數(shù)值模擬在基坑雙排樁支護(hù)計(jì)算中的應(yīng)用

彭小毅 高嘉麗 許利東 陳 明

云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650501

1 工程概況

云南省昆明市官渡區(qū)五里中央商務(wù)區(qū)（CBD）項(xiàng)目A22地塊基坑開挖范圍內(nèi)有部分河道，需在基坑開挖前將河道改移至基坑開挖范圍以外。

原地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2層，基坑開挖深度約11.22 m，從安全、經(jīng)濟(jì)、施工便捷等方面考慮，擬采用雙排樁支護(hù)，且雙排樁上部兼作金汁河河道；后因地下室規(guī)劃調(diào)整，地下室結(jié)構(gòu)由2層調(diào)整為3層，基坑開挖深度增加至14.92 m。但原設(shè)計(jì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)已施工完畢，因此在原設(shè)計(jì)雙排樁間增加5道預(yù)應(yīng)力錨索以確保基坑開挖過程中的安全性。

2 工程地質(zhì)條件

本剖面基坑支護(hù)范圍內(nèi)主要土層自上而下分別為：①雜填土，松散，以黏性土為主；②黏土，硬塑狀為主，局部為可塑狀，夾有粉質(zhì)黏土；③圓礫，稍密-中密狀，為沖洪積相沉積物；④黏土，硬塑狀，局部可塑；④3泥炭質(zhì)土，可塑至硬塑，富含有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)及腐殖質(zhì)；⑤黏土，硬塑狀；⑦黏土，硬塑狀；⑦2泥炭質(zhì)土，硬塑，富含有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)及腐殖質(zhì)；⑨粉質(zhì)黏土，硬塑狀，局部堅(jiān)硬狀。

3 設(shè)計(jì)方案

原地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2層，基坑底標(biāo)高為1 881.38 m，開挖深度11.22 m。基坑南側(cè)剖面考慮基坑支護(hù)及河道改遷，基坑采用雙排樁支護(hù)，雙排樁上部掏土后為改遷金汁河河道，止水帷幕采用普通水泥土攪拌樁。前、后排樁樁徑均為0.8 m，樁間距1.3 m，考慮河道凈寬，排距為6.5 m。

在原設(shè)計(jì)雙排支護(hù)樁施工完成后，地下室結(jié)構(gòu)由2層調(diào)整為3層，基坑底標(biāo)高調(diào)整為1 877.68 m，基坑開挖深度增加至14.92 m。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，樁身抗彎承載力及樁身水平位移均不滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合現(xiàn)場情況，綜合考慮基坑“安全、經(jīng)濟(jì)、適用”等方面的因素，擬采用“雙排樁＋預(yù)應(yīng)力錨索”復(fù)合支護(hù)形式（圖1），其中預(yù)應(yīng)力錨索共5道，自由段8 m，錨固段15 m，總長23 m@2 600 mm，鉆孔直徑200 mm，預(yù)加力200 kN。采用此方案后，基坑順利開挖到底，各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

圖1 基坑復(fù)合支護(hù)方案剖面示意

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 數(shù)值模擬參數(shù)

方案中，雙排樁樁間兼作河道，前排樁上施工5道預(yù)應(yīng)力錨索，此類方案計(jì)算模型復(fù)雜，傳統(tǒng)的計(jì)算軟件不能建立此類復(fù)雜的計(jì)算模型，因此采用Plaxis 2D巖土有限元分析軟件建模，進(jìn)行雙排樁內(nèi)力、水平位移及樁后地面沉降計(jì)算。

數(shù)值模擬計(jì)算采用HS模型，HS模型總共包括11個參數(shù)。其中3個強(qiáng)度參數(shù)為有效黏聚力C、有效內(nèi)摩擦角φ、剪脹角Ψ；4個基本剛度參數(shù)為三軸排水試驗(yàn)的參考割線剛度固結(jié)試驗(yàn)的參考切線剛度卸荷再加荷模量剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m；4個高級參數(shù)為卸荷再加荷泊松比νur、參考應(yīng)力Pref、破壞比Rf、正常固結(jié)條件下的側(cè)壓力系數(shù)

其中，本項(xiàng)目各土層參數(shù)如表1所示[1-4]。

表1 項(xiàng)目各土層參數(shù)

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)工程實(shí)際情況建立二維平面應(yīng)變模型，土體采用十五節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，雙排支護(hù)樁及連梁采用梁單元模擬，預(yù)應(yīng)力錨索自由段采用點(diǎn)對點(diǎn)錨桿模擬，錨固段采用土工格柵模擬；基坑開挖外模型尺寸取基坑開挖深度3倍，模型總尺寸為80 m×30 m；基坑外菊苑路道路荷載取35 kPa；模型左右兩側(cè)約束水平位移，模型底部約束水平、豎向位移；采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分精度選擇中等精度并對支護(hù)樁及基坑底部的網(wǎng)格進(jìn)行加密，以便獲得較高的計(jì)算精度（圖2）。

圖2 計(jì)算模型

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

考慮實(shí)際施工是一個多階段過程，模型總共分為6個施工工況，分別為：①雙排樁及連梁施工→開挖河道施工→第1層土方開挖至－5.5 m→第1道錨索施工→②第2層土方開挖至－7.5 m→第2道錨索施工→③第3層土方開挖至－9.5 m→第3道錨索施工→④第4層土方開挖至－11.5 m→第4道錨索施工→⑤第5層土方開挖至－13.5 m→第5道錨索施工→⑥開挖至坑底－14.92 m。開挖至坑底后支護(hù)樁的彎矩圖及剪力圖如下（圖3、圖4）。受雙排樁排距大及河道開挖的影響，后排樁彎矩小于前排樁彎矩，后排樁彎矩約為前排樁彎矩的1/2，且在總體趨勢上有較大的差別。

圖3 雙排樁彎矩

圖4 雙排樁剪力

前排樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為358.42 kN·m，后排樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為194.60 kN·m。按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用PKPM軟件進(jìn)行配筋驗(yàn)算后，得知已施工雙排樁樁身抗彎承載力能滿足設(shè)計(jì)要求。前排樁最大剪力設(shè)計(jì)值為241.40 kN，后排樁最大剪力設(shè)計(jì)值為84.06 kN，按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用PKPM軟件進(jìn)行配筋驗(yàn)算后，得知已施工雙排樁樁身抗剪承載力能滿足設(shè)計(jì)要求。在各開挖工況下，土體深層水平位移及樁后地表沉降如下（圖5、圖6）。

模擬計(jì)算得出基坑開挖到基坑底后，深層水平位移最大值達(dá)到20.88 mm，而開挖到底后實(shí)際監(jiān)測的深層水平位移最大值為22.62 mm，兩者相差1.74 mm。

模擬計(jì)算得出墻后各工況地面沉降呈拋物線形，基坑開挖到底后，最大沉降量發(fā)生在距離后排樁外7.46 m處，最大沉降量為29.92 mm；實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)中，最大沉降量發(fā)生在后排樁外10.20 m處，最大沉降量為30.82 mm，模擬計(jì)算值和監(jiān)測值比較接近。

基坑開挖到底部后，錨索軸力計(jì)算值和監(jiān)測值對比如表2所示。

圖5 深層水平位移

圖6 地表沉降量

表2 錨索軸力對比

表2表明：模擬計(jì)算值和實(shí)測值比較吻合且呈現(xiàn)“中間大，兩頭小”的趨勢，符合基坑開挖錨索內(nèi)力規(guī)律，模擬結(jié)果可以用于錨索設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

本文中采用“雙排樁＋預(yù)應(yīng)力錨索”這種復(fù)合支護(hù)形式解決了因基坑開挖深度而導(dǎo)致的原有雙排樁不能滿足設(shè)計(jì)要求的難題，且雙排樁樁間兼作河道，節(jié)省了河道河堤擋土墻，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

針對本文中如此復(fù)雜的雙排樁計(jì)算模型，傳統(tǒng)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件已不能滿足建模要求，有限元軟件恰好能彌補(bǔ)傳統(tǒng)軟件的這一缺陷。本文基于Plaxis 2D有限元軟件，采用土體硬化（HS）模型對復(fù)雜雙排基坑支護(hù)模型的整個施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬，得出支護(hù)樁內(nèi)力、位移及樁后地面沉降值，并與監(jiān)測值進(jìn)行對比。

對比結(jié)果顯示，數(shù)值模擬能較好地反映基坑開挖的變形趨勢，且數(shù)值上與監(jiān)測值也較好地吻合，證明本文中模擬軟件使用正確，參數(shù)取值合理，對類似項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。