MJS 高壓旋噴樁在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用研究

鮑春生 BAO Chun-sheng

（中煤長(zhǎng)江基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，南京 210046）

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，地上土地資源越來(lái)越少，建筑施工向地下空間開發(fā)的力度不斷加大。在地下空間開發(fā)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)面臨復(fù)雜的周邊環(huán)境影響，許多施工項(xiàng)目也不可避免的需要在軟土地區(qū)建設(shè)，同時(shí)保護(hù)基坑工程相鄰的市政管線、既有房建、古建筑等構(gòu)筑物的問(wèn)題也十分的棘手。

MJS 工法具有成樁質(zhì)量好、成樁直徑大、加固深度大等優(yōu)點(diǎn)，常被作為基坑施工首選。本文基于中山北路202號(hào)地下車庫(kù)項(xiàng)目，研究MJS 工法高壓旋噴樁在秦淮河漫灘區(qū)深基坑開挖過(guò)程中，單排懸壁樁支護(hù)和內(nèi)支撐排樁支護(hù)兩種不同支護(hù)方式的支護(hù)效果，分析基坑開挖過(guò)程中樁身位移和彎矩變化以及樁后地表的沉降，以求為今后類似軟土地區(qū)的基坑支護(hù)工程提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

項(xiàng)目位于南京市鼓樓區(qū)中山北路202 號(hào)，中山北路與新模范馬路交叉口東北象限，項(xiàng)目用地緊鄰江蘇工會(huì)大廈、華夏銀行，地塊西側(cè)為在建地鐵五號(hào)線虹橋站。項(xiàng)目所在地屬長(zhǎng)江漫灘地貌單元。勘察施工期間，場(chǎng)地地形較平坦、開闊，地面高程為8.63-9.56m，最大高差0.93m。該工程基坑開挖深度大，與周邊建（構(gòu)）筑物距離小，且周邊管線復(fù)雜，因此基坑安全等級(jí)為一級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用期限為“二年”。

1.2 工程地質(zhì)條件

勘察揭示，場(chǎng)地表層為素填土，其下為第四系全新統(tǒng)（Q4）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和含礫粉質(zhì)黏土，其底部下伏基巖為侏羅系象山群（J1-2x）泥質(zhì)砂巖。

1.3 施工步驟

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，基坑開挖分五步進(jìn)行：①基坑開挖第一層土體至地下-3.0m；②在深度為2m 的位置架設(shè)第一道鋼支撐；③基坑開挖第二層土體至地下-6.0m；④在深度為5m 的位置架設(shè)第二道鋼支撐；⑤基坑開挖第三層土體至基坑底部-8.00m，不設(shè)支撐。

2 ABAQUS 軟件建模

從試樁處選一斷面，運(yùn)用ABABQUS 有限元軟件對(duì)選取的MJS 工法高壓旋噴樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)做了如下的規(guī)定：

①土體的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb 模型本構(gòu)，鋼管內(nèi)支撐以及MJS 高壓旋噴樁均采用線彈性模型本構(gòu)。

②內(nèi)支撐排樁支護(hù)模型的計(jì)算分析假設(shè)為平面應(yīng)變問(wèn)題，在土體開挖整個(gè)過(guò)程當(dāng)中無(wú)視土層的性質(zhì)變化。整個(gè)有限元模擬的過(guò)程無(wú)視地下水的影響。

③對(duì)基坑模型左右兩側(cè)施加水平方向的約束，底邊施加水平方向和豎直方向的約束。

④施加過(guò)的鋼管內(nèi)支撐僅僅對(duì)后續(xù)開挖起作用，即鋼管內(nèi)支撐作用之前的土體應(yīng)力已經(jīng)全部釋放。

⑤基坑施工前為了保證地表位移接近為0，首先要對(duì)土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡，之后將樁體激活。

本工程區(qū)域土層地質(zhì)參數(shù)見表1，基坑開挖建模圖見圖1。

圖1 基坑開挖建模圖

表1 土層參數(shù)表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 樁身水平位移

本次模擬中MJS 高壓旋噴樁單排懸壁樁支護(hù)由于無(wú)鋼管內(nèi)支撐，所以在分析過(guò)程中只需要分析開挖施工步下樁身的水平位移，既施工步1、施工步3、施工步5。基坑開挖過(guò)程中兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身水平位移變化如圖2 和圖3。

圖2 內(nèi)支撐排樁支護(hù)下樁身水平位移

圖3 單排懸壁樁支護(hù)下樁身水平位移

由圖2 可知，內(nèi)支撐排樁支護(hù)下，施工步1 和施工步2 的樁體水平位移隨著樁體深度的增加而下降，這與單排懸壁樁的變形類似。隨著基坑的不斷開挖以及鋼管內(nèi)支撐的設(shè)置，施工步3-施工步5 的樁體水平位移隨著樁體深度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，且施工過(guò)程中樁體的最大水平位移的位置逐漸下移，由施工步1 的樁體頂部位置下移至樁體深度14m 處，此時(shí)最大水平位移為15.56mm。

由圖3 可知單排懸壁樁支護(hù)的樁體的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，且增大的速度也越來(lái)越快，最大水平位移均發(fā)生在樁體頂部。相較于內(nèi)支撐排樁支護(hù)，單排懸壁樁支護(hù)的最大水平位移達(dá)35.15mm，產(chǎn)生的最大變形接近內(nèi)支撐排樁的兩倍，因此本基坑工程中采用內(nèi)支撐排樁支護(hù)可以更有效地限制樁體的水平位移，安全度更高。

3.2 樁后地表沉降

與3.1 相同，內(nèi)支撐排樁需考慮全部施工步的樁后土體沉降量，而單排懸壁樁只需考慮施工步1、3、5 的樁后土體沉降量。

由圖4 可知，內(nèi)支撐排樁支護(hù)下，在施工步1 和施工步2 時(shí)樁后地表沉降量隨著距支護(hù)樁距離的增加而不斷降低，最大地表沉降量為5.15mm，發(fā)生在樁體旁。在施工步3 到施工步7 時(shí)，樁后地表沉降量隨著距支護(hù)樁距離的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，最大地表沉降量為5.08mm，發(fā)生在距離基坑11m 處，且隨著基坑的不斷開挖，產(chǎn)生最大沉降值的位置距離基坑越來(lái)越遠(yuǎn)，這說(shuō)明基坑開挖的深度越大，對(duì)周圍環(huán)境的影響范圍也就越大。

圖4 內(nèi)支撐排樁支護(hù)下樁后地表沉降

由圖5 可知，單排懸壁樁支護(hù)下，隨著基坑的不斷開挖，樁后地表沉降量隨著開挖深度的增加也不斷增大，且隨著距支護(hù)樁距離的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。開挖到8m 時(shí)，地表沉降量突然增大，達(dá)到14.08mm，這說(shuō)明了此刻土體某些部位可能發(fā)生了較大的塑性變形，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 單排懸臂樁支護(hù)下樁后土體沉降

3.3 樁身彎矩變化

與3.1 相同，內(nèi)支撐排樁需考慮全部施工步的樁身彎矩變化，而單排懸壁樁只需考慮施工步1、3、5 的樁身彎矩變化。

由圖6 可以看出，施工步1 和施工步2 時(shí)樁身承受了較大的負(fù)彎矩。當(dāng)基坑開挖至6m 時(shí)，施工步3 的樁身彎矩為正值，最大達(dá)到了200.45kN·m，與前兩個(gè)施工步相比彎矩值發(fā)生了較大變化，這說(shuō)明基坑開挖深度對(duì)于樁身彎矩影響較大。圖6 中還可以看出，各個(gè)施工步結(jié)束后樁身的最大彎矩值均發(fā)生在基坑開挖面的附近。由施工步5 可知樁身彎矩最大值發(fā)生在樁體深度為9m 處，最大值為229.45kN·m，樁身由于施加了兩道鋼管內(nèi)支撐，所以樁身承受的彎矩隨著基坑的開挖，增加幅度比較小，這說(shuō)明在基坑開挖過(guò)程中施加內(nèi)支撐可以調(diào)整樁身受力，控制基坑變形。

圖6 內(nèi)支撐排樁支護(hù)下樁身彎矩變化

由圖7 可以看出，單排懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在整個(gè)基坑開挖的過(guò)程中承受負(fù)彎矩作用，樁身彎矩絕對(duì)值隨著開挖深度的增加而不斷增大。基坑開挖深度為2m 時(shí)，樁身彎矩最大值為-35.12kN·m，發(fā)生在樁體深度為7m 處；隨著基坑的開挖，樁身彎矩最大值的位置逐漸沿樁體不斷下移，開挖至8m 時(shí)，樁身彎矩最大值達(dá)到了-69.58kN·m，發(fā)生在樁體深度為19m 處。在本基坑工程中，單排懸壁樁承受的彎矩要小于內(nèi)支撐排樁支護(hù)研究基坑繼續(xù)開挖時(shí)，內(nèi)支撐排樁支護(hù)由于鋼管內(nèi)支撐，彎矩增加幅度很小，而單排懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身承受的彎矩值會(huì)急劇增大，開挖至12m 時(shí)，樁身承受最大彎矩值達(dá)到-680.09kN·m。可見單排懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)開挖深度非常敏感，開挖深度越大，其承受的彎矩值會(huì)急劇增大，增加施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 單排懸壁樁支護(hù)下樁身彎矩變化

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS 有限元分析軟件，基于南京市中山北路202 號(hào)地下車庫(kù)項(xiàng)目基坑支護(hù)工程實(shí)際案例，分析MJS 工法高壓旋噴樁兩種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)下，基坑開挖過(guò)程中的支護(hù)效果：

①內(nèi)支撐排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑施工過(guò)程中，樁身水平位移、樁后地表沉降均小于單排懸壁樁支護(hù)。內(nèi)支撐排樁支護(hù)的內(nèi)支撐可調(diào)節(jié)樁體受力，隨著基坑開挖，樁身彎矩增加幅度小，而單排懸壁樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)開挖深度異常敏感，當(dāng)開挖至一定深度，樁身彎矩會(huì)急劇增加，嚴(yán)重影響施工安全。

②本基坑工程位于秦淮河漫灘區(qū)，屬軟土地區(qū)，當(dāng)基坑開挖超過(guò)8m，選用單排懸壁樁支護(hù)，土體可能會(huì)發(fā)生塑性變形，增加施工風(fēng)險(xiǎn)，而內(nèi)支撐排樁支護(hù)可以有效的限制土體變形，宜作為施工首選。單排懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)僅適用于淺基坑和較好土質(zhì)基坑。

本文研究結(jié)果可為相似地區(qū)基坑開挖支護(hù)工程提供參考。