成都地區排樁支護結構對土層參數敏感性分析

吳 兵

(核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610061)

排樁支護結構是國內深基坑普遍應用的一種支護形式，在成都地區深基坑工程中有著廣泛的應用。在實際工程設計中，根據設計方法求得給定參數值情況下的圍護結構的變形和內力，但隨著某些參數在取值上可能發生的變化，結構的變形和內力會發生什么樣的變化對整個工程的經濟和安全有著重要的影響，對實際工程的參數敏感性分析為設計施工決策提供了重要依據。

1 工程概況

1.1 工程特點

成都地鐵某廣場站深基坑開挖深度約23.54m，采用“排樁+內支撐”支護體系。排樁采用Φ1200@2200mm鋼筋混凝土樁，樁長為27m，嵌固深度為3.5m；內支撐采用Φ603×12mm鋼管，水平間距2.7～3.5m，豎向設置4道；樁間土體采用Φ8@150mm×150mm鋼筋網片加150mm厚C20混凝土防護。明挖基坑標準段圍護結構剖面見圖1。

圖1 基坑標準段圍護結構剖面

1.2 工程地質及水文地質條件

站區地處成都平原岷江Ⅲ級階地，為山前臺地地貌。場地范圍內上覆第四系人工填土層，第四系中、下更新統冰水沉積(Q2-1fgl)黏土、粉砂、含卵石黏土和含黏土卵石，下伏基巖為白堊系上統紫紅色泥巖。

地下水主要有4種類型：一是賦存于黏土層之上的上層滯水，二是賦存于黏土中的裂隙水，三是第四系松散土層(含卵石黏土和含黏土卵石)的孔隙潛水，四是基巖裂隙水(基巖溶孔溶隙裂隙潛水)。

2 有限元數值模擬

2.1 基本假設及計算模型

(1)該工程屬于典型的長條型基坑，計算時假設沿基坑長度方向無限長，取其中1根樁及周圍土體為研究對象。

(2)由于在基坑開挖時通過降水使地下水位一直處在坑底以下，故不考慮地下水的滲流作用。

(3)不考慮樁間掛網噴射混凝土對樁間土的防護作用。

(4)砂卵石、泥巖采用Mohr-Coulomb模型；黏性土采用線性Drucker-Prager模型；圍護樁和鋼支撐均采用線彈性本構關系。土體和圍護樁采用實體建模，采用C3D8R單元；鋼支撐采用僅壓桿單元T3D2。

(5)文章采用接觸面加摩擦的方式來模擬支護結構與土之間的接觸特性，摩擦系數統一取值0.35。

圖2 有限元計算網格

整個模型土體共計11 841個單元，支撐40個單元和圍護樁1242個單元，樁土界面建立7個接觸對。有限元計算網格見圖2。

2.2 材料參數選取

(1)土巖的物理力學參數。

為簡化計算，對實際地層進行了適當簡化，將地層分為黏性土、砂卵石、泥巖3層，根據工程勘察資料，其計算參數見表1。

（1）collection of R.p=p，{R.s}is grouped by different R.s

(2)鋼筋混凝土灌注樁。

表1 土(巖)層的計算物理力學參數指標

混凝土強度等級C30，樁身縱筋為25Φ25，鋼筋等級為Q235，圍護樁的彈性模量E近似取值為30GPa，泊松比υ取值為0.2，密度取值為2 400kg/m3。

(3)鋼管內支撐。

彈性模量E取值為210GPa，泊松比υ取值為0.2。

2.3 計算工況

根據基坑開挖和加撐的施工工序，每層土體開挖和加撐均單獨作為一個工序，工況劃分：開挖至1.5m—加第一道支撐—開挖至7.5m—加第二道支撐—開挖至13.5m—加第三道支撐—開挖至18.5m—加第四道支撐—開挖至23.5m(基底)—拆除第四道支撐。

各道支撐安裝完成后，立即施加預加軸力。因論文取1根樁(間距為2.2m)進行計算分析，所以應按支撐水平間距(3.5m)對支撐施加軸力進行折減，折減比為2.2/3.5=0.63。計算模型中預加軸力取值自上而下依次為40kN、200kN、350kN、350kN。

2.4 計算結果分析

選取的計算模型近似于基坑長邊中部的圍護樁及樁周土體，所以計算結果與基坑長邊中部的圍護樁的實測結果進行比較分析(圖3、圖4)。

圖3 樁身水平位移計算結果

圖4 樁身水平位移實測結果

計算結果表明：在開挖第一層土體(工況2)后，由于及時加撐并施加預加軸力，使得樁頂發生向坑外方向的水平位移，隨著開挖深度的增大和支撐的設置，樁頂位移不會明顯增大，樁身中部向坑內凸出，樁身最大水平位移也相應地逐漸下移，開挖至基坑底部時，最大水平位移發生于樁頂以下約16.0m處，其位移計算值約32.0mm。

比較計算結果和實測結果的樁身水平位移曲線，形狀較為相似，呈“鼓肚”形狀，計算與實測的樁身最大水平位移及發生位置較為接近。總體而言，計算結果所反映的圍護樁的變形趨勢與實際較為吻合。

3 土體剛度、強度參數敏感性分析

3.1 參數敏感性分析方法

在實際系統中，由于決定系統各參數是不同的物理量單位，為了比較敏感程度的大小，經常要進行無量綱化處理，繪制ΔF/F*～Δxi/xi*(i=1,2,3,…)曲線，該曲線的斜率絕對值定義為參數敏感性函數：

αi=|ΔF/F*|/|Δxi/xi*|，(i=1,2,3,…n)

參數敏感度函數可以比較系統特性對各參數的敏感程度，敏感度函數值越大，系統特性對該參數越敏感。

為簡化計算，假設基坑開挖土體為單一土層，即分別按黏性土和砂卵石進行計算。樁端嵌固于泥巖，內支撐不施加預加軸力，模型的其他尺寸和參數與實際工程一致，統一以基坑開挖至底部這一工況的計算結果進行比較分析。

3.2 黏性土的剛度、強度參數敏感性分析

設定基準狀態X*=(x1*，x2*，x3*)=(E，c，φ)，系統特征F*=f(X*)=(E，c，φ)。基準值F*=(8，35，16°)。即以基坑開挖土層參數分別為E=8MPa、c=35kPa、φ=16°時計算得到樁體的最大彎矩值、最大水平位移值作為基準值，分析基坑圍護樁的變形和內力對上述三個參數的敏感程度(表2)。

表2 黏性土土層參數敏感性分析計算

圖5 樁身最大水平位移-土層參數變化率關系

圖6 樁身最大彎矩-土層參數變化率關系

由圖5、圖6的曲線斜率絕對值的大小可以判斷：基坑開挖土層均為黏性土時，圍護樁的變形及內力對上述3個土層參數的敏感程度大小是φ>c>E。

3.3 砂卵石的剛度、強度參數敏感性分析

設定基準狀態X*=(x1*，x2*，)=(E，φ)，系統特征F*=f(X*)=(E，φ)。基準值F*=(55， 35°)。即以基坑開挖土層參數分別為E=55MPa、φ=35°時計算得到樁體的最大彎矩值、最大水平位移值作為基準值，分析基坑圍護樁的變形和內力對上述兩個參數的敏感程度(表3)。

表3 砂卵石土體參數敏感性分析計算

圖7 樁身最大水平位移-土層參數變化率關系

圖8 樁身最大彎矩-土層參數變化率關系

由圖7、圖8的曲線斜率絕對值的大小可以判斷：基坑開挖土層均為砂卵石時，圍護樁的變形及內力對上述2個土層參數的敏感程度大小是φ>E。

3.4 黏性土與砂卵石的剛度、強度參數敏感性比較

由表4、表5可知：土層剛度、強度對樁體內力和變形具有較大的影響，尤其是土體內摩擦角的影響更大，所以在工程實際中，對上述參數的合理取值相當重要，如果取值偏小，將導致設計保守。另外，黏性土的彈性模量和內摩擦角對樁體內力和變形的影響程度明顯大于砂卵石。

表4 黏性土土層參數對樁體內力和變形的影響

表5 砂卵石土層參數對樁體內力和變形的影響

4 結束語

(1)通過數值模擬計算，并與實測結果對比分析，數值模擬計算結果對參數準確性依賴較大，參數選取不合理可能造成與實際差異較大。

(2)以上對于土層參數敏感性分析可以看出，對于排樁支護結構，圍護樁變形及內力影響最大的參數是土體的內摩擦角，因此在設計計算中，確定合理的土體內摩擦角至關重要。

(3)對于黏性土地層，圍護樁的變形及內力對土體剛度、強度參數的敏感程度大小分別為φ>c>E；對于砂卵石地層，則為φ>E。另外，黏性土的E和φ對圍護樁的變形及內力的影響程度大于砂卵石。