深基坑雙排樁的支護效果和數(shù)值模擬研究

韋 巍

(中鐵十局集團第二工程有限公司，河南鄭州 450008)

深基坑雙排樁的支護效果和數(shù)值模擬研究

韋 巍

(中鐵十局集團第二工程有限公司，河南鄭州 450008)

雙排樁結(jié)構(gòu)的“空間效應(yīng)”可以有效地控制基坑側(cè)向變形，其結(jié)構(gòu)受力更合理，已被廣泛應(yīng)用于基坑支護設(shè)計中。文章以某基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)為背景，對雙排樁支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬計算結(jié)果與基坑現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比，對雙排樁支護結(jié)構(gòu)下坑底隆起、樁身變形和地表沉降特征進(jìn)行研究。研究表明，雙排樁維護結(jié)構(gòu)能有效控制基坑變形。

雙排樁； 深基坑； 數(shù)值模擬； 支護效果

雙排樁作為一種新型的支護結(jié)構(gòu)，是由兩排平行的鋼筋混凝土樁結(jié)合樁頂?shù)膲喉斄盒纬煽臻g門架式支護結(jié)構(gòu)體系[1]。

目前，部分學(xué)者對雙排樁進(jìn)行大量的研究，申永江等人建立有限元模型，分析了不同排距條件下前后兩排樁的受力狀況；宋婷等人通過GeoStudio處理軟件，對雙排樁在基坑支護中的應(yīng)用進(jìn)行了非線性有限元分析，研究雙排樁的受力特點；楊德健等人運用ANSYS有限元分析建立平面應(yīng)變模型，對雙排樁支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；沈櫻濤等人建立數(shù)值模型，分析了雙排樁排距的變化、樁徑的變化對支護體系水平位移、彎矩等的影響；王星華等人建立數(shù)值計算模型，對不同開挖過程中樁土相互作用機理、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和土壓力分布特征進(jìn)行了研究。

以上的研究主要是通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，這種方法在沒有得到現(xiàn)場實際監(jiān)測驗證的情況下，只有在特定的條件況下才符合真實情況，對雙排樁的監(jiān)測研究也就十分重要，僅僅通過數(shù)值模擬的方法是不能真正了解雙排樁實際受力變形特征。

本文結(jié)合成都地區(qū)某深基坑開挖過程中基坑變形監(jiān)測結(jié)果和FLAC3D數(shù)值模擬軟件，將數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證數(shù)值計算方法正確性的前提下，對雙排樁支護進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究雙排樁在深基坑支護中的支護效果。

1 工程概況

某基坑地處成都平原西部，開挖深度9.2 m，地下兩層，基坑周長約為210 m，工程重要性等級為一級，采用的支護方式為雙排樁支護方式，基礎(chǔ)采用CFG樁復(fù)合地基。場地地形平緩，土層自上而下分別為：第①層：素填土，灰黑色，厚3.5 m；第②層：黏性土，灰黃色，厚5.2 m；第③層：粉質(zhì)黏土，黃色，厚1 m；第④層：全風(fēng)化砂巖，黃色，厚4 m；第⑤層：全強風(fēng)化泥巖，紫紅色，厚6 m；第⑥層：中風(fēng)化泥巖，紫紅色，厚2 m；第⑦層：微風(fēng)化泥巖，紫紅色，厚10 m。

勘察期間地下水類型為第四系松散巖類孔隙水與巖層風(fēng)化裂隙潛水。水位埋深3.1～3.3 m。

基坑周圍地勢平坦，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，北側(cè)為交通主干道，東側(cè)為另一在建基坑工程，南側(cè)為一正在進(jìn)行主體施工的居民樓。綜合多種因素分析，決定采用雙排樁的支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計分前后兩排樁，矩形布置形式，前排樁長13 m，后排樁長12.5 m，排樁樁心距2 m，排距為2.5 m。

2 基坑變形監(jiān)測情況

為了分析雙排樁的支護效果，選取一個斷面的前后兩根樁分別安裝了樁身測斜管。隨著基坑土方的開挖，持續(xù)定期監(jiān)測樁身測斜管變化情況。

樁身測斜管分前排樁和后排樁，前排測斜管長12.5 m，后排測斜管場12.1 m，土方分三次開挖，根據(jù)樁身測斜管的監(jiān)測結(jié)果，前排樁樁頂最大位移為17.25 mm，后排樁最大位移為15.40 mm，前后排樁通過冠梁連接成一個整體，具有很好的變形協(xié)調(diào)性。圖1為樁身位移變化曲線。

基坑開挖過程中，監(jiān)測斷面外側(cè)公路未出現(xiàn)裂隙，僅冠梁與樁后土體之間出現(xiàn)裂隙，裂隙寬度5 mm。根據(jù)《基坑工程手冊》(第二版)中對基坑變形控制的要求，對一級安全等級基坑要求最大累計變形量報警值在0.4 %H以內(nèi)，按照此標(biāo)準(zhǔn)，該基坑所監(jiān)測斷面?zhèn)认蜃冃瘟績H達(dá)到報警控制的47.9 %。

(a)前排樁

(b)后排樁圖1 現(xiàn)場監(jiān)測樁身位移隨開挖變化曲線

3 數(shù)值計算模型和土體參數(shù)

為了驗證雙排樁支護效果，利用三維有限元軟件FLAC3D對基坑記性數(shù)值模擬分析，對計算模型進(jìn)行如下假設(shè)：(1)假定每次開挖均為水平整體開挖，且待基坑達(dá)到基本穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一次開挖；(2)假定土體為彈塑性均質(zhì)材料、鉆孔灌注樁為彈性材料；(3)基坑采取降水措施，不單獨考慮降雨對地下水水位和土體強度參數(shù)的影響。

取單側(cè)基坑建立模型，模型為30 m×30 m×30 m，共劃分39 600個單元體，42 295個單元節(jié)點，根據(jù)工程實際地質(zhì)情況，計算模型從上到下劃分了共7層，具體模型如圖2所示，計算參數(shù)見表1。

圖2 雙排樁支護結(jié)構(gòu)模型示意

層號本構(gòu)關(guān)系層厚/m重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°①mohr3.518.71010②mohr5.219.54018③mohr119.52017④mohr4212025⑤mohr6202517⑥mohr2215030⑦mohr102325040

4 數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測對比

首先對模型施加自重荷載，生成自重應(yīng)力場，模擬現(xiàn)場天然應(yīng)力場，然后清除生成天然應(yīng)力過程中產(chǎn)生的位移。為了模擬現(xiàn)場土方開挖情況，本模型分三次開挖分別計算不同開挖階段的基坑的變形情況。

圖3為分三次計算不同開挖階段時的樁身位移曲線。計算結(jié)果顯示：前排樁最大位移為12.36 mm，后排樁最大位移為10.95 mm，較實際監(jiān)測情況偏小。

(a)前排樁

(b)后排樁圖3 數(shù)值模擬計算樁身位移隨開挖變化曲線

隨開挖深度的增加，前排樁錨固深度減小，開挖至基坑設(shè)計標(biāo)高，錨固深度僅有4 m，但從變形情況可以看出，其錨固效果較好，與現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果吻合。

從樁頂位移的變化情況和懸臂樁身的錨固段情況來分析，現(xiàn)場監(jiān)測情況與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，因此可運用數(shù)值模擬的方法對雙排樁的支護效果進(jìn)行研究。

5 數(shù)值計算結(jié)果及分析

5.1 基坑隆起結(jié)果及分析

圖4所示為開挖階段基坑底部隆起值。綜合分析：每次開挖過程都有一定的隆起值，且越靠近基坑中部，基坑隆起值越大，至基坑開挖至設(shè)計標(biāo)高，最大隆起值為11.98 mm。

圖4 開挖過程中基坑底部隆起值

5.2 地表沉降結(jié)果及分析

開挖至基坑底部，基坑在豎直方向上的位移云圖見圖5。從圖5可以看出：基坑周圍的地表沉降在距離基坑邊處越近越大，土體的最大沉降量為20.1 mm，距離邊處越遠(yuǎn)越小。距離基坑邊處4 m(約1/2基坑深度)以外，基本不受基坑開挖的影響。表明本工程的支護結(jié)構(gòu)是合理的。

根據(jù)基坑工程手冊中根據(jù)環(huán)境保護等級對地表沉降的規(guī)定：一級環(huán)境保護等級最大地表沉降0.15%H，約為13.5 mm；二級環(huán)境保護等級最大地表沉降0.25%H，約為22.5 mm；三級環(huán)境保護等級最大地表沉降為0.55%H，約為49.5 mm。因此，該基坑地表沉降控制能夠滿足現(xiàn)場環(huán)境保護等級要求(二級)。

6 結(jié)論

(1)雙排樁結(jié)構(gòu)在基坑支護中對變形控制較好，錨固段深度較小，在基坑開挖深度不大，周圍條件復(fù)雜且不宜施工錨索的條件下，使用雙排樁圍護結(jié)構(gòu)可以達(dá)到變形控制要求。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值分析計算結(jié)基本吻合，所以可運用數(shù)值模擬的方法對雙排樁的支護效果進(jìn)行研究。

(3)通過數(shù)值計算結(jié)果分析，雙排樁維護結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到基坑變形控制要求，對基坑周邊道路和建筑物的影響小，支護效果較好。

圖5 開挖至坑底時豎直方向的位移云圖

[1] 傅勤安,鐘炎. 巢湖軟土基坑雙排樁支護有限元分析[J]. 安徽建筑大學(xué)學(xué)報,2014(5).

[2] 楊德健,王鐵成. 雙排樁支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與工程應(yīng)用研究[J]. 工程力學(xué),2010(12).

[3] 劉泉聲,付建軍. 考慮樁土效應(yīng)的雙排樁模型及參數(shù)研究[J]. 巖土力學(xué),2011,32(2).

[4] 劉國彬,王衛(wèi)東. 基坑工程手冊[M].2版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[5] 王星華,謝李釗,章敏. 深基坑開挖中雙排樁支護的數(shù)值模擬及性狀[J]. 中南大學(xué)學(xué)報,2014(2).

[6] 劉日成,徐幫樹,張芹,等. 深基坑雙排樁結(jié)構(gòu)支護效果有限差分?jǐn)?shù)值模擬[J]. 地質(zhì)與勘探,2012(2).

韋巍(1982～)，工程碩士，主要從事道路與鐵道工程研究。

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[定稿日期]2015-09-16