基坑連續變形阻斷單元雙排樁設置方式與效果分析

張海波

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

21 世紀以來，中國經濟發展迅速，城市化率逐年穩步提高，這導致了城市人口集中現象。因此，城市出現了許多高層及超高層建筑，為了保證建筑的安全，基坑就變得越深，而對應的深基坑工程也將面臨更嚴峻的支護問題。雙排樁支護結構是由前、后排樁與連梁組成的，由于其側向剛度大、支護深度深、整體性強等優點在深基坑工程中應用廣泛[1-4]。劉堅[5]根據實際工程，依托有限元分析軟件Midas GTS 建模并優化設計，根據支護結構變形和受力情況，證明了優化設計具有良好效果。陳哲光[6]采用模型試驗的方式研究了雙排樁中后排樁樁間距改變對整個組合支護體系的影響。趙騰越[7]采用數值模擬的方式，從雙排樁樁基變形出發，考慮了基坑開挖、樁徑及土體參數等因素的影響。Wang[8]通過模型試驗分析了雙排樁的樁體彎矩和土壓力。Wang[9]研究得到土體強度、土供效應、CFG 復合地基的影響、樁梁協同效應和基坑空間效應對雙排樁支護結構優化設計具有重要作用。

綜上所述，雙排樁支護結構設計深受研究者的重視。但是在基坑支護中，上述研究多在整體或某一區域布置雙排樁，并且繼續優化樁徑樁距等參數，這使得造價較高。對此，需要研究出一種支護方式既能降低成本又能保證安全。因此，本文根據實際工程，在基坑整體采用單樁支護時，考慮了支護結構連續變形和破壞的阻斷方式。故此局部采用雙排樁支護作為單排樁變形和破壞的阻斷單元，并考慮了雙排樁后排樁數量和阻斷單元效果的關系，可以為實際工程應用提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于平陽縣水頭鎮，東面為水頭自來水二廠，西面為居民區，南面距離大灘路約200m。擬建項目規劃用地面積約15 092m2，總建筑面積約58 805m2，地下建筑面積約13 529m2，主要建筑物為4 幢住宅樓，層數為24F，設一層整體地下室。基坑開挖深度約4.3～5.0m，采用鉆孔灌注樁排樁支護，局部采用雙排樁支護，采用水泥土攪拌樁止水。由于基坑平面尺寸大，基坑邊長超過140m，基坑發生連續性破壞的風險高，因此排樁支護結構的變形和破壞的控制是本項目的重點。

2 數值模型與模擬方法

2.1 基本假定

為了簡化計算，有如下基本假定：（1）同一種材料為均質、各向同性；（2）土體為理想彈塑性材料；（3）樁為彈性體；（4）不考慮土體的排水固結；（5）不考慮支護結構施工時對土體擾動的影響

2.2 土體和結構參數

2.2.1 土體參數

土體參數參照工程勘測報告，如表1 所示。

表1 土體參數

2.2.2 支護和冠梁參數

本模型雙排樁不同的阻斷單元形式如圖1～3 所示。樁和冠梁均采用C30 混凝土，彈性模量為30Gpa，泊松比為0.25。止水帷幕距離樁表面為0.7m，埋深為冠梁表面往下7.7m，彈性模量為200kPa。前后排支護樁沿X 方向由左至右編號分別依次為前-#1～#29、后-#1～#3。冠梁尺寸為0.9m′0.7m（b′h），樁直徑為0.6m，前排樁間距為0.9m，后排樁間距為1.8m，前后排樁間距為2.6m，連梁尺寸為0.6m′0.7m（b′h）。

圖1 項目周邊環境

圖2 基坑支護剖面圖

圖3 雙排1 樁阻斷單元

2.3 模擬方法

2.3.1 模型建立

根據地勘報告及支護結構參數，截取一部分基坑，如圖4所示，使用Midas GTS 建立幾何模型。然后，進行網格劃分，土體和止水帷幕采用實體單元，樁、冠梁和連梁采用梁單元，采用高階次線性四邊形單元進行網格劃分。最后，進行邊界約束，下方約束xyz 三個方向位移，左右約束x 向位移，后面約束y 向位移，前面采用對稱邊界，約束樁繞z 向轉動，約束冠梁和連梁繞xy 向轉動，添加自重。

圖4 雙排2 樁阻斷單元

2.3.2 開挖過程模擬

具體模擬步驟見表2。

表2 開挖過程模擬步驟

2.4 工況介紹

具體模擬工況如表3 所示。

表3 工況介紹

3 雙排樁-后排樁數量增加情況下阻斷單元效果

3.1 基坑開挖過程中位移的變化

基坑開挖至坑底時，A4 前排樁#15 的樁身水平位移如圖4所示，后排樁#2 的樁身水平位移如圖5 所示。從圖4 可知，基坑開挖深度越深，樁水平位移越大，并且樁頂和樁底位移較小，坑底附近位移較大。主要原因是采用雙排樁支護時，前排樁樁頂通過連梁和后排樁樁頂固結，約束了前排樁樁頂位移，而樁底受到被動土壓力約束，位移也就比較小，坑底主要是基坑開挖卸荷導致的位移較大。從圖5 可知，樁端水平位移較大，且隨著基坑開挖深度的增加，水平位移也持續變大。這是因為后排樁樁頂沒有水平約束，呈現出單排樁支護的特點。這符合雙排樁支護前后排樁的變形特征。

圖5 雙排3 樁阻斷單元

3.2 基坑開挖完成后樁位移變化

工況一，不同阻斷形式的前排樁#16 的水平位移如圖5 所示，前排各樁在整體標高-4.03m 處的水平位移如圖6 所示。從圖5 可以看出樁的最大水平位移在坑底附近。這符合基坑開挖對圍護樁結構影響的基本特征[10]。另外圖中結果還反映了采用雙排阻斷的形式優于單排樁，A1～A4 的最大水平位移分別為5.74mm、5.18mm、5.19mm、5.16mm，A2 的水平位移比A1減少了9.76%。但是后排樁根數增加對加強區內樁水平位移大小的影響較小。從圖6 中可以得到，隨著后排樁根數的增加擴大了前排樁“位移減少區”。這說明后排樁數量增加情況下阻斷單元效果并不明顯，但是可以應用于基坑局部超挖或者局部土質較差的位置，提升抗側剛度，減少該區域的位移，保證安全。

圖6 有限元模型

3.3 基坑開挖完成后樁彎矩和軸力變化

工況一，不同阻斷形式的前排樁#15 的彎矩如圖7 所示，軸力如圖8 所示。從圖7 可以看出樁#15 的彎矩呈現“S”形，兩個反彎點彎矩的絕對值都隨著后排樁數量增加而減小，這說明后排樁數量的增加有利于保證前排阻斷區樁的強度，提升其穩定性。圖8 樁#15 軸力值反映了該樁受壓，并且在坑底附近軸力變化較大。隨著后排樁數量的增加，前排樁#15 軸力反應為坑底以上軸力增大，坑底以下軸力減小。這說明采用雙排樁阻斷單元設計時，可以適當調整阻斷區前排樁截面積提升抗壓強度，以保證基坑支護安全。

圖7 A4 前排#15 樁位移

圖8 A4 后排#2 樁位移

圖9 樁#16 水平位移（Y 向）

圖10 整體標高-4.03m 處前排各樁水平位移（Y 向）

圖12 樁#15 軸力

4 結論

本文基于實際工程，采用局部雙排樁作為單排樁連續性破壞和變形的阻斷單元，并考慮了后排樁數量對開挖過程中阻斷區范圍內樁的位移以及開挖結束后阻斷區范圍內樁的位移和內力進行了分析，具體結論如下：

（1）雙排樁隨著后排樁數量的增加可以擴大前排樁的；“位移減少區”，但是對于該區域內的前排樁位移的降低程度有限。

（2）采用雙排樁阻斷單元的方式，從位移和內力的結果來看，后排樁數量兩根比較合理。

（3）根據數值模擬結果，在基坑整體采用單樁支護時，局部采用雙排樁阻斷單元可以較好地控制連續性變形和破壞。