雙排樁基坑圍護結構樁頂邊坡優化穩定分析

胡世飛，王安鑫

(中建六局建設發展有限公司 天津300451)

雙排樁基坑圍護結構樁頂邊坡優化穩定分析

胡世飛，王安鑫

(中建六局建設發展有限公司 天津300451)

利用FLAC3D軟件對揚州市某項目深基坑圍護結構進行數值模擬。分析了基坑邊坡優化前后的雙排樁樁身位移隨深度的變化曲線，驗證了雙排樁結構的可靠性；分析了不同三軸攪拌樁強度下坡面最大水平位移值的變化趨勢，獲取了三軸攪拌樁的最小允許強度；分析了不同土體參數對邊坡變形的影響，提出了土體強度不滿足設計優化要求時的解決方法。

基坑 邊坡優化 雙排樁 位移 應力 數值模擬

0 引 言

雙排樁作為一種有效的基坑支護形式，由于其側向剛度大、結構形式簡單、基坑內作業空間寬闊、基坑圍護深度比一般懸臂結構深，深受工程技術人員的青睞。[1]但是，目前由于對雙排樁的作用機理及受理特征還不是完全清楚，雙排樁的設計理論還不成熟，主要依靠工程經驗進行設計，[2-3]設計完成后如果對局部進行合理優化仍需進一步探討。

本文主要以揚州市某城市綜合體項目深基坑工程“淺層放坡＋雙鉆孔灌注樁排樁＋三軸水泥土攪拌樁”圍護體系為研究背景，采用FLAC3D數值模擬方法分析該項目雙排樁及外側的三軸攪拌樁的受力狀態，研究其變形規律，分析基坑邊坡優化后基坑圍護結構的穩定性。

1 工程概況和數值模型

本工程位于江蘇省揚州市，場地總體呈長方形，長約310,m，寬約200,m，場地周邊距離建筑物較遠，東側有110,kV的電纜溝需要保護。基坑普遍開挖深度約為11.00,m，基坑總面積7.50萬m2，土方開挖量較大。基坑南、東北三側采用“淺層放坡＋雙排鉆孔灌注樁排樁＋三軸水泥土攪拌樁止水帷幕”的圍護形式，西側采用三級放坡。其中原設計方案基坑南側東側及北側均采用自然地面以1∶1分放坡至標高-4.40,m，設置雙排灌注樁支護，灌注樁采用C35混凝土，樁徑為800,mm，樁間距離為1,600,mm，前后排排距為2,400,mm，頂部設1,000,mm×800,mm壓頂梁，壓頂梁由900,mm×800,mm連梁連接，壓頂梁及連梁混凝土強度均為C30，樁外側設置寬為4.0,m的平臺。雙排樁外設置直徑850,mm、間距600,mm的三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，止水帷幕強度大于1,MPa，地下水位位移地面以下-4.5,m，對淺層放坡部位無較大影響。西側采用三級放坡開挖支護，并用鋼筋網片+C15細石混凝土(8,cm厚)護坡。本工程基坑安全等級為二級，重要性系數1.0，具體見圖1。

圖1 基坑圍護結構平面布置圖Fig.1 Pit supporting structure layout

場地地貌分區為長江三角洲平原區，地貌類型為微凸的高沙平原。場地原為農田和村莊，地勢較為平坦。根據地基巖土的組成、特性及埋藏條件，并結合工程特點，場地地基巖土體可分為10個大層、1個亞層，其中1～9層土為全新統地層(Q4)，10層為白堊紀上統浦口組地層(K2P)。其中與圍護結構設計相關土層參數詳見表1。

表1 土層土體物理力學指標Tab.1 Soil physical and mechanical indexes

由于基坑面積較大，原設計方案中基坑邊坡距建筑紅線距離不滿足施工場地要求，為此本工程針對原設計方案進行了淺層放坡的優化設計。應用FLAC3D進行數值模擬，模型中土體采用Mohr-Coulomb模型，雙排樁及冠梁、連梁均采用彈性模型建模，由于本基坑內外均設置了降水井，不考慮地下水的滲流作用。為了計算簡便以及建模方便，雙排樁及冠梁均采用軟件中結構單元模擬。將三軸攪拌樁止水帷幕等效成為地下連續墻的方法如下：

設三軸攪拌樁的直徑為D，樁的凈距為t，則單根樁等價為(D＋t)長度的地下連續墻，通過抗彎剛度相等的原則(D＋t)h3/12＝πD4/64，可得等價后的地下連續墻的折算厚度。基坑外坡頂施加15,kPa的均布荷載，根據工程實際情況取基坑南側圍護結構建模，基坑優化前后剖面如圖2所示。

圖2 基坑優化前后剖面圖Fig.2 Excavation section view before and after the optimization

2 優化方案前后基坑穩定性分析

考慮到施工階段基坑周邊施工道路過于狹窄難以保證施工需要，對雙排圍護樁樁頂的淺層放坡坡度進行優化設計，坡度由原來的1∶1變更為1∶0.5，坡頂向基坑推進2,m，坡頂施工道路由原來的4,m增加到6,m寬，其他設計條件不變，剖面圖見圖2(b)。

依據原設計方案結合現場實際情況本工程基坑開挖分為4個工況，獲取原設計方案每個工況下基坑土體的變形云圖(見圖3～5)。

圖3 工況1，基坑變形云圖Fig.3 Deformation nephogram under Condition 1

圖4 工況2，基坑變形云圖Fig.4 Deformation nephogram under Condition 2

圖5 工況3，基坑變形云圖Fig.5 Deformation nephogram under Condition 3

圖6 工況4，基坑變形云圖Fig.6 Deformation nephogram under Condition 4

圖7 樁身位移隨深度變化曲線Fig.7Curves of pile displacement with depth variation

由圖3～7可知：隨著土方的開挖，基坑整體位移不斷增加，并在基坑最終開挖完成后達到穩定；原設計方案基坑淺層放坡坡頂最大位移值從第一步開挖的1.73,mm逐漸增加，基坑開挖完成以后淺層放坡坡頂最大位移值穩定在7.53,mm，滿足規范(GB,50497—2009)要求；隨著基坑的開挖，淺層放坡坡頂的水平位移值增速逐漸放緩，并最終趨于穩定；原設計方案隨著開挖的進行圍護樁樁頂最大位移值逐漸增加，最終穩定值為18.63,mm，滿足規范(GB,50497—2009)要求；基坑優化后隨著開挖的進行，圍護樁樁頂最大位移值逐漸增加，最終穩定值為23.42,mm，滿足規范(GB 50497—2009)要求；圍護樁水平位移值隨著深度的增加逐漸減小，樁底位移值趨近于零；基坑淺層放坡優化前后圍護樁位移變化規律基本一致，整體上前排樁水平位移大于后排樁；優化前后樁頂位移均滿足設計要求，雙排樁支護結構在控制基坑及結構變形方面效果顯著。

3 淺層放坡優化前后穩定性分析

根據以上分析，雙排樁圍護結構的位移值和整體穩定性完全滿足基坑邊坡優化后的要求。針對優化前后的邊坡方案對淺層放坡的穩定性做進一步分析。

依據優化后的設計圖(見圖2b)可知對基坑邊坡進行優化后基坑坡頂正好位于止水帷幕頂端。根據設計要求，止水帷幕的設計強度不低于1,MPa。

通過淺層放坡部位考慮止水帷幕對邊坡的加固作用及不考慮加固作用兩種工況的計算分析，得到止水帷幕對優化后邊坡穩定性的重要作用。

淺層放坡部位水平方向的位移變形如圖8所示：

圖8 不考慮止水帷幕作用水平方向位移云圖Fig.8 Horizontal displacement reprogram without water curtain

圖9 止水帷幕作用下水平方向位移圖Fig.9 Horizontal displacement reprogram with water curtain

由圖8、9可知：當不考慮止水帷幕的支護作用時，隨著基坑開挖的進行，淺層放坡部位坡面的位移值不斷增加，并最終超過限制，造成邊坡滑移破壞；當考慮止水帷幕強度(最低為1,MPa)時，隨著基坑開挖的進行，邊坡土體發生向基坑內的位移變形，當開挖結束后位移值終穩定在38.41,mm(不考慮護坡結構)時，滿足設計要求；通過圖8、9的對比可知，基坑坡頂的止水帷幕對優化后的邊坡穩定性起到了有效的加固作用；保證淺層放坡部位三軸水泥土攪拌樁的強度有助于提高邊坡的整體穩定性。

通過模型塑性區，可以觀察潛在破壞區域的范圍，判斷巖土塑性流動的發生，軟件中塑性區標示不同的顏色顯示剪切破壞(shear-n)和拉伸破壞(tensionn)。淺層放坡部位塑性區如圖10、11：

圖10 不考慮止水帷幕作用邊坡塑性區云圖Fig.10 The plastic zone of slope contours without water curtain

圖11 止水帷幕作用下邊坡塑性區云圖Fig.11 The plastic zone of slope contours with water curtain

考慮水泥土強度下開挖過程中支護樁坡頂部位止水帷幕水平位移云圖如圖12。

圖12 止水帷幕水平方向位移云圖Fig.12Water stop curtain horizontal displacement nephogram

由圖10～12可知：從圖10中可以明顯看到塑性貫通區域即潛在滑動面，說明這一區域已經出現明顯滑動，即發生了剪切滑移破壞；本文所示的工程條件下，不考慮止水帷幕的強度時，邊坡穩定性無法滿足；從圖11中可以明顯看出，由于止水帷幕的存在，基坑邊坡的塑性區域未發生貫通，數值模擬中未發生大的剪切滑移變形，基坑穩定性得到保證；圖12顯示了止水帷幕的水平位移值，接近坡頂的位置水平位移較大，通過該水平位移值進一步證明了邊坡優化過程中止水帷幕對邊坡的支護作用；通常情況下，傳統的邊坡設計計算往往忽略止水帷幕的強度，導致邊坡的優化設計方案在專業計算軟件中無法通過驗算。

工程優化設計完成后，邊坡使用時間為18個月，位移值及穩定性均滿足要求。

4 坡后攪拌樁強度對邊坡穩定影響分析

4.1 不同攪拌樁強度對邊坡穩定性的影響

通過改變攪拌樁的力學性質來分析不同止水帷幕強度對淺層放坡邊坡位移值的影響。改變三軸攪拌樁的彈性模量，分析淺層放坡的坡面位移值，得到圖13所示曲線。

圖13 不同帷幕強度下坡面水平位移Fig.13 The surface horizontal displacement under different curtain downhill intensities

隨著止水帷幕強度的增加，邊坡坡面的位移值呈指數形式逐漸減小；隨著止水帷幕強度的增加對邊坡水平位移的增速越來越小，當止水帷幕強度大于2.5,MPa時，邊坡的水平位移值基本保持不變；通過曲線可知，止水帷幕的強度應大于0.6,MPa。

4.2 不同巖土地質狀況攪拌樁對邊坡穩定性的影響

通過改變計算模型中的土體的力學性質，分析不同的巖土性質下，攪拌樁止水帷幕對淺層放坡部位邊坡水平位移的影響。三軸攪拌樁強度選取1,MPa。

對于土體來說，內粘聚力、內摩擦角以及彈性模量為影響土體強度的主要指標，通過改變以上3個主要指標得到不同地質狀況下攪拌樁止水帷幕對邊坡穩定性的影響曲線如圖14～16。

圖14 不同土體內摩擦角的坡面最大水平位移Fig.14 The different angles of internal friction of soilslope maximum horizontal displacement

圖15 不同土體內粘聚力坡面最大水平位移Fig.15 Different soil cohesive forces of the maximum horizontal displacement of the slope

圖16 不同土體彈性模量坡面最大水平位移Fig.16Different soil moduli maximum horizontal displacement of the slope

當淺層放坡部位土體的內摩擦角、內粘聚力以及彈性模量逐漸增加時，該部位坡面的最大水平位移均呈現減小的趨勢；其他條件不變，土體的內摩擦角控制在16 °以上可以保證邊坡水平位移值滿足要求；其他條件不變，當土體內粘聚力為15,kPa以上時，可以保證邊坡坡面穩定，不出現超規范變形；隨著土體內粘聚力的逐漸增大，超過15,kPa時，坡面最大水平位移值呈現微弱的增長趨勢，可能與坡面周邊土體內部的拉力有關；其他條件不變，土體的彈性模量大于3,MPa，坡面的最大水平位移可以滿足要求。

5 結 語

根據對揚州市某項目深基坑工程雙排樁圍護結構淺層放坡部位的數值模擬分析，得到以下結論：雙排樁圍護結構在淺層放坡部位優化前后其樁身水平位移值均可滿足規范要求，前后排樁的水平位移變化趨勢基本一致，雙排樁支護結構在控制基坑及結構變形效果方面十分顯著；當施工場地條件受限，需要對雙排樁基坑圍護結構頂部淺層放坡部位進行坡度優化時，可以根據現場實際情況，將三軸攪拌樁止水帷幕設置在坡頂部位用以加固坡后土體，提高淺層放坡部位的穩定性；隨著三軸攪拌樁強度的增加，淺層放坡部位的水平位移值逐漸減小，穩定性逐漸增加。對于邊坡有需要優化的部位，三軸攪拌樁的強度應該根據工程實際進行測算，保證滿足土體加固要求，本工程地質狀況下三軸攪拌樁強度至少應大于0.6,MPa；當三軸攪拌樁的強度一定時(通常大于1,MPa)，通過增加土體的彈性模量、內摩擦角以及內粘聚力，邊坡坡面的水平位移值均呈現減小的趨勢。在工程地質不良的地區如果需要優化邊坡，可以適當考慮在施工前對部分土體進行預加固或者提前換填強夯等方式以保證開挖部位邊坡的穩定。■

［1］ 周鵬華，黃曉程. 雙排樁受力變形規律及影響因素有限元分析[J]. 施工技術，2015(11)：96-100.

［2］ 李立軍. 雙排樁支護結構的數值分析與現場試驗研究[D]. 太原：太原理工大學，2013.

［3］ 樊繼良，任彥華，吳永紅，等. 基坑工程中雙排灌注樁支護結構的有限元模擬及分析[J]. 天津建設科技，2013(1)：16-19.

Top Slope of Double-row Piles Retaining Structure Pile: Optimization and Stability Analysis

HU Shifei，WANG Anxin
(China Construction Sixth Division Construction & Development Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

FLAC3Dwas used to analyze a deep foundation pit retaining structure in Yangzhou city . The curves of doublerow pile displacement changing with depth before and after the optimization were analyzed to verify the reliability of the structure with double-row piles. The change tendency of the maximum slope face horizontal displacement under different intensities of three-axis mixing pile was analyzed to obtain the minimum allowable strength of three-shaft stirring pile; the influence of different parameters of soil on the slope deformation was analyzed and solutions for soil strength which does not satisfy the demands were put forward.

foundation excavation；slope optimization；double-row piles；displacement；stress；numerical simulation

TU753

：A

：1006-8945(2016)10-0025-05

2016-09-09