基坑局部設置雙排樁樁長樁徑對連續變形控制效果影響研究

曾 誠

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

隨著城市建設如火如荼，地下空間的開發成為建設的重點，深基坑工程也就面臨嚴峻的挑戰，其具有較高的不確定性、復雜性以及偶然性，另外，基坑支護結構屬于臨時性結構，安全儲備較低。由于雙排樁支護結構存在側向剛度大、不需要內支撐等優點，因此，雙排樁在土質較差、基坑深度深、變形控制要求高的基坑支護工程中應用廣泛。目前，對雙排樁的研究來說，一些研究者通過一些設計參數來提升雙排樁的支護效果，例如樁距和樁徑等[1]。另外，一些研究者對雙排樁支護結構連續變形進行研究，提出了阻斷單元法的概念，即間隔設置連續破壞的阻斷單元，從而防止局部超挖或堆載問題[2-3]。

總體來說，雖然對雙排樁的連續破壞機理要有一定的研究，但是目前尚缺乏基坑雙排樁連續破壞控制技術的系統研究。該文在研究阻斷單元的基礎上，考慮對阻斷單元進行加強，以提升阻斷效果，主要采用雙排樁并且探究提升樁長樁徑對阻斷效果的影響。研究結果可以為實際工程提供參考。

1 工程概況

該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200 m。擬建項目規劃用地面積約15 092 m2，總建筑面積約58 805 m2，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?；娱_挖深度約4.3 m~5.0 m，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，基坑支護剖面如圖1 所示。由于基坑平面尺寸大，基坑邊長超過140 m，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該項目的重點。

圖1 基坑支護剖面圖（單位：mm）

2 數值模型與模擬方法

2.1 土體和支護結構參數

土體參數參照工程勘測報告，支護結構參數根據經驗取得，見表1。由于基坑周圍土體視為彈塑性材料，因此土體的本構采用莫爾-庫倫模型，該本構模型所需的參數少，但是結果精度可以滿足工程要求。支護形式及尺寸如圖2 所示，支護結構采用彈性模型。

表1 土體參數

圖2 雙排樁阻斷單元

2.2 模擬方法

2.2.1 模型建立

模型建立步驟如下：1）根據場地情況建立幾何模型，由于實際工程基坑尺寸比較大，因此為了減少數值模擬時間，選取基坑一側的一個剖面進行建模并且土層界面簡化為平面，如圖3 所示。2）建立材料和屬性，材料參數主要根據表1，土體屬性用3D 實體模擬，支護結構屬性用1D梁單元模擬，并根據圖2 中支護結構截面尺寸填寫截面參數。3）劃分網格，根據經驗取得網格尺寸，采用高階次線性四邊形單元進行網格劃分。4）進行邊界約束和施加重力，基坑zx剖面采用對稱邊界，其他采用自動邊界。約束冠梁連梁xy向轉動，約束樁z向轉動。

圖3 有限元模型

2.2.2 開挖過程模擬

根據基坑深度，將開挖步驟劃分為4 個，每層開挖1.1m，基坑開挖主要通過鈍化相應土體實現，支護結構通過激活冠梁、連梁、樁單元實現。具體步驟見表2。

表2 開挖過程模擬步驟

2.3 工況介紹

考慮到單排樁連續性變形和破壞，在排樁中間設置雙排樁阻斷單元，并研究樁長樁徑對阻斷單元效果的影響，見表3。

表3 工況介紹

3 樁徑增寬情況下阻斷單元效果

3.1 基坑位移變化

基坑開挖完成后的Y向位移云圖如圖4 所示，Z向位移云圖如圖5 所示。從圖4 可以看出靠近支護結構的坑底Y向位移較大，最大Y向位移為6.78 mm。這是因為基坑開挖卸荷破壞了原始的應力平衡狀態，使開挖面產生側向力，進而會產生較大位移，由于支護結構的作用，這種位移被限制在1 cm 內保障安全。但是，為了避免施工中可能存在的超挖或堆載等現象，進一步保障基坑安全，這次數值模擬特采用雙排樁阻斷單元，從圖4 中可以看出阻斷區的開挖面Y向位移更小并且距離阻斷區越遠的開挖面Y向位移越大。這充分說明雙排樁阻斷單元具有良好的效果，可應用于工程實踐。

圖4 基坑Y 向位移云圖（B1）

圖5 基坑Z 向位移云圖（B1）

從圖5 可以看出，基坑內部土體存在較大隆起，最大隆起量為47 mm，而支護結構也存在微隆起，隆起遠離開挖面越大。這是因為基坑開挖完成后，基坑土體原有平衡狀態遭到擾亂，基坑土體承受上部荷載作用消失，坑內土體產生回彈，從而基坑底部表現出向上隆起。坑內土體的隆起，引發雙排樁向上移動，由于雙排樁與樁間土體的相互摩擦作用，導致基坑邊緣土體呈現微隆起，遠離基坑土體幾乎不受該影響。

3.2 樁位移變化

工況一：不同阻斷形式的前排樁#15 的水平位移如圖6 所示，前排各樁在整體標高-4.03 m 處的水平位移如圖7 所示。從圖6 可以看出，隨著樁徑增加，樁的最大水平位移均有所減少，B1~B4 的最大水平位移分別為5.19 mm、5.16 mm、4.91 mm、4.98 mm，其中B4 比B1 位移減少了11.75%。這是因為樁徑的增加可以提升樁的整體剛度，進而限制了前排樁的位移。圖7 反應了隨著樁徑的增加，前排阻斷區范圍內的樁位移逐漸減少。因此，通過樁徑增寬可以提升阻斷單元效果。

圖6 樁#15 水平位移（Y 向）

圖7 整體標高-4.03 m 處各樁水平位移（Y 向）

3.3 樁軸力和彎矩變化

工況一：不同阻斷形式的前排樁#15 的彎矩如圖8 所示，軸力如圖9 所示。從圖8 中可以看出，隨著樁徑增加，坑底附近彎矩逐漸減少，而樁底附近彎矩逐漸增大。這說明樁徑的增加很好地約束了基坑開挖造成的水平滑移力并且將荷載大部分被導向樁嵌固深度的土體，保障基坑的安全。隨著樁徑的增加，前排樁#15 的軸力變化不大并且依然受壓，如圖9 所示。

圖8 樁#14 彎矩（My）

圖9 樁#14 軸力

4 樁長增長情況下阻斷單元效果

4.1 樁位移變化

工況二：不同阻斷形式的前排樁#15 的水平位移如圖10 所示，前排各樁在整體標高-4.03 m 處的水平位移如圖11 所示。從圖10、圖11 可以看出，樁長加長4 m 能有效控制位移變大，當樁長超過4 m 時，水平位移反而有所增加。因此，通過增加樁長的方式提高阻斷單元效果，需要將樁長控制在合理范圍內，如果太長，不僅會影響加固效果，而且會增加造價。

圖10 樁#15 水平位移（Y 向）

圖11 整體標高-4.03m 處各樁水平位移（Y 向）

4.2 樁軸力和彎矩變化

工況二，不同阻斷形式的前排樁#15 的彎矩如圖12 所示，軸力如圖13 所示。圖12 中，隨著樁長的增加最大負彎矩處的值變化不大，而最大正彎矩處的值則有所減少。這是因為C1~C4 組后排樁的嵌固土體分別為圓礫、圓礫、含粉質黏土圓礫、含粉質黏土圓礫，由表1 可知圓礫比含粉質黏土圓礫彈性模量高，嵌固效果更好，即C3、C4 比C1、C2 最大正彎矩小。而C1 和C2 在同一土層內，隨著樁長增加，嵌固有效區域增長，樁身嵌固區彎矩更小，即C2 比C1 最大正彎矩小。從圖13 中可以得出，隨著樁長增加，軸力也有所增加。但是僅有樁長從原始到增加4 m時軸力增加較大，與彎矩的規律一致。

圖12 樁#15 彎矩（My）

圖13 樁#15 軸力

5 結論

該文根據實際工程，采用數值模擬的方式來研究雙排樁阻斷單元的效果，具體結論如下：1）雙排樁后排樁徑的增加可有效降低樁身位移，減少坑底附近彎矩，是一種可行的阻斷單元。但是，樁徑最好增加1 m 以上，1.8 m 以下比較合理。2）雙排樁后排樁長的增加體現為存在一個長度“限值”，但超過該值樁身位移變大，不超過則相反，這主要和土層參數有關。但是從實際情況出發，樁長也不宜過大，過長會導致施工難度和成本增加。3）根據該工程的數值模擬情況，推薦采用雙排樁，后排樁樁徑為1.4 m，樁長加長4 m 最優。