大直徑高壓旋噴樁+雙排鉆孔灌注樁復(fù)合式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工作性狀

黃 俊 ，陳方偉，趙 光 ，邢冬冬，肖軍華

(1．江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京 2 10017;2．中交投資有限公司，北京 1 00088;3．中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 1 00088;4．南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京 2 10009)

0 引言

隨著地下空間開發(fā)利用越來越被人們重視，城市基坑工程得到了較快發(fā)展。由于城市地下管線眾多，基坑上方往往存在重要電纜、管線等障礙物穿越而無法動(dòng)遷，隔斷了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，為了應(yīng)對工程中出現(xiàn)的復(fù)雜施工條件，各種不同形式的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)也應(yīng)運(yùn)而生［1-4］。大直徑高壓旋噴樁+雙排鉆孔灌注樁復(fù)合式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)就是其中的一種復(fù)雜支護(hù)形式，它采用大直徑、高強(qiáng)度的旋噴樁加固基坑周邊軟土，同時(shí)，在旋噴樁中施作雙排灌注樁，并結(jié)合基坑內(nèi)支撐組成復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以較好地起到止水和擋土作用，且能靈活避開障礙物。

旋噴樁技術(shù)成熟于日本對二重管和三重管的開發(fā)，隨后在大直徑旋噴樁上形成SSS-MAN工法、RJP工法和MJS工法，解決了旋噴樁成樁過程差異性大、樁身質(zhì)量難以保證等問題［5-8］。雙排樁是由前后2排豎向平行的樁組合而成，為了充分利用空間協(xié)同作用，在樁頂利用連梁將2排樁連成整體，提高樁體的整體剛度。經(jīng)過眾多學(xué)者的研究，雙排樁技術(shù)已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的理論［9-11］。大直徑高壓旋噴樁+雙排鉆孔灌注樁復(fù)合式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合了旋噴樁和雙排樁兩者的特點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性都大大提高，且遇障礙物可以靈活調(diào)整支護(hù)參數(shù)(樁間距)。雖然，實(shí)際工程中這種加筋旋噴樁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)常出現(xiàn)［12］，但是，其設(shè)計(jì)計(jì)算理論還不完善，大都借鑒SMW工法樁或雙排樁的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行簡單驗(yàn)算，因此需要對該類復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性狀進(jìn)行深入研究，為提出合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法提供基礎(chǔ)。本文結(jié)合某具體工程實(shí)例，通過數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場監(jiān)測等，對這種復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性狀進(jìn)行研究。

1 工程概況

某基坑最大開挖深度為16．0 m，設(shè)4道支撐、1道蓋板(蓋挖施工)，地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度為31 m。在深基坑施工過程中，由于場地存在橫穿的高壓電纜，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在此處需做開口處理，經(jīng)方案比選，采取大直徑高壓旋噴樁+雙排鉆孔灌注樁復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，詳見圖1。開口處旋噴樁直徑為2．5 m、長度為30 m，樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為3 MPa;雙排鉆孔灌注樁直徑為1．0 m、長度為30 m，排距為1．7 ～2．5 m，樁間距根據(jù)高壓電纜的間距而設(shè)。

圖1 復(fù)合式支護(hù)區(qū)域平面示意圖Fig．1 Plan of zone with combined support

場地土層主要以填土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土夾粉砂為主，基坑坑底處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入粉質(zhì)黏土夾粉砂層。土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 場地土層的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

2 有限元計(jì)算模型和模擬過程

計(jì)算模型取實(shí)際基坑的一節(jié)段，寬度為20 m，模型計(jì)算深度取40 m，基坑開挖的影響區(qū)域?yàn)閴?0 m范圍。計(jì)算模型的尺寸如圖2所示。

圖2 模型尺寸(單位:m)Fig．2 Model dimension(m)

實(shí)際施工過程為分步開挖、先撐后挖，可將基坑開挖與支撐施工過程分為7個(gè)步驟:1)進(jìn)行場地地應(yīng)力平衡;2)施作地下連續(xù)墻，進(jìn)行旋噴樁加固并在加固區(qū)內(nèi)施作雙排灌注樁;3)開挖第1層土，施作第1道支撐;4)開挖第2層土，施作蓋板;5)開挖第3層土，施作第2道支撐;6)開挖第4層土，施作第3道支撐;7)開挖第5層土，施作第4道支撐。

采用有限元分析軟件MⅠDAS進(jìn)行計(jì)算。旋噴加固水泥土的計(jì)算參數(shù)為:黏聚力120 kPa、內(nèi)摩擦角35°、彈性模量150 MPa。原狀土及加固土均采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型;地下連續(xù)墻、支撐及灌注樁采用鋼筋混凝土線彈性材料模擬，彈性模量為30 GPa。

3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測比較

按照上述步驟可計(jì)算得到每一步施工工況下基坑周邊土體、地下連續(xù)墻、支撐梁和立柱等各部件的位移及內(nèi)力變化情況。

基坑開挖完成后的地應(yīng)力分布情況如圖3所示，Y向水平位移云圖如圖4所示，沉降云圖如圖5所示。

從監(jiān)測結(jié)果中選取地下連續(xù)墻測斜點(diǎn)CX4-16、灌注樁測斜點(diǎn)CX-GZ01以及地表沉降點(diǎn)DB4-5(見圖1)，與數(shù)值計(jì)算值進(jìn)行比較，如圖6和7所示。

圖3 開挖完成后地應(yīng)力分布Fig．3 Distribution of ground stress after excavation

圖4 開挖完成后Y向水平位移Fig．4 Horizontal displacement in Y direction after excavation

圖5 開挖完成后土體沉降云圖Fig．5 Contour of ground settlement after excavation

比較圖6和圖7可以看出，無論是地表沉降、地下連續(xù)墻的深層水平位移還是灌注樁的深層水平位移，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果都較為吻合，因此本次數(shù)值計(jì)算的模型和參數(shù)選取都是合理的，為下一步研究分析奠定了基礎(chǔ)。

圖6 DB4-5點(diǎn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值Fig．6 Comparison and contrast between numerical calculation results and monitoring results in terms of settlement at DB4-5 point

圖7 水平位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比Fig．7 Comparison and contrast between numerical calculation results and monitoring results in terms of horizontal displacement

4 不同支護(hù)工況的對比分析

為研究大直徑高壓旋噴樁+雙排灌注樁復(fù)合式基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工作性狀，采用數(shù)值計(jì)算對不同工況下樁間土體的最大水平位移、塑性區(qū)以及塑性應(yīng)變、灌注樁的最大水平位移和地表最大沉降等進(jìn)行對比分析。1)工況1:僅施作雙排灌注樁;2)工況2:僅采用旋噴樁加固;3)工況3:采用旋噴樁加固并施作雙排灌注樁;4)工況4:采用旋噴樁加固但施作單排灌注樁;5)工況5:旋噴樁加固強(qiáng)度參數(shù)減半并施作雙排灌注樁。

圖8和圖9分別給出了典型工況下樁間土體的水平位移云圖和塑性區(qū)云圖。表2給出了不同工況的計(jì)算結(jié)果。

圖8 典型工況下樁間土水平位移云圖Fig．8 Contour of horizontal displacement of soil between piles under typical conditions

圖9 典型工況下樁間土塑性區(qū)云圖Fig．9 Contour of plasticized zone of soil between piles under typical conditions

表2 不同工況關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算數(shù)值Table 2 Calculation results of key points under different working conditions

從工況1計(jì)算結(jié)果可以看出，僅施作雙排灌注樁不能滿足結(jié)構(gòu)安全的要求。這是因?yàn)楣嘧兜闹睆诫m然達(dá)到了1．0 m，但是樁間距為3倍樁徑左右，而土體多屬于淤泥質(zhì)土，并不能在樁間形成土拱效應(yīng)，導(dǎo)致樁間土體滑出破壞。

從工況2計(jì)算結(jié)果可以看出，僅采用旋噴樁加固，樁間土的最大塑性應(yīng)變達(dá)到了2．9%，且從云圖中可以看出塑性區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)支護(hù)體系的范圍，因此，也不能滿足結(jié)構(gòu)安全的要求。

對比工況2和工況3可以看出，在土體加固基礎(chǔ)上，再套打灌注樁對于結(jié)構(gòu)的變形控制效果比較明顯:樁間土的最大變形減少了約50%，塑性區(qū)明顯減少。因?yàn)橥馏w加固，樁間土的強(qiáng)度大大增加，可以在樁間形成土拱，在土拱的作用下，整個(gè)加固區(qū)的變形減小。因此可以認(rèn)為此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到安全要求。

對比工況4和工況3可以看出，如果單從側(cè)向最大位移和塑性應(yīng)變最大值來看，采用單排樁或雙排樁對于結(jié)構(gòu)變形的影響并不大，但采用單排樁的塑性區(qū)比雙排樁的塑性區(qū)增大了3～4倍，這對于整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定也是不利的。

對比工況4和工況3可以看出，加固土的強(qiáng)度對于樁間土的變形、塑性應(yīng)變以及塑性區(qū)的影響較大。這是由于加固土體的強(qiáng)度降低，樁間形成的土拱變?nèi)?，使得塑性變形和塑性區(qū)都增大。

從表2中DB4-5測點(diǎn)的最大沉降值可以看出，對于軟土地層中本復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，地面豎向沉降和樁間土水平變形的關(guān)系較為密切，較大的樁間土水平位移會(huì)引起周圍土體較大的豎向沉降。因此，對于本復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，控制基坑周邊豎向沉降的關(guān)鍵在于對樁間土水平變形的控制。

5 結(jié)論與體會(huì)

1)通過對實(shí)際工程的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，基坑開挖引起的地下連續(xù)墻變形、地面沉降和灌注樁水平變形都與實(shí)測值相吻合。

2)大直徑高壓旋噴樁+雙排鉆孔灌注樁復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效控制基坑變形，而僅施作雙排灌注樁或僅采用旋噴樁加固，均不能滿足基坑安全的要求;相比排樁數(shù)量而言，旋噴加固參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作性狀影響更為顯著。采用旋噴樁加固并施作雙排灌注樁方案相比僅施作雙排灌注樁方案基坑的最大側(cè)向位移減少60%以上，最大塑性應(yīng)變減少85%以上。

3)對于軟土地層中本復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑周邊的沉降主要是由于樁間土的水平變形引起的，因此，控制基坑周邊地表沉降的關(guān)鍵在于控制樁間土的水平變形。

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