护结构的基坑侧壁位移更大，随着开挖坡顶区域的侧壁位移变化明显，需做重点监测。

4) 开挖初期，桩锚支护坑边土体发生反向的水平位移，而新型装配式可回收支护可以取得较好的支护效果。