水泥土樁止水帷幕對深基坑整體穩(wěn)定性的影響分析

左 偉，葉洪東，魏東波

(1.中煤地質工程有限公司，北京 100040； 2.河北工程大學，河北 邯鄲 056038)

0 引言

水泥土樁止水帷幕因造價低、效果好被廣泛應用于樁錨支護深基坑中。規(guī)范中僅考慮了帷幕的隔水作用[1]，但通過學者研究[2-5]，帷幕對基坑開挖有一定的影響：陳鵬飛[6]分析了帷幕深度、彈性模量等對基坑變形的影響，得出了它們之間的作用關系；張柳[7]通過數值分析研究了帷幕位置、彈性模量及厚度對基坑位移和土釘軸力的影響，驗證了帷幕對基坑開挖的作用；趙敏[8]研究了不同帷幕深度對基坑周邊地表沉降的影響，得出了帷幕深度與地表沉降的關系。本文結合工程實例，通過數值模擬方法分析了帷幕深度、排數對樁錨支護深基坑整體穩(wěn)定性的影響；并對比分析了帷幕采用實體式與格柵式的區(qū)別。

1 工程概況

本工程位于北京市朝陽區(qū)百子灣，于2016年3月開始由北京建工集團承建施工。建筑場地的地貌屬于永定河沖洪積扇的中下部。據場地勘查資料，自然地形比較平坦，地面標高為33.30～35.00m，地下穩(wěn)定水位埋深約為6m，基坑影響范圍共有9層土，各土層及其物理力學指標見表1。

基坑開挖深度為13.62m，平面形狀大致為矩形，長約320m，寬約200m?；硬捎脴跺^支護，排樁采用現澆鋼筋混凝土樁，長為19m，直徑為0.8m，間距為1.6m。在地表以下3、6.5、10m處各設一道錨桿，上、中、下三道錨桿自由段長度分別為6.5、5、5m；錨固段長度分別為18.5、21和17m；傾角均為15°；預應力分別為220、310、290kN。帷幕采用水泥土樁，直徑為0.8m，搭接距離為0.2m，與排樁的凈距為0.2m。

2 數值模型的建立

2.1 模型尺寸及參數的確定

本文選用ABAQUS軟件建立數值模型， 模型尺寸長×寬×深為：90m×16m×40m，在長度方向上，基坑內尺寸為35m，基坑外尺寸取55m。本文中土體、帷幕的本構模型均選用摩爾庫倫模型，模型如下圖1所示：

表1 土體物理力學性質指標及帷幕參數

圖1 模型Figure 1 Model

2.2 水泥土樁布置模式

本文中提到的水泥土樁兩種布置模式如圖2、圖3所示：

圖2 實體式布置模式Figure 2 Solid arrangement mode

圖3 格柵式布置模式Figure 3 Grid arrangement mode

圖2中，水泥土樁布置成1至4排分別對應模式1至模式4；圖3中，水泥土樁布置成2至4排分別對應模式5至模式7。

3 數值計算及結果分析

3.1 帷幕深度對基坑整體穩(wěn)定性的影響

水泥土樁布置成模式2，深度值分別?。?4.5、16、19、22、25、27.5、30m。模擬結果如圖4所示：

圖4 H-Ks關系Figure 4 H-Ks relationship

(a) (b)圖5 帷幕與破面壞關系Figure 5 Relationship between curtain and failure face

圖4中h為排樁深度，如該圖“h=原樁長”曲線所示：H25后，Ks不變。Hh后，如圖5(a)所示，帷幕穿過了原破壞面(H25m后Ks不變。

為了驗證上述模擬結果，將h改為16m，再次改變帷幕深度，模擬結果如圖4中“h=16m”曲線所示，h=16m與h=原樁長時的Ks的變化規(guī)律相同，由此驗證了上述模擬結果的正確性。在工程中，當帷幕設計深度略小于排樁深度時，可將帷幕深度增加到超出排樁深度一部分(本文中為31.6%)并適當考慮帷幕對基坑整體穩(wěn)定性的影響。

3.2 水泥土樁排數對基坑整體穩(wěn)定性的影響

根據上述模擬結果，水泥土樁深度取25m，分別布置成模式1至模式4進行模擬，并與不設帷幕時進行對比。模擬結果如圖6所示：

圖6 N-Ks關系Figure 6 N-Ks relationship

圖7 S-Ks關系Figure 7 S-Ks relationship

如圖6中“實體式”曲線所示：Ks隨著N增加而增大，當N>2后，Ks增量減小。由上文可知，無帷幕時破壞面深度稍大于排樁深度；N=1時，如圖5(a)所示，帷幕穿過了原破壞面(無帷幕時的破壞面)與此處土體共同抗剪，分擔了部分荷載，故此時的Ks大于原Ks，但由于帷幕強度較小，與土體共同發(fā)生了剪切破壞，所以此時破壞面深度小于帷幕深度。當N=2時，帷幕穿過了N=1時的破壞面，故此時的Ks大于N=1時的Ks，由于帷幕強度較大未發(fā)生剪切破壞，所以此時破壞面深度增加到了稍大于帷幕深度處。N=3時，帷幕深度小于N=2時破壞面深度，但由于N增大帷幕有一部分橫向穿過了N=2時的破壞面，如圖5(b)所示，這也使Ks增大，但作用較小，Ks增量也較小。N=4時，部分帷幕橫向穿過了N=3時的破壞面，此時Ks仍略有提高。在工程中，當地下水位較高、土體滲透性較強且要求帷幕深度較大時，可布置成雙排水泥土樁止水帷幕，并將帷幕深度設計成超出排樁深度一部分，并應適當考慮帷幕對基坑整體穩(wěn)定性的影響。

3.3 格柵式布置時兩排水泥土樁凈距對基坑整體穩(wěn)定性的影響

水泥土樁深度取25m，布置成模式5，兩排水泥土樁之間的凈距分別取1、2、3、4m，模擬結果如圖7所示。當樁間凈距大于2m后，繼續(xù)增加對基坑整體穩(wěn)定性影響不大，故在后文中，格柵式布置時兩排水泥土樁凈距取2m。

3.4 格柵式布置與實體式布置對比分析

水泥土樁深度取25m，兩排水泥土樁的凈距取2m，分別布置成模式5至模式7進行模擬，模擬結果如圖6中“格柵式”曲線所示。兩者Ks的變化規(guī)律大致相同，但N≥2后采用格柵式布置時的Ks比實體式布置時的Ks大，差值大約為16%。采用格柵式布置與實體式布置相比，帷幕剛度大，坑壁位移小，故基坑整體穩(wěn)定性更好。水泥土樁布置成模式5時與無帷幕時相比，Ks增長了43%，所以在工程中，當要求布置兩排水泥土樁止水帷幕且深度較大時，可布置成格柵式，將帷幕深度設計成超出排樁深度一部分，并適當考慮帷幕對基坑整體穩(wěn)定性的影響比較合理。

綜合上述，帷幕深度、排數對基坑整體穩(wěn)定性均有較大的影響；格柵式布置與實體試相比更利于基坑穩(wěn)定。在設計時，應合理考慮帷幕對基坑整體穩(wěn)定性的影響，如果條件合適，應盡量采用格柵式布置帷幕。

4 結論

1)帷幕深度小于排樁深度時，整體穩(wěn)定性系數隨帷幕深度的增加而增大，但增量很??；帷幕深度大于排樁深度后，增量變大；帷幕深度大于某值后，整體穩(wěn)定性系數不變。進行帷幕設計時，合理增加帷幕深度可提高基坑整體穩(wěn)定性。

2)整體穩(wěn)定性系數隨水泥土樁排數增加而增大，但水泥土樁超過兩排后，整體穩(wěn)定性系數增量很小。在設計中，需要布置雙排水泥土樁止水帷幕時，應適當考慮帷幕對基坑整體穩(wěn)定性的影響。

3)同條件下，水泥土樁采用格柵式布置比采用實體式布置對基坑穩(wěn)定性更有利，在工程中，可根據實際情況合理選用這兩種布置形式。

4)水泥土樁對樁錨支護深基坑整體穩(wěn)定性有一定的影響，若在設計時適當考慮，則可為支護結構分擔部分荷載，從而降低成本。