軟土基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

易 喆

(天津市勘察院， 天津 300191)

隨著我國(guó)城市人口的不斷增多，城市用地逐漸緊張，在軟土地區(qū)新建的高層建筑基坑實(shí)例不斷增多。由于軟土基坑變形通常很大，為保證軟土基坑的開(kāi)挖安全，常常需要對(duì)基坑圍護(hù)樁(墻)采用內(nèi)支撐以及外拉錨的型式來(lái)保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[1-3]。但當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度較大且基坑周邊存在地下管線以及地下建筑時(shí)，內(nèi)支撐以及外拉錨施工就十分不便，基于這種情形，懸臂式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)始逐漸被推廣使用[4-6]。

為研究雙排樁支護(hù)條件下基坑周邊土體的穩(wěn)定情況，許多學(xué)者開(kāi)展了一系列研究工作[7-14]，如：林鵬等[8]通過(guò)對(duì)汕頭軟土地區(qū)基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行數(shù)值分析，指出雙排樁結(jié)構(gòu)有一定剛度，能最大程度的控制基坑工程變形；韓樹(shù)山等[9]介紹了雙排懸臂灌注樁支護(hù)的施工全過(guò)程，雙排樁支護(hù)情況下基坑變形在整個(gè)周期內(nèi)平穩(wěn)，無(wú)漏水；龍麗吉等[10]通過(guò)數(shù)值模擬研究得出，雙排樁在灘海軟土地基上有很好的適用性，雙排樁入土深度對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有很大的影響；馬乾天[11]采用朗肯極限平衡理論，對(duì)雙排樁支護(hù)基坑進(jìn)行了安全計(jì)算，為深基坑陽(yáng)角位置的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；李佳鑫等[12]對(duì)基坑工程的雙排高低樁的樁土變形、位移、彎矩進(jìn)行分析研究，分析了樁間土加固、后排樁嵌固深度等參數(shù)對(duì)雙排高低樁的影響；張玲等[13]基于上述雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性給出了一種考慮樁樁相互作用以及樁土相互作用的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

這些研究成果的取得為雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供了諸多寶貴意見(jiàn)，為進(jìn)一步深入研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理和設(shè)計(jì)影響因素，本文通過(guò)FLAC3D軟件[15]對(duì)廣州市某軟土基坑的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了圍護(hù)樁排數(shù)、排距、樁長(zhǎng)、樁剛度等對(duì)基坑變形的影響，可為確保軟土基坑安全和節(jié)約工程造價(jià)提供重要參考價(jià)值。

1 工程概況

廣州市某高層建筑基坑位于廣州市南沙區(qū)橫瀝鎮(zhèn)，場(chǎng)地現(xiàn)狀為農(nóng)田種地，由上至下分為雜填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖，各層土的主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑周邊土體的主要力學(xué)參數(shù)

建筑基坑開(kāi)挖深度為7.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排鉆孔灌注樁+攪拌樁，其中鉆孔灌注樁樁徑為1.2 m，長(zhǎng)度為32 m，間距為1.30 m，排距為3.60 m。考慮基坑表層土體為軟土，對(duì)基坑外側(cè)10 m范圍內(nèi)的主動(dòng)區(qū)土體采用格柵式攪拌樁進(jìn)行加固，加固深度為28 m。此外，為防止坑底隆起過(guò)大，還對(duì)基坑靠近鉆孔灌注樁的被動(dòng)區(qū)土體采用水泥土攪拌樁進(jìn)行了加固，加固深度為12.5 m，加固寬度為5 m。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)所述工程情況，采用FLAC3D建立軟土基坑雙排樁支護(hù)數(shù)值模擬模型如圖1所示。該模型寬度為50 m，高度為45 m，厚度為3 m，共包含29 568個(gè)節(jié)點(diǎn)和25 850個(gè)單元。模型邊界條件設(shè)置為頂面自由，底部固定，左右以及前后兩側(cè)法向約束。模擬基坑開(kāi)挖時(shí)，采用彈性單元模擬鉆孔灌注樁、冠梁以及加固區(qū)土體，其中鉆孔灌注樁彈性模量為22.5 GPa，泊松比為0.25；冠梁彈性模量為30.0 GPa，泊松比為0.25；加固區(qū)土體彈性模量為80 MPa，泊松比為0.3，黏聚力為40 kPa，內(nèi)摩擦角為25°。

圖1 軟土基坑雙排樁支護(hù)數(shù)值模擬模型

2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

為優(yōu)化該軟土工程基坑的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，本文在實(shí)際工程基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以下幾種數(shù)值模擬方案：

(1) 樁排數(shù)。在其它參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，模擬軟土基坑樁排數(shù)分別為1排、2排和3排。

(2) 不同樁排距。在其它參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，模擬樁排距分別為1.2 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m和6.0 m。

(3) 不同樁長(zhǎng)。在其它參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，模擬樁長(zhǎng)分別為8 m、16 m、24 m、32 m和40 m。

(4) 不同樁剛度。在其它參數(shù)保持不變的基礎(chǔ)上，模擬樁剛度分別為0.1EI、0.2EI、0.5EI、1.0EI和2.0EI。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 軟土基坑開(kāi)挖變形分析

當(dāng)軟土基坑開(kāi)挖至坑底預(yù)定位置時(shí)，基坑周邊土體的位移分布如圖2所示。由于基坑內(nèi)不設(shè)內(nèi)支撐，缺少了對(duì)基坑兩側(cè)鉆孔灌注樁的水平約束，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖后，基坑在鉆孔灌注樁頂部出現(xiàn)最大水平位移，其值約為24.0 mm；而基坑豎向位移則在基坑中心隆起最大，達(dá)到57.8 mm，在基坑外側(cè)約20 m位置沉降最大，約為9.8 mm。由水平位移以及豎向位移分布范圍大小上看，雙排樁支護(hù)下軟土基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體影響范圍較大，達(dá)到了將近30 m，原因在于基坑內(nèi)側(cè)5 m以及外側(cè)10 m范圍內(nèi)的土體都進(jìn)行了加固，導(dǎo)致基坑外側(cè)加固范圍以外的軟土?xí)@過(guò)加固區(qū)向坑內(nèi)方向移動(dòng)，進(jìn)而加大了影響范圍。因此，軟土基坑在采用雙排樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)，一定要加大地表沉降監(jiān)測(cè)范圍以及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)樁頂位移的變化規(guī)律，從而保證基坑的開(kāi)挖安全。

圖2 基坑開(kāi)挖完成后基坑周邊土體的位移分布云圖

圖3給出了基坑不同開(kāi)挖深度下軟土基坑樁體以及地表的位移變化曲線。由圖3可以看出，基坑開(kāi)挖深度小于5 m時(shí)，基坑的開(kāi)挖對(duì)軟土基坑周邊土體位移影響不大，此時(shí)，雙排樁呈“弓形”變形，其位移在樁深-12 m左右的位置最大，約為5.0 mm；地表沉降影響范圍則約為20 m且在距基坑邊緣約10 m的位置出現(xiàn)最大值9.2 mm。而當(dāng)基坑開(kāi)挖深度由5 m增至7.5 m時(shí)，基坑圍護(hù)樁位移由5.0 mm快速增長(zhǎng)至24.0 mm，且其變形模型由“弓形”轉(zhuǎn)換為“前傾形”，即樁體水平位移在樁頂位置最大，在樁底位置則最小；此外，坑外地表沉降凹槽范圍明顯增大，其最大值雖然變化不大，但其出現(xiàn)位置則向外側(cè)移動(dòng)了將近10 m。軟土基坑變形之所以出現(xiàn)這種變化的原因在于，只有被動(dòng)區(qū)土體在約束樁體向坑內(nèi)發(fā)生的變形，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑被動(dòng)區(qū)土體約束范圍逐漸減小，而基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力卻在明顯增大，這必然導(dǎo)致圍護(hù)樁向坑內(nèi)的位移大幅增長(zhǎng)。因此，在缺少內(nèi)支撐或外拉錨的情況下，雙排樁支護(hù)的軟土基坑開(kāi)挖深度不能太深，否則，基坑在開(kāi)挖至某一深度時(shí)，必然會(huì)發(fā)生前傾失穩(wěn)。

圖3 不同開(kāi)挖分步條件下基坑樁體與地表沉降的變化曲線

3.2 樁排數(shù)優(yōu)化分析

不同樁排數(shù)條件下，基坑圍護(hù)樁體都呈前傾變形，但樁排數(shù)越少，樁體的前傾變形就越嚴(yán)重且地表沉降也越大。當(dāng)只設(shè)一排鉆孔灌注樁時(shí)，樁體最大位移為35.2 mm，地表沉降最大為11.5 mm；而設(shè)兩排和三排鉆孔灌注樁時(shí)，樁體最大位移分別為24.0 mm和19.5 mm，地表沉降最大為10.0 mm和9.2 mm。相比單排樁，雙排樁和三排樁支護(hù)條件下，基坑地表沉降變化不大，但基坑圍護(hù)樁體的最大位移分別減小了32%和44.5%，從性價(jià)比上看，單排樁雖然價(jià)格較低，但其樁體位移超過(guò)了警戒值30.0 mm，滿足不了安全要求；而雙排樁則價(jià)格適中，且其樁體位移能夠滿足安全要求，因此建議采用。

3.3 樁排距優(yōu)化分析

根據(jù)不同樁排距條件下基坑樁體與地表沉降的變化分析可以看出，樁排距的變化只會(huì)對(duì)樁深-12 m以上的樁體位移以及距基坑邊緣18 m范圍內(nèi)的地表沉降產(chǎn)生較大影響，樁排距越大，樁體位移和地表沉降就越小。當(dāng)樁排距為1.2 m、2.4 m、3.6 m、4.8 m和6.0 m時(shí)，基坑圍護(hù)樁體最大水平位移分別為27.3 mm、25.6 mm、24.0 mm、22.8 mm和21.8 mm。可見(jiàn)，隨著樁排距的增大，樁體水平位移減小的幅度越來(lái)越小，從性價(jià)比上看，樁排距的增大會(huì)使雙排樁之間的冠梁寬度逐漸增大，其工程造價(jià)會(huì)逐漸提高，而太小的樁排距，則會(huì)使雙排樁之間的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮，因此綜合考慮，建議取雙排樁排距為2d～4d(d為樁徑)。

3.4 樁長(zhǎng)優(yōu)化分析

由于樁體對(duì)基坑外側(cè)土體的位移具有明顯的約束作用，因此，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁體抵抗外側(cè)土體流動(dòng)的能力就越強(qiáng)，其相應(yīng)的樁體位移和地表沉降就越小。當(dāng)樁長(zhǎng)小于16 m時(shí)，基坑圍護(hù)樁入土深度不足，整個(gè)圍護(hù)樁體呈現(xiàn)“平推形”變形，不能夠很好的保持自身穩(wěn)定；當(dāng)樁長(zhǎng)等于24 m時(shí)，圍護(hù)樁體最大位移達(dá)到29.9 mm，接近警戒狀態(tài)；而當(dāng)樁長(zhǎng)大于32 m時(shí)，圍護(hù)樁體最大位移和地表沉降就基本保持不變，此時(shí)，再繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)工程安全影響不大，反而會(huì)大大增加工程的造價(jià)。故綜合考慮，建議雙排樁樁長(zhǎng)在24 m～32 m之間。

3.5 樁剛度優(yōu)化分析

樁徑以及樁間距的改變將直接影響樁體的整體剛度，圖4給出了不同樁剛度條件下基坑樁體與地表沉降的變化曲線(EI表示樁徑為1.2 m、樁間距為1.3 m的樁剛度)。可以看出，樁剛度的改變對(duì)樁體位移和地表沉降影響相對(duì)較大，尤其是樁深-16 m的樁體以及距基坑邊緣約20 m的地表。當(dāng)樁剛度為0.1EI時(shí)，樁體最大位移為30.5 mm，地表最大沉降則為13.0 mm；隨著樁剛度的增加，圍護(hù)樁體以及地表沉降的變形模型基本不發(fā)生變化，但樁頂最大位移和地表沉降卻逐漸減小，且減小的速率也逐漸變小；即當(dāng)樁剛度達(dá)到一定程度時(shí)，再增大樁剛度也對(duì)基坑周邊土體變形影響不大。從本文計(jì)算結(jié)果上，樁體剛度取0.5EI～1.0EI較為合適，因此可在實(shí)際工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加樁距或減小樁徑。

圖4 不同樁剛度條件下基坑樁體與地表沉降的變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)，基坑的開(kāi)挖對(duì)軟土基坑周邊土體位移影響不大，但當(dāng)基坑開(kāi)挖深度由5.0 m增至7.5 m時(shí)，基坑圍護(hù)樁位移則由5.0 mm快速增長(zhǎng)至24.0 mm，且其變形模型由“弓形”轉(zhuǎn)換為“前傾形”。

(2) 相比單排樁，雙排樁和三排樁支護(hù)條件下基坑地表沉降變化不大，但基坑圍護(hù)樁體的最大位移分別減小了32%和44.5%。

(3) 隨著樁排距、樁長(zhǎng)以及樁剛度的增大，樁體位移和地表沉降將逐漸減小，但其減小的幅度會(huì)越來(lái)越小。

(4) 本文工程計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)樁排距設(shè)置為2d～4d、樁長(zhǎng)設(shè)置為24 m～32 m、樁剛度設(shè)置為0.5EI～1.0EI時(shí)，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的性價(jià)比最高。