基于鋼管樁支護(hù)體系的基坑數(shù)值模擬研究

楊本健，朱崇輝

(淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 概 述

當(dāng)淺層土層不能提供足夠的阻力來支撐上部結(jié)構(gòu)時(shí)，通常采用樁基礎(chǔ)將荷載傳遞到更大的深度。樁身上的表面摩擦力和樁端阻力將共同作用以抵消施加的荷載。樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程中，預(yù)制管樁和鉆孔灌注樁是兩種常用的樁型。許多學(xué)者對樁身的摩阻力進(jìn)行了深入的研究，這些研究都是在打入樁和鉆孔樁上進(jìn)行的。許多學(xué)者也對樁基礎(chǔ)的承載能力進(jìn)行了分析，雙曲線模型被認(rèn)為是模擬樁端荷載-位移關(guān)系的可靠方法。除此之外，輸電塔、海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)、深基坑建筑物等結(jié)構(gòu)物下的樁基礎(chǔ)必須承受抗拔荷載，已有學(xué)者對樁基礎(chǔ)的抗拔性能進(jìn)行了研究。

鉆孔灌注樁是一種應(yīng)用最為廣泛、最為成熟的樁技術(shù)，可用于任何地基條件，包括土壤和巖石。鉆孔需要仔細(xì)清理，以確保樁端的沉積物和開挖碎屑最少；否則，樁的阻力將受到施工質(zhì)量的顯著影響。建議僅根據(jù)樁身阻力設(shè)計(jì)鉆孔樁，以保守設(shè)計(jì)為目標(biāo)。保守的設(shè)計(jì)有時(shí)在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。研究人員還提出了一些提高鉆孔灌注樁性能的技術(shù)，如嵌巖樁、斷開沉降減小樁和樁背后灌漿。但這些方法將增加鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)和施工的復(fù)雜性。鉆孔灌注樁以其承載力高、柔性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但由于鉆孔過程，樁端下方的土壤擾動(dòng)對樁端阻力有很大影響，清理后留下的碎屑將進(jìn)一步降低樁端阻力。同時(shí)，鉆孔過程中樁周土應(yīng)力釋放，也會(huì)降低樁身阻力。此外，樁端條件的軟化也阻礙了樁端阻力的發(fā)揮。由此可見，這些問題對鉆孔灌注樁的應(yīng)用影響很大。

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間在我國得到了極大的發(fā)展。翟貴琳[1]用數(shù)值方法分析了地鐵車站深基坑施工的全過程，并提出可能干擾的內(nèi)力以及地基可能產(chǎn)生的變形。朱志華等[2]利用有限元軟件PLAXIS對青島地鐵車站基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，“護(hù)樁錨內(nèi)支護(hù)”系統(tǒng)運(yùn)行良好，完全滿足設(shè)計(jì)要求。張明居等[3]測量了海南梅蘭機(jī)場隧道基礎(chǔ)(混合支撐體系)的內(nèi)力和變形，并分析了整個(gè)施工期地基的變形情況。利菁等[4]討論了利用內(nèi)支撐和排樁相結(jié)合的方法，在深圳建造一個(gè)大型深基坑的成功方法。

深基坑開挖會(huì)引起一系列的巖土工程問題和挑戰(zhàn)，特別是近年來，深基坑開挖引起的樁基承載問題已逐漸成為新的焦點(diǎn)。樁基礎(chǔ)通常用于將荷載從上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到有效的土壤/巖層。一般來說，有兩種類型的樁：位移樁需要使用擊實(shí)錘或其他設(shè)備將樁打入地下，而非位移樁需要預(yù)挖孔來放置或澆筑樁。單樁的軸向阻力由兩個(gè)分量提供，包括在土-樁界面處移動(dòng)的表面摩擦力和樁端阻力。端承式鋼管樁已廣泛應(yīng)用于港口碼頭、海上大跨度橋梁和生命線電廠結(jié)構(gòu)等城市和沿海結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。隨著大體積結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加，考慮封堵效應(yīng)的端承式鋼管樁承載力成為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。土的堵塞程度對開口樁的承載力影響很大。許多研究者報(bào)道了影響開口樁堵土的因素有打樁條件[5]、樁的幾何條件[6]和土壤條件[7]。在極限荷載狀態(tài)下，開口樁的大部分內(nèi)軸阻力在樁端附近移動(dòng)[8]。現(xiàn)有的研究都是基于對小直徑樁的模型試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)的觀察，因此在解釋開口樁的堵土問題時(shí)存在局限性。此外，一系列的全尺寸樁試驗(yàn)幾乎是不可能的，因?yàn)樗葟?fù)雜又耗時(shí)。數(shù)值模擬通常用于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析[9-10]。在對稱荷載條件下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可以簡化為二維平面應(yīng)變問題。在現(xiàn)有研究中，Chowdhury等[11]采用Mohr-Coulomb模型描述樁的土性，采用梁單元模擬樁，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對開挖過程的影響。Azzam和Elwakil[12]采用類似的方法模擬了樁墻在軸向力作用下的受力情況，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Athanasopoulos等對某城市鋼板樁支護(hù)基坑進(jìn)行了二維有限元分析。分析還表明，實(shí)測值與理論值吻合較好。王波設(shè)計(jì)采用了鋼管樁加固地基的處理措施,對道路進(jìn)行改建治理具有較好的推廣價(jià)值。蔣權(quán)翔針對某滑坡的應(yīng)急治理,利用微型鋼管樁這一新技術(shù),相對于傳統(tǒng)方法,具有施工工期短的優(yōu)勢,對應(yīng)急治理有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。在大多數(shù)情況下，跨越河流或山谷的橋梁的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)由于地形復(fù)雜而遭受不對稱荷載。在這種情況下，二維模擬的使用是不夠的，需要詳細(xì)的三維分析。

鑒于以上綜合分析，鋼管樁具有良好的工作性能而得以廣泛應(yīng)用，但缺乏相應(yīng)城市深基坑中的支護(hù)應(yīng)用，同時(shí)研究鋼管樁代替鉆孔灌注樁的可行性并為后續(xù)鋼管樁的回收提供一定指導(dǎo)是十分有意義的。因此，本文以江蘇某基坑為原型，通過數(shù)值模擬對鋼管樁基坑支護(hù)體系進(jìn)行有限元分析，所得結(jié)果將對后續(xù)類似工程提供借鑒意義。

2 有限元模型

工程為南通圓融廣場商業(yè)項(xiàng)目，其中地下3層，商業(yè)用房地上6層，建筑工程等級(jí)為I級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。

在MIDAS-GTS數(shù)值模擬軟件中，對于土層的模擬采用M-C本構(gòu)關(guān)系，土層參數(shù)見表1，支護(hù)體系結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。本文根據(jù)實(shí)際工程情況，以剖面1-1建模，剖面支護(hù)見圖1，最終建立的基坑模型見圖2。

表1 土層參數(shù)

表2 支護(hù)參數(shù)

圖1 剖面支護(hù)圖

圖2 支護(hù)模型

3 開挖位移變化分析

3.1 土體豎向位移與水平位移變化

通過提取數(shù)值模擬所獲得的數(shù)據(jù)，得到基坑邊緣水平位移與豎向位移隨管樁直徑的變化趨勢，見圖3。

圖3 基坑邊緣土體位移變化趨勢

從圖3可以看出，基坑土體水平位移及豎向沉降值均隨著鋼管樁直徑的增大而減小，鋼管樁直徑為0.9和1 m時(shí)，基坑邊緣土體表現(xiàn)出隆起現(xiàn)象；當(dāng)鋼管樁直徑為0.5 m時(shí)，基坑邊緣沉降值為最大為-3 mm。基坑邊水平位移隨著管樁直徑增大由18 mm減少至14 mm，而基坑側(cè)壁最大水平位移隨著管樁直徑增大由24.8 mm減少至15.6 mm。由此可見，基坑邊水平位移隨著管樁直徑增大而減少的幅值明顯小于基坑側(cè)壁最大水平位移。

3.2 基底隆起分析

以管樁直徑為0.5 m的支護(hù)體系為例，分析基底隆起變化，基底隆起變化見圖4。從圖4看出，基底隆起值隨著距基坑中心距離的增加而不斷減少，在開挖6完成后基底中心的隆起值為52 mm左右，而基坑邊的隆起值則約為18 mm左右。同時(shí)其他不同直徑管樁的基底隆起值與直徑為0.5 m的基底隆起值變化基本相似，而且最終開挖結(jié)束時(shí)基地中心的隆起值均為52 mm左右。由此可以表明，基底隆起值與管樁直徑大小并無直接關(guān)系，但是在施工中為防止基底隆起過大應(yīng)采取必要措施。

3.3 管樁應(yīng)力狀況分析

提取6種不同直徑的管樁樁身最大剪應(yīng)力值，見圖5。從圖5可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，6種不同直徑管樁的樁身剪應(yīng)力也在不斷增大，但可以看出直徑為0.5 m的管樁最大剪應(yīng)力增大的幅值相最大。究其原因，小直徑管樁的剛度小而不能較好地控制樁后土體位移，而樁后土體位移正是導(dǎo)致樁身剪應(yīng)力增加的原因。

圖4 基底隆起變化(直徑0.5 m)

圖5 鋼管樁最大剪力變化趨勢

同時(shí)對6種不同直徑的管樁提取開挖過程的彎曲應(yīng)力變化趨勢，見圖6。從圖6可知，對于不同管樁的最大彎曲應(yīng)力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大。基坑開挖完成后樁身彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力均達(dá)到最大，最大剪應(yīng)力為9 953 kPa，最大彎曲拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力為27 990和-29 074 kPa，而本文管樁鋼材為Q235，因此本文管樁滿足材料強(qiáng)度要求。

圖6 彎曲應(yīng)力變化趨勢

3.4 鋼管樁布置間距對基坑的影響

以直徑為1.0 m的鋼管樁為例，分析管樁布置間距對基坑的影響。取2.0倍、3.0倍的樁徑布置間距為變量，分析管樁合理的布置間距。見圖7。

圖7 不同布置間距土體水平位移變化

從圖7可以看出，隨著開挖深度增加，不同布置間距的水平位移不斷增大。但是在同一深度時(shí)，布置間距為3.0倍樁徑的水平位移比2.0倍樁徑的水平位移大，且最終開挖完成時(shí)，3.0倍樁徑的水平位移達(dá)到29.4 mm，已超過25 mm的監(jiān)測報(bào)警值，這將嚴(yán)重影響基坑開挖的安全性，所以建議按2倍樁徑的間距布置管樁。

4 結(jié)論與展望

本文以江蘇某基坑為工程背景，利用MIDAS-GTS數(shù)值模擬軟件，對鋼管樁支護(hù)基坑進(jìn)行有限元分析，主要結(jié)論如下：

1) 基坑土體水平位移及豎向沉降值均隨著鋼管樁直徑的增大而減小，鋼管樁直徑為0.9和1 m時(shí)，基坑邊緣土體表現(xiàn)出隆起現(xiàn)象；當(dāng)鋼管樁直徑為0.5 m時(shí)，基坑邊緣沉降值最大為-3 mm。另外，基底隆起值與管樁直徑大小并無直接關(guān)系，但是在施工中為防止基底隆起過大應(yīng)采取必要措施。

2) 隨著基坑開挖深度的增加，6種不同直徑管樁的樁身剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力也在不斷增大，最大剪應(yīng)力為9 953 kPa，最大彎曲拉應(yīng)力為27 990 kPa，由此可得本文Q235鋼材滿足材料強(qiáng)度要求。

3) 在基坑開挖同一深度時(shí)，布置間距為3.0倍樁徑的水平位移比2.0倍樁徑的水平位移大，且最終開挖完成時(shí)，3.0倍樁徑的水平位移達(dá)到29.4 mm，已超過25 mm的監(jiān)測報(bào)警值，所以建議按2倍樁徑的間距布置管樁。