圍護樁嵌固深度與基坑穩定性研究

張軍賢，張軍華，甘堅強，胡忠經，白 云，王清標

(1.臺州職業技術學院建筑工程學院，浙江 臺州 318000；2.臺州技師學院(籌)，浙江 臺州 318000；3.山東科技大學煤礦充填開采國家工程實驗室-礦山災害預防控制重點實驗室，山東 青島 266590；4.山東正元地質資源勘查有限責任公司，山東 濟南 250000)

0 引言

隨著城市的進一步發展，地下空間在我國受到青睞，深基坑工程隨之產生，圍護樁支護體系因其施工方便、安全可靠等優勢廣泛應用到深基坑工程中。但由于我國幅員遼闊，各地區地層差異明顯，因深基坑圍護樁嵌固深度不滿足要求導致的基坑失穩事故屢屢發生，眾多專家、學者對圍護樁嵌固深度開展了大量的研究工作。

高新南[1]等依托地鐵車站深基坑工程，研究了圍護樁嵌固深度與樁頂位移、支撐內力等之間的內在聯系，得到隨著圍護樁嵌固深度的增加，樁頂水平位移量并不是呈現出負相關的特點，當嵌固深度達到一定數值后，樁頂水平位移量與嵌固深度幾乎無關。徐中華[2]采用現場監測、數值模擬等方法，研究了圍護樁嵌固深度與內支撐位置、道數以及排列等影響因素之間的關系；徐中華等[3]以旋挖樁為研究對象，研究了樁頂水平位移與基坑開挖卸荷之間的關系，得到樁頂水平位移與基坑深度之間的關系近似為(0.1%～1.0%)hw；陳雪峰[4]以武漢天河機場為工程背景，研究了基坑安全系數、水平位移及地表沉降與圍護樁嵌固深度之間的關系，優化了圍護樁的嵌固深度；王新[5]等采用數值模擬的方法，研究了圍護樁應力變化、樁頂水平位移與嵌固深度之間的關系；劉吉波[6]等基于某地鐵隧道深基坑工程，采用數值模擬的方法，研究了圍護樁樁身應力、不同位置處的側移量與嵌固深度之間的關系，得到當嵌固深度在一定的范圍內，隨著圍護樁嵌固深度的增加，樁頂水平位移量逐漸減小，同時樁頂的水平位移指向基坑內側，樁底的水平位移指向基坑外側；高謳[7]采用ABAQUS模擬軟件，研究了微型樁與基坑開挖卸荷之間的關系，得到正彎矩與基坑開挖深度呈正相關，負彎矩在一定開挖范圍內呈正相關，之后呈負相關；王偉[8]基于杭州地鐵砂質地層深基坑工程項目，研究了深基坑開挖之后的土壓力分布規律，根據現場監測數據得到由于基坑外降水措施使粉砂土體具有一定的自穩定，導致實測土壓力趨近于零。張軍賢，王清標[9]采用數值模擬和現場檢測等方法，得到深基坑開挖之后的地表最大沉降位置、最大沉降量、圍護樁受力反彎點位置及支護結構最大變形位置。

綜上，國內外專家、學者采用數值模擬與現場監測的方式，研究了深基坑圍護樁的內力、樁頂側向位移與圍護樁嵌固深度之間的關系。但是，由于我國幅員遼闊，各地地層水文地質條件千差萬別，針對不同的深基坑開挖工況，可以得到不同的變化規律。因此，基于武漢天河機場黏土夾碎石層地段開展深基坑圍護樁嵌固深度與基坑穩定性研究是有必要的。

1 工程概況

本工程位于河北省武漢市，擬建地下通道1240 m，是武漢天河機場的重要組成部位，圍護方案初步設計為鉆孔灌注樁+放坡的形式進行支護，內撐設置道數為1～3，隧道安全等級見表1。

表1 隧道安全等級

1.1 工程地質條件

本工程地貌為沖積平原隴崗及崗間坳谷地；地形特點為坡度緩，無滑坡、泥石流等地質災害；無活動性斷裂帶，未發現強震構造；所選基坑開挖研究段由上至下土層主要為雜填土、素填土、粉質黏土、黏土、黏土夾碎石、泥質砂巖等，局部存在淤泥質黏土，主要分布于溝塘底部。基坑開挖應注意淤泥質黏土層位可能引起局部坍塌。黏土和黏土夾碎石土層工程性能較好，可作為基礎持力層使用，但有可能出現不均勻的弱膨脹，施工中應做好防水保濕。泥質砂巖層分布幾乎全場可見，壓縮性較低，可作為圍護樁的主要受力層。

根據室內試驗成果及相關工程案例，根據工程勘查報告得到設計參數取值(表2)。

表2 設計參數取值

1.2 水文地質條件

地表水：基坑開挖場地分布有地溝和塘，主要補給來源為降水、徑流和人為因素，水深為0.2～2 m，水深及水流量主要受到自然降水和施工等人為因素的影響，在大開挖過程中，應將在場地范圍內采用降水措施。

地下水：基坑開挖段地下水主要有素填土中的滯水、孔隙水，查看勘查報告得知地下水高程為22.13～33.03 m，主要來源為降水及人為排水，抗浮設防水位建議高程32.5 m。

2 圍護樁嵌固深度分析

2.1 圍護樁及內支撐設計

根據勘查報告可知，N1DK3+98.6～N1DK3+120段廣泛分布有黏土夾碎石土層，且深度在10～18 m之間，本工程基坑深度為9～11 m，圍護樁嵌固段正好落在此土層，因此選用此段作為研究對象。

采用FRWS模擬軟件對不同嵌固深度的圍護樁進行內力分析，整體穩定性、抗傾覆、墻底抗隆起、地表沉降等情況進行計算。研究段基坑開挖深度為h=10.04 m，依據《建筑基坑支護技術規程(JGJ120-2012)》，當基坑圍護采用單支點時，嵌固深度應滿足構造要求：h′≥0.30h，即嵌固深度構造長度為h′≥3.3 m。根據類似工程，圍護樁嵌固段長度初步采用5.0 m、8.0 m、10.0 m三種情況進行初算，計算模型見圖1。

圖1 嵌固深度計算模型

2.2 計算結果及分析

2.2.1 內力及位移分析

根據計算結果，將嵌固深度為5 m、8 m及10 m時圍護樁的內力值用柱狀圖(圖2)表示。

由圖2可知：① 當圍護樁嵌固深度為8 m時，抗力值最大，抗力最大值與嵌固深度先表現出正相關的特點，隨著嵌固深度的進一步增加，又表現出負相關的特點(圖2a)；② 最大位移值與嵌固深度呈負相關，出現最大位移值的位置變化較小(圖2b)；③ 隨著圍護樁嵌固深度的增加，圍護樁的彎矩最大值與嵌固深度呈負相關，且嵌固深度從5 m變化到8 m時，圍護樁彎矩最大值變化較大，而嵌固深度從8 m變化到10 m時，圍護樁彎矩最大值變化較緩(圖2c)；④ 隨著圍護樁嵌固深度的增加，圍護樁所受剪力的最大值也逐漸增大(圖2d)。

圖2 圍護樁內力示意圖

2.2.2 整體穩定性分析

分析模擬結果可知，基坑整體穩定性安全系數見表3。由表3可知，隨著嵌固深度的不斷增大，基坑整體穩定性安全系數也逐漸增大，表現出非線性正相關的特點，嵌固深度都滿足規范要求。

表3 基坑整體穩定性系數

2.2.2.1 坑底抗隆起分析

分析模擬結果可知，坑底抗隆起安全系數見表4。由表4可知，當嵌固深度為5.0 m時，安全系數計算結果為1.71，小于規范1.9的要求，嵌固深度為8.0 m和10.0 m時，安全系數計算結果分別為1.94和2.09，滿足規范要求，考慮經濟效益，嵌固深度選取8.0 m。

表4 坑底抗隆起安全系數

2.2.2.2 墻底抗隆起分析

分析模擬結果可知，墻底抗隆起安全系數見表5。由表5可知，嵌固深度為5.0 m、8.0 m和10.0 m時，墻底抗隆起安全系數分別為2.73、2.87和2.94，隨著嵌固深度的不斷增大，墻底抗隆起安全系數也逐漸增大，表現出非線性正相關的特點，均滿足規范要求。

表5 墻底抗隆起安全系數

2.2.2.3 抗傾覆分析

圍護樁抗傾覆計算簡圖見圖3，假想圍護樁發生轉動時的轉動點為A(樁體前趾)，受力分析之后得到：

圖3 圍護樁抗傾覆計算簡圖

(1)

式中：MSk為坑外側土壓力、水壓力以及墻后地面荷載所產生的側壓力對墻底前趾的傾覆力矩標準值(kN·m)。

MSk=FaZa+FwZw

(2)

式中：MRk為水泥圍護樁自重即坑內墻前被動側壓力對墻底前趾的穩定力矩標準值(KN·m/m)。

MRk=FpZp+GkB/2

(3)

式中：Gk為水泥圍護樁的自重標準值(kN)。

分析模擬結果可知，抗傾覆安全系數見表6。由表6可知，計算所得的嵌固深度為5.0 m、8.0 m、和10.0 m時，抗傾覆安全系數分別為1.31、1.43和1.51，都滿足規范要求。

表6 抗傾覆安全系數

2.2.2.4 地表沉降分析

分析模擬結果，地表沉降見圖4。由圖4可知，嵌固深度5.0 m、8.0 m、10.0 m對應的最大沉降值分別是18.8 mm、15.6 mm、13.7 mm，即最大沉降值與嵌固深度之間表現出負相關的特點。

圖4 地表沉降計算結果

依據上述內力、位移、整體穩定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆以及地表沉降分析等可知，嵌固深度為5 m時，坑底抗隆起安全系數不滿足規范要求，因此設計時不可取。嵌固深度采用8.0 m和10.0 m時都可以滿足規范要求，設計時都可以選用，考慮到技術可行與經濟效益，該斷面圍護樁嵌固深度選取8 m。此外，在基坑開挖卸荷過程中，要根據規范要求，及時正確安裝內撐，對基坑實施降水措施，盡快開挖，減少暴露時間。

3 現場監測結果與計算結果對比分析

3.1 圍護樁樁頂水平位移分析

根據規范要求和現場開挖情況，在圍護樁冠梁上每隔15 m設置1個位移監測點，監測頻率為1次/天，數值模擬結果和現場監測結果見圖5。

圖5 樁頂水平位移示意圖

對比分析圖5所示的樁頂水平位移監測值和數值模擬計算值可知，監測值和計算值擬合程度較好，圍護樁頂的最大水平位移監測值為8.77 m，計算值為8.51 mm，平均誤差為3.05%。主要誤差來源：① 施工過程中的外荷載稍微大于模擬計算的假設值；② 施工過程中，基坑周圍存在動荷載。故在進行進坑開挖卸載過程中，需要嚴格控制周圍施工機械、運輸車輛的荷載值，嚴禁超載、不按照施工道路行駛等現象的發生，確保施工過程符合規范和設計要求，控制基坑水平側位移，保障基坑開挖的安全。

3.2 圍護樁深層水平位移分析

根據規范要求和現場開挖情況，合理設置監測孔，監測頻率為1次/天，監測采用的儀器為：CX-3C系列測斜儀，數值模擬結果和現場監測結果見圖6。

對比分析圖6所示的深層水平位移監測值和數值模擬計算值可知，監測值和計算值擬合程度較好，圍護樁深層最大水平位移監測值為15.86 m，計算值為15.29 mm，平均誤差為2.51%。誤差來源主要是在開挖卸載過程中，圍護樁保護層受到了不同程度的破壞，故在施工過程中，應嚴格按照規范和設計要求， 控制好機械施工與基坑側壁之間的距離，保證圍護樁在開挖時不受或盡量少受到破壞，確保基坑的開挖安全。

圖6 深層水平位移示意圖

4 結論

1)在黏土夾碎石層，基坑整體穩定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆穩定性系數以及最大沉降量隨著圍護樁嵌固深度的增加呈非線性增大的趨勢。

2)圍護樁嵌固深度為8 m和10 m時，基坑整體穩定性、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆穩定性系數以及最大沉降量都滿足規范要求，綜合考慮經濟效益，本工程圍護樁嵌固深度選取長度為8 m。

3)對比分析現場監測結果與數值模擬計算結果可知，圍護樁樁頂水平位移和深層水平位移監測值與數值模擬計算值擬合較好，平均誤差較小，可為相關工程提供借鑒。