土巖組合地層蓋挖法車站“吊腳樁”基坑設(shè)計優(yōu)化研究

田海光

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

不同于上海、北京地區(qū)，青島地區(qū)的地質(zhì)狀況為上覆層較薄，且多為覆沖積、洪積或填土層，向下不深即到達(dá)大規(guī)模的侵入嶗山花崗巖。這種獨特的沿海山地丘陵地形在國內(nèi)地鐵基坑建設(shè)中未有先例，可參考借鑒的經(jīng)驗極少。對于青島“上軟下硬”的地質(zhì)狀況，即土巖組合地層，在該地層下施工較深的基坑要考慮經(jīng)濟性及方便施工等因素［1］，所以，端承樁或支護(hù)樁嵌入中風(fēng)化甚至微風(fēng)化花崗巖巖石的深度不需要很大。在開挖到基坑底部時向上看，支護(hù)樁的底部其實在基底以上數(shù)米，其樁腳好似吊在半空中，稱這種樁為“吊腳樁”，其實質(zhì)是有1道樁腳錨索［2－3］來增加穩(wěn)定性的樁錨支護(hù)體系。

目前，對“吊腳樁”的支護(hù)設(shè)計計算一般是采用傳統(tǒng)方法與有限元相結(jié)合的方法。即采用傳統(tǒng)的樁錨支護(hù)設(shè)計方法在開挖到土巖交界面時確定樁的嵌巖深度，再采用有限元法模擬變形和內(nèi)力，在滿足基坑變形要求的前提下，調(diào)整相關(guān)設(shè)計參數(shù)，滿足樁錨支護(hù)體系的變形穩(wěn)定，之后進(jìn)行下層巖體的開挖。另外，對受豎向力狀態(tài)下的“吊腳樁”穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，以期形成設(shè)計計算理論，使該類“吊腳樁”的設(shè)計有理可依，從而促進(jìn)“吊腳樁”的發(fā)展和使用。

王明龍等［4］采用FLAC3D軟件對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力特性進(jìn)行了模擬與研究，討論了樁的受力變化規(guī)律;徐凡力等［5］介紹了正確選擇桿系有限元法的計算方法，指出了設(shè)計人員通常存在和易產(chǎn)生的一些錯誤;劉紅軍等［6］使用有限元數(shù)值軟件模擬了土巖組合地層下“吊腳樁”的施工過程，選取一些影響因素進(jìn)行具體分析，并對其設(shè)計方法和穩(wěn)定性進(jìn)行研究;陳芳［7］推導(dǎo)了考慮巖體穩(wěn)定性的深基坑支護(hù)樁嵌巖深度計算公式，認(rèn)為支護(hù)樁嵌巖深度與巖體性質(zhì)密切相關(guān);徐濤等［8］結(jié)合廣州地鐵沙河站—天平架站盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)井工程實例，對“上軟下硬”地質(zhì)背景的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“吊腳樁”圍護(hù)方案，將“吊腳樁”組合圍護(hù)體系分別采用彈性增量法計算分析，通過施工過程中位移和內(nèi)力的監(jiān)測，證明方法是可行的;陳福全等［9］對黏性土預(yù)留土堤進(jìn)行了不排水有限元分析;包旭范等［10］對大型軟土基坑中心島法施工中土臺預(yù)留寬度進(jìn)行了研究。另外，趙文強［11］以青島地鐵某長條形基坑為載體，結(jié)合支護(hù)方案采用彈性抗力法和等效被動土壓力法分別對上部樁撐(錨)體系和下部巖石邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究;朱丹暉［12］采用吊腳樁+超前微型鋼管樁支護(hù)體系，經(jīng)過軟件計算及對現(xiàn)場施工的反饋，使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形均在設(shè)計范圍內(nèi);鄧春海等［13］根據(jù)青島市特殊的地層及基坑案例，對長螺旋吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算和應(yīng)用進(jìn)行了介紹和分析，表明該支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有嵌固支護(hù)樁一樣能有效控制基坑變形;李寧寧等［14］研究了吊腳樁2個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)(樁體嵌巖深度和鎖腳錨索預(yù)加力)對支護(hù)體系的影響規(guī)律，可為今后的工程實踐提供參考。

對于土巖組合地層的樁錨支護(hù)設(shè)計，國內(nèi)已有學(xué)者做了大量的研究，但對于蓋挖法施工工法下的“吊腳樁”支護(hù)體系設(shè)計卻鮮有先例。針對青島地區(qū)土巖組合地層條件，有必要對其相關(guān)的“吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行研究，即對吊腳樁的2個重要參數(shù)(嵌巖深度和巖肩寬度)進(jìn)行研究，以期達(dá)到節(jié)省成本并保證安全的目的。目前，“吊腳樁”的設(shè)計和計算理論還不成熟，有待對半理論半經(jīng)驗的設(shè)計方法進(jìn)行深入論證，以提出更合理的設(shè)計計算方法，從而使后續(xù)同類工程的設(shè)計分析有據(jù)可依。

1 有限元模擬

1.1 幾何模型

本研究中選取青島地鐵五四廣場站典型剖面SS進(jìn)行分析(見圖1)，其中，S－S剖面在基坑中的位置如圖2所示，使用PLAXIS［14－16］建立模型。

圖1 S－S剖面圖Fig.1 S－S profile

圖2 S－S剖面在五四廣場站的位置平面圖Fig.2 Location of S－S profile in May Fourth Square station

有限元軟件PLAXIS(由Delft Technical University研制)功能強大、界面友好、建模簡單。該軟件可以很好地模擬較為復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，進(jìn)行全自動和局部加強的網(wǎng)格剖分;同時，它還可以參照固結(jié)理論，計算土層在固結(jié)過程中的水平位移、超孔隙水壓力、有效應(yīng)力及沉降等。PLAXIS軟件常用于的2種實際工程計算問題一般是軸對稱問題或平面應(yīng)變問題。通過設(shè)置合理的模型和正確的地層參數(shù)，結(jié)合該軟件對板單元、土體、梁單元、錨桿、樁土接觸面、土工織物的模擬，可以對具體到某一工程的“吊腳樁”支護(hù)體系模擬分部開挖和施工過程，分析各個結(jié)構(gòu)、因素對變形和支護(hù)效果的影響。

1.2 有限元模型

1.2.1 平面尺寸

根據(jù)基坑平面尺寸大小及工程地質(zhì)條件，選擇吊腳樁典型支護(hù)結(jié)構(gòu)S－S剖面建立平面有限元模型。S－S剖面基坑的開挖深度為20.0 m，初步模擬取離開挖面邊界外50 m為外側(cè)水平向影響范圍，基坑在X方向上的長度選取為75.00 m，在Y方向上選取50.00 m，所建立的計算域取75.00 m×50.00 m。

1.2.2 邊界條件

模型的邊界約束條件為:模型底面對所有節(jié)點施加約束X、Y方向自由度的支承;模型左側(cè)及右側(cè)對所有節(jié)點施加約束X方向自由度的支承。

1.2.3 網(wǎng)格劃分

PLAIXS中的網(wǎng)格單元基本類型包括15節(jié)點三角形單元、6節(jié)點三角形單元及模擬結(jié)構(gòu)物的特殊單元。其中，對錨桿錨固段以及巖石錨桿等可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方進(jìn)行加密網(wǎng)格，共劃分1 668個單元，14 171個節(jié)點。有限元模型見圖3。

1.3 材料參數(shù)的選取

根據(jù)工程勘察報告，為了便于計算，對土層進(jìn)行一定簡化后的巖土體模型參數(shù)取值見表1。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1.4 計算分析工況

采用彈塑性計算，分步施工。實際施工時，為開挖一層土或巖石(2 m左右)，支護(hù)一層，因此，按照實際施工工況，開挖一步，支護(hù)一步，在模型中進(jìn)行相應(yīng)的工況定義。施工步序如表2所示。

表1 各層巖土體模型計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of different strata

表2 分步施工工況Table 2 Construction steps

2 “吊腳樁”支護(hù)體系變形與內(nèi)力分析

2.1 “吊腳樁”支護(hù)體系變形分析

圖4為不同工況下吊腳樁的樁身水平位移曲線。由圖4可以看出:在開挖至2 m深度時，吊腳樁為明顯的懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁頂水平位移最大，為2.05 mm，而基巖面以下水平位移非常小，幾乎為0;第1道錨桿YMG1施工后，由于施加了較大的預(yù)應(yīng)力，樁體水平位移發(fā)生了較大改變，樁頂由原來向坑內(nèi)的水平位移變?yōu)橄蚩油獾乃轿灰?，且變化量較大;隨著開挖深度的增大，開挖至5 m時，由于墻后的主動土壓力作用，樁體水平位移重新變?yōu)橄蚩油?當(dāng)開挖至基巖面以下8 m后，隨著開挖深度的加大，樁身位移的變化主要發(fā)生在基巖面以下，而其上的水平位移基本不變，分析可能是由于預(yù)留巖肩寬度較小，提供的嵌固力有限;當(dāng)開挖至20 m深度，即基坑底部時，樁腳水平位移達(dá)到最大值的1.97 mm。另外，隨著開挖深度的增加，吊腳樁樁底的水平位移也在不斷增加，當(dāng)鎖腳錨桿YMG3施工后，樁腳位移比開挖8 m時明顯縮小，證明有預(yù)應(yīng)力的鎖腳錨桿對控制吊腳樁樁底水平位移起到了較大作用。從開挖至基巖面附近到開挖至基坑底，期間吊腳樁樁底水平位移增加較小，只有1 mm左右，說明盡管吊腳樁嵌入中風(fēng)化巖中的深度只有2.0 m，但嵌入深度以下部分也對吊腳樁樁底起到了一定的約束作用。

圖4 吊腳樁樁身水平位移隨施工工況變化曲線Fig.4 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs construction steps

2.2 “吊腳樁”內(nèi)力分析

樁身彎矩和剪力在不同工況下的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

圖5 吊腳樁樁身彎矩隨工況變化曲線Fig.5 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs construction steps

圖6 吊腳樁樁身剪力隨工況變化曲線Fig.6 Curves of shear force of end-suspended pile Vs construction steps

由圖5和圖6可知:隨著開挖深度的增加，施工預(yù)應(yīng)力錨桿對于吊腳樁上部2 m范圍內(nèi)的彎矩及剪力幾乎沒有影響，這是由于樁頂?shù)?排預(yù)應(yīng)力錨桿數(shù)值較大，控制了樁體的變形;彎矩最大值發(fā)生在第1道錨桿和臨時支撐之間4 m左右的位置，故下部錨桿預(yù)應(yīng)力對最大彎矩的影響較小;施工樁腳錨桿以后，彎矩及剪力在嵌巖部分都瞬間由正值變?yōu)樨?fù)值;從開挖樁腳以下直至開挖到基坑底，彎矩值整體呈減小趨勢，而嵌巖面處的剪力也隨著開挖深度的增大而不斷減小;隨著基坑開挖深度的增加，吊腳樁樁身最大彎矩的位置不斷下移，說明樁腳錨桿發(fā)揮了一定作用。

3 “吊腳樁”嵌巖深度與預(yù)留巖肩寬度的研究

3.1 嵌巖深度對吊腳樁變形及受力的影響

爆破施工時可能會破壞預(yù)留巖肩，從而影響到樁體的嵌巖深度，所以在設(shè)計時可以適當(dāng)增大吊腳樁的嵌巖深度。該工程選擇吊腳樁的嵌巖深度分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m，保持其他因素不變，不斷變化吊腳樁嵌入中風(fēng)化花崗巖中的深度，討論嵌巖深度對吊腳樁變形和受力的影響。圖7和圖8為吊腳樁水平位移和樁身彎矩隨嵌巖深度變化曲線。

由圖7和圖8可知:基巖面以上的樁身彎矩隨嵌巖深度變化不大;基巖面以下，在嵌巖深度2.0 m范圍內(nèi)負(fù)彎矩逐漸增大，而當(dāng)嵌巖深度為2.5 m時變?yōu)檎龔澗?隨著吊腳樁嵌巖深度的增加，吊腳樁樁頂水平位移逐漸減小，當(dāng)嵌巖深度大于2.0 m時，樁頂水平位移隨嵌巖深度加大的變化不再明顯。說明該地層條件下，吊腳樁最優(yōu)嵌巖深度為2.0 m，由于巖層開挖功效低，成本高，再加大嵌巖深度，只能增加工期和施工費用，對結(jié)構(gòu)受力和變形幫助不大。

圖7 吊腳樁水平位移隨嵌巖深度變化曲線Fig.7 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock-socketed depth

圖8 吊腳樁樁身彎矩隨嵌巖深度變化曲線Fig.8 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rocksocketed depth

3.2 巖肩寬度對吊腳樁變形及受力的影響

預(yù)留巖肩寬度對吊腳樁穩(wěn)定性至關(guān)重要。本工程選取巖肩寬度分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m，保持其他因素不變，分析巖肩寬度對吊腳樁樁身最大正水平位移和樁身正彎矩的影響。圖9和圖10為吊腳樁水平位移和樁身彎矩隨巖肩寬度變化曲線。

分析圖9和圖10可以看出:隨著巖肩寬度的增加，吊腳樁樁身水平位移整體減小，樁腳水平位移呈現(xiàn)近似于線性減小的趨勢，在2.0 m的寬度范圍內(nèi)，尚未出現(xiàn)不穩(wěn)定的趨勢;吊腳樁樁身最大正彎矩呈現(xiàn)增長趨勢，樁身最大正彎矩出現(xiàn)在第1排預(yù)應(yīng)力錨桿YMG1和臨時支撐之間;吊腳樁嵌巖處負(fù)彎矩隨著巖肩寬度的增加而逐漸增加，且最大負(fù)彎矩出現(xiàn)的位置不斷向嵌巖處靠近。

圖9 吊腳樁水平位移隨巖肩寬度變化曲線Fig.9 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock shoulder width

圖10 吊腳樁樁身彎矩隨巖肩寬度變化曲線Fig.10 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rock shoulder width

4 有豎向荷載的“吊腳樁”研究

土巖組合地區(qū)吊腳樁往往扮演圍護(hù)結(jié)構(gòu)的角色，而地鐵蓋挖法車站施工對其功能提出了新的要求:在恢復(fù)路面后，承受一部分由鋼蓋板、車流所帶來的豎向荷載。故本文依托五四廣場車站，模擬研究吊腳樁在豎向荷載下的受力和變形情況。

PLAXIS軟件中對豎向荷載的添加有2種方式:施加1個地面的分布荷載或者在樁頂施加1個集中荷載。本文選取后一種方式，根據(jù)分析，將車流及鋼蓋板在樁頂?shù)牡刃Ш奢d設(shè)定為60 kPa。

圖11和圖12為吊腳樁水平位移和樁身彎矩在有無豎向荷載情況下的對比圖。

圖11 樁身水平位移在有無荷載下的對比圖Fig.11 Horizontal displacement of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

圖12 樁身彎矩在有無荷載下的對比圖Fig.12 Bending moment of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

分析圖11和圖12可知:由于樁腳嵌入中風(fēng)化花崗巖，嵌巖面以下的部分無論有無豎向荷載都變化不大;樁頂位移同無豎向荷載一樣，都隨開挖深度的增加而加大，但相較于無豎向荷載，其數(shù)值明顯增大;有荷載情況下，樁身彎矩稍有增大，但變化值極小。

圖13為樁頂沉降隨開挖深度變化圖。從圖13中可以看出:隨著開挖深度的加大，樁頂沉降不斷增加。開挖基巖面之前，樁頂沉降較小;開挖至基巖面9～12 m期間，樁頂沉降變化幅度最大;而后一直到開挖至基坑底，樁頂沉降增加不明顯。整體而言，有豎向荷載情況下樁頂位移較無荷載增加顯著，且主要表現(xiàn)在開挖基巖面之后，但最大沉降也僅有1.4 mm，這與該地層土層很薄、基巖面較淺不無關(guān)系。

圖13 樁頂沉降隨開挖深度變化圖Fig.13 Curves of pile top settlement Vs cutting depth

5 結(jié)論與討論

本文選取青島地鐵3號線五四廣場站具有代表性的地層為背景，考慮基坑分步開挖過程，利用有限元方法的優(yōu)勢，計算分析了嵌巖深度和巖肩寬度對吊腳樁變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。主要結(jié)論為:

1)隨著開挖深度的增加及錨桿的施工，吊腳樁樁底的水平位移在不斷增加，說明吊腳樁預(yù)應(yīng)力鎖腳錨桿對控制樁底水平位移起到了較大作用。

2)隨著嵌巖深度的增加，吊腳樁最大位移有所減小，但變化值很小。從計算數(shù)據(jù)來看，巖肩寬度取1.0 m已足夠，實際施工中一般巖肩寬度按照1.5 m控制，采取控制措施(如松動爆破方法、嚴(yán)格限制一次單段最大起爆藥量、采用微差爆破技術(shù)減震、實時監(jiān)測爆破振動對周邊支護(hù)體系的影響等)，保證爆破對巖肩造成松動后仍然有1 m的有效寬度。

3)由于樁腳嵌入中風(fēng)化花崗巖，嵌巖面以下部分無論有無豎向荷載都變化不大。樁頂位移同無豎向荷載一樣，都隨開挖深度的增加而加大，但相較于無豎向荷載，其數(shù)值明顯增大。有荷載情況下，樁身彎矩稍有增大，但變化值極小。

本文針對青島地區(qū)土巖組合地層條件下地鐵車站“吊腳樁”支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行了研究，對類似地層條件下基坑支護(hù)設(shè)計有一定的參考意義。但文章暫未深入研究鎖腳錨桿預(yù)應(yīng)力大小對“吊腳樁”支護(hù)體系的影響，這將是下一步的研究重點，并將跟蹤工程施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該優(yōu)化方法進(jìn)行完善。

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