安全防護下沿海地區淤泥質軟土深基坑開挖施工方法

楊仲洪，田巧玲

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著城市化進程的快速發展，城市用地越來越緊張，這導致城市建筑愈加密集、建筑愈來愈高，從而越來越多的深基坑工程不斷涌現。基坑呈現出面積增大、深度加深的趨勢，導致基坑工程的難度越來越大。由于建筑物數量不斷增多，規模越來越大，因此，只有在保證基坑工程安全的前提下對高層建筑的地下建筑物車庫、人防，以及地鐵交通工程進行施工。

沿海地區地層往往有被稱為開挖禁區的淤泥質軟土，其強度低、含水量大的特點給深基坑工程的難度更加一層。因此越來越多的支護結構出現，雙排樁便是其一。雙排樁支護是沿基坑側壁排列設置的由前、后兩排支護樁和梁連接成的剛架及冠梁組成的支擋結構。雙排樁支護施工速度較快、施工方便、自身剛度大，因此對沿海地區淤泥質軟土深基坑起到很好的支護效果。李立軍[1]用三維有限元軟件對雙排樁支護結構的深基坑工程進行數值模擬，通過建立精確的三維數值模型對整個施工過程進行模擬，研究了雙排樁的作用機制和基坑的變形規律，著重研究了雙排樁支護結構中圈梁空間效應。楊德健等[2]通過有限元軟件建立三維數值模型對深基坑過程進行全過程模擬。以雙排樁的樁身變形和樁身彎矩為指標，對雙排樁的樁身直徑、雙排樁的樁身長度和雙排樁的排距進行影響因素分析，從而對雙排樁支護結構優化設計。楊建斌等[3]利用數值模擬手段，對某深基坑工程的施工過程進行模擬。通過對基坑的變形分析，研究了雙排樁支護結構的機理。并以樁身位移和樁身內力為指標，對雙排樁的重要影響參數進行分析，著重對深基坑開挖雙排樁支護系統性狀進行分析。申永江等[4]同樣依托某深基坑工程，建立深基坑施工三維數值模型，對節點進行精確化模擬，研究了雙排樁樁頂連接方式的優化設計，為類似的深基坑工程提供了寶貴的經驗。國外眾多學者也對雙排樁支護的深基坑工程進行了一系列的研究，并取得了很好的成果。但由于淤泥質土的復雜性，關于沿海地區淤泥質軟土深基坑工程的研究相對較少。因此，本文基于沿海地區淤泥質軟土深基坑工程，通過數值模擬進行研究，能為之后相關工程提供參照。

1 工程概況

擬建的某商業用房包括辦公用房、酒店、會展中心、汽車博物館、地下室及室外配套工程等，總用地面積約為14 400 m2，基坑面積為10 899 m2，基坑的開挖深度約12.2 m，采用雙排樁支護。樁距d=700 mm，樁長16 m。該沿海地區的土層信息如表 1 所示，從表中可以觀察到該地區土質狀況不佳。場地土地下水：潛水位為地表以下2 m。

表1 土層參數

2 三維數值模型

2.1 PLAXIS 3D軟件簡介

Plaxis3D是由荷蘭PLAXIS B.V.公司開發的一款專門用于巖土及結構作用分析的數值分析軟件。相比于ANSYS、ABAQUS等大型通用軟件，其優點是Plaxis3D僅針對巖土領域進行數值計算分析，具有更強的專業性，具有豐富的土體本構模塊和實操性。其缺點是軟件過于單一，不能解決不同領域的綜合數值分析求解，如該軟件無法進行如熱學、力學、電磁學、流體及動力學等多場耦合分析。軟件誕生的初衷是為了開發一款便于工程實操、簡單易上手的數值分析程序，來解決本地特殊軟土給工程開展帶來的相關問題，依此來減少人工計算的繁瑣工序和人為簡化得到的結果誤差。該程序在巖土相關細分領域，如：建筑地基與基礎工程、基坑及邊坡工程、地下管隧工程、礦山工程、公路路基、水利水電工程、地質與水文工程等巖土領域有所涉及。

相比于金屬、混凝土等相對均質材料，土的力學行為要復雜更多，這是由于土體是固、液、氣組成的復雜三相材料。反應土體力學行為的本構模型繁多，不同的本構模型有著不同的適用范圍和適用條件。例如在壓縮彈性階段的土體力學行為可以通過簡單的胡克定律得以表現；摩爾庫倫模型作為極限平衡狀態強度判別準則，對土體應力路徑無法得以表達；修正劍橋模型可以反映正常固結土的體積剪縮特性和超固結土的體積剪脹特性。諸如修正劍橋模型等高階本構模型固然能夠將相應類型的土體力學行為得以更為精確的表述，但復雜高階本構模型所需測試參數繁多。對于一般工程應用領域來說，更為看重項目時間成本、經濟性，對于大多巖土工程項目一般以安全系數法作為項目安全性評判依據。

2.2 幾何模型

根據研究區勘察資料，以勘察鉆孔ZL01～ZL08的8口鉆孔揭露地層為依托建立計算模型，該模型的寬100 m(Y)、長200 m(X)、高度50 m(Z)。對X、Y方向設置水平向的約束，對z方向的底部設置固定約束。圖1為模型整體網格劃分圖。模型整體尺寸為基坑支護采用雙排樁支護。

圖1 模型整體網格劃分圖

2.3 HSS模型

在HS模型的基礎上，Benz考慮應變歷史的同時修正了Hardin-Drnevich模型，提出了一種能反應土體在小應變范圍內應變與剪切剛度的非線性彈性關系的本構模型，即HSS模型。HSS模型不僅包含所有HS模型的特性，還能更好的反應土體在小應變范圍內的特性，土體在小應變狀態下剪切模量隨應變增大而衰減的特點，同時還能考慮應力路徑相關性，非常適合于軟土地基中隧道分部開挖的變形特性。PLAXIS 3D AE中，HS模型有11參數：有效黏聚力c′、有效內摩擦角φ′、剪脹角ψ′、三軸固結排水剪切試驗的參考割線模量Eref 50、固結試驗的參考割線模量Eref oed、與模量應水平相關的冪指數m(統一取0.8)、三軸固結卸載再加載試驗的參考卸載再加載模量Eref ur、泊松比vur(統一取0.2)、參考應力pref(統一取100 kPa)、破壞比Rf、正常固結條件下靜止側壓力系數K0。HSS模型在HS模型基礎上多了兩個小應變參數Gref 0和γ0.7。Gref 0為初始小應變模量，γ0.7為剪切應變水平。參考王衛東等[6]對上海地區HSS模型參數的取值方法，本文確定了適合于沿海地區HSS模型參數。具體取值見表2。

表2 HHS模型中土層參數

支護結構取值參數取值如表3。

表3 支護結構參數

3 數值結果分析

本部分首先研究前排樁樁長對深基坑支護效果的影響。控制雙排樁樁徑和雙排樁樁距不變，改變前排樁樁長，樁長范圍7.5～19.5 m，每隔1.5 m模擬一次，共9種工況。雙排樁前后排樁身變形隨著雙排樁前樁樁身長度的變化規律如圖2所示。圖中可以看出，當雙排樁前樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.8 mm。雙排樁整體變形隨著前排樁樁身長度的增長先減小后增大。可以明顯看出，前排樁樁身變形始終大于后排樁樁身變形。圖中還能看出，前排樁樁長控制在15 m內，增大樁長可以很好的控制基坑變形。

圖2 樁身位移隨前排樁樁長變化曲線

本部分首先研究后排樁樁長對深基坑支護效果的影響。控制雙排樁樁徑和雙排樁樁距不變，改變后排樁樁長，樁長范圍同樣為7.5～19.5 m，每隔1.5 m模擬一次，共9種工況。雙排樁前后排樁身變形隨著雙排樁后樁樁身長度的變化規律如圖3所示。圖中可以看出，當雙排樁后樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.6 mm。雙排樁整體變形隨著后排樁樁身長度的先迅速減小隨后緩慢較小。如圖3所示，前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形。

圖3 樁身位移隨后排樁樁長變化曲線

為了研究雙排樁排距對基坑變形的控制效果。本部分模型控制雙排樁樁徑和雙排樁樁長不變，改變雙排樁排距，排距范圍為2～12 d，每隔2 d模擬一次，共6種工況(d為雙排樁樁徑)。雙排樁樁身位移隨排距變化規律如圖4所示。如圖4所示，前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形，這是因為后排樁起到了足夠的拉錨作用。深基坑變形隨著雙排樁排距增大首先快速減小隨后緩慢減小。當雙排樁排距超過6 d時，這種控制變形的效果愈來愈小。綜上所示，本工程最合適的排距為4～6 d。

圖4 雙排樁樁身位移隨排距變化曲線

4 結語

本文結合沿海地區淤泥質軟土深基坑開挖工程，通過有限元軟件Plaxis 3D對整個深基坑的施工過程進行模擬。以基坑變形為指標，研究了支護結構的影響。主要結論如下：

(1)當雙排樁前樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.8 mm。雙排樁整體變形隨著前排樁樁身長度的增長先減小后增大。可以明顯看出，前排樁樁身變形始終大于后排樁樁身變形。圖中還能看出，前排樁樁長控制在15 m內，增大樁長可以很好的控制基坑變形。

(2)當雙排樁前樁長度為7.5 m時，雙排樁前后排樁變形一樣為17.6 mm。雙排樁整體變形隨著后排樁樁身長度的先迅速減小隨后緩慢較小。如圖3所示，前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形。

(3)前排樁樁身變形同樣始終大于后排樁樁身變形，這是因為后排樁起到了足夠的拉錨作用。深基坑變形隨著雙排樁排距增大首先快速減小隨后緩慢減小。當雙排樁排距超過6 d時，這種控制變形的效果愈來愈小。綜上所示，本工程最合適的排距為4～6 d。