鄰近鐵路隧道的深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

向富寶

中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222

1 工程背景

工程地點(diǎn)位于云南紅河彌勒市，在建鐵路隧道鄰近區(qū)域?qū)⑼瑫r(shí)進(jìn)行商業(yè)樓施工，商業(yè)樓地上共8層，地下共4層。擬建場(chǎng)地地層從上往下依次為填土（最大埋深6.5 m）、黃土（最大埋深11.8 m）、古土壤（最大埋深15.6 m）、砂土（最大埋深40.0 m）和粉質(zhì)黏土（最大埋深60.2 m）?；釉O(shè)計(jì)開(kāi)挖深度為20 m，總面積約為2 490 m2，基坑支護(hù)由前排樁、后排樁以及樁間梁組成（即雙排樁支護(hù)）?；游鱾?cè)毗鄰鐵路施工線路，北面為某醫(yī)院辦公樓，南面為商業(yè)街，東側(cè)是某公司大樓（圖1），地下管網(wǎng)眾多，地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是與鄰近鐵路隧道同時(shí)施工，給工程的安全與穩(wěn)定帶來(lái)重要影響[1]。因此，需針對(duì)施工方案進(jìn)行專項(xiàng)研究和討論。

圖1 工程布置示意

2 有限元模型的建立

2.1 計(jì)算假定

基坑周邊地質(zhì)條件復(fù)雜，影響基坑變形的因素眾多。因此，需作出如下假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算：由于施工周期較短，故不考慮地下水影響，按不固結(jié)、不排水條件進(jìn)行分析；暫不考慮基坑周邊其他荷載作用；支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體之間采用面-面接觸單元的變形協(xié)調(diào)相互作用；將冠梁和樁頂均考慮為剛性體，單元類型為C3D8R；土體考慮為彈塑性材料且符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，單元類型為C3D8R；樁體本身材料為彈性體，單元類型為C3D8R。

2.2 參數(shù)設(shè)置

鐵路隧道深基坑采用雙排樁支護(hù)，計(jì)算基本參數(shù)為：樁間距1.5 m，樁排距2.0 m，樁徑為1 m，樁長(zhǎng)為31 m，冠梁高度和寬度分別為1 m和4 m。在基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，共設(shè)計(jì)5種樁長(zhǎng)，分別為27、29、31、33和35 m，樁徑也設(shè)置5種，分別為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 m，樁體剛度為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50倍EI（EI為樁體基本剛度），樁間距和樁排距分別為2、3、4、5、6倍樁徑。雙排樁和冠梁的重度為2 550 kN/m3，彈性模量為31.5 GPa，泊松比為0.2。

2.3 模型及邊界條件

采用Abaqus數(shù)值軟件進(jìn)行模型的建立，x方向表示基坑?xùn)|西方向，東正西負(fù)，y方向表示南北方向，北正南負(fù)，z為基坑深度方向，向上為正。模型范圍為東西方向150 m，南北方向130 m，深度方向60 m，地表為自由邊界，基坑四周均為法向約束條件，基坑底部為全約束條件，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 深基坑有限元模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 樁長(zhǎng)的影響

保持其他基本參數(shù)不變，改變樁長(zhǎng)，得到了前后排樁頂、樁底和樁體的位移與樁長(zhǎng)的關(guān)系（圖3）。樁體的最大位移量明顯大于樁頂和樁底的位移量，這說(shuō)明采用雙排樁支護(hù)時(shí)，其變形呈中間大、兩端小的變化特征。這是因?yàn)闃俄敶嬖诠诹?，限制了樁頂?shù)奈灰?，而樁底深入嵌固于巖石或堅(jiān)硬土層內(nèi)，受到的變形約束力也較大，因此，樁身變形呈弓字形。當(dāng)樁長(zhǎng)小于33 m時(shí)，樁頂位移量大于樁底位移量，當(dāng)樁長(zhǎng)大于33 m后，樁頂?shù)奈灰屏啃∮跇兜椎奈灰屏?，且最大位移量隨樁長(zhǎng)增加在逐漸減小。這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)增加，相當(dāng)于嵌入深度增加，基坑以下被動(dòng)土體區(qū)域的面積增大，樁體前后的被動(dòng)和主動(dòng)土壓力差值也在逐漸減小，因此，增加樁長(zhǎng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有利，但是樁長(zhǎng)的增加并不能很好地抑制樁底的變形，相反，會(huì)使樁底的變形增大，即嵌固深度的增加對(duì)于樁身變形的限制能力會(huì)逐漸減弱，這時(shí)樁身的變形將呈雙反彎點(diǎn)形。由于土壓力直接作用于前排樁，因此，前排樁的變形略大于后排樁的變形。綜上分析，增加樁長(zhǎng)可以在一定程度上改善樁體受力和變形特性，但效果有限，當(dāng)樁長(zhǎng)增加8 m后，樁體的最大位移量?jī)H相應(yīng)減小2 cm，但增加樁長(zhǎng)會(huì)使施工成本呈幾何倍增加，因此，利用樁長(zhǎng)來(lái)提高穩(wěn)定性不是最佳選擇。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)樁長(zhǎng)為33 m時(shí)，樁頂和樁底的位移相對(duì)較小，且基本相等，因此，建議將本工程雙排樁樁長(zhǎng)優(yōu)化為33 m。

3.2 樁徑的影響

保持樁長(zhǎng)33 m及其他基本參數(shù)不變，改變樁徑，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁徑的關(guān)系（圖4）。從圖4中可以看到：樁徑的改變對(duì)于樁頂?shù)挠绊戄^大，隨著樁徑的不斷增大，樁頂位移呈先增大后減小的變化特征，而樁底的位移量基本保持不變。這是因?yàn)闃稄捷^小時(shí)，冠梁對(duì)樁頂?shù)奈灰萍s束起主要作用，樁徑越小，約束作用越明顯；當(dāng)樁徑增加后，冠梁的約束作用減小，此時(shí)樁徑對(duì)樁頂位移的影響作用開(kāi)始顯現(xiàn)，樁徑越大，約束作用越明顯；隨著樁徑的不斷增加，前后排樁體的最大位移量呈逐漸減小趨勢(shì)，表明增加樁徑可以提高支護(hù)體的穩(wěn)定性，但其樁徑在增大至一定值后，對(duì)變形的約束力將減弱。綜上，建議將本工程的樁徑優(yōu)化為1.2 m。

圖3 樁長(zhǎng)-位移關(guān)系

圖4 樁徑-位移關(guān)系

3.3 樁體剛度的影響

保持樁長(zhǎng)33 m、樁徑1.2 m及其他基本參數(shù)不變，改變樁體剛度，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁體剛度的關(guān)系（圖5）。

圖5 樁體剛度-位移關(guān)系

從圖5中可以看到：與樁徑影響類似，樁體剛度的改變對(duì)樁底位移的影響并不明顯，但對(duì)樁頂位移的影響很大，隨著樁體剛度的增加，樁頂位移呈冪函數(shù)減小，樁體剛度反映了樁體自身抵抗變形的能力，在受力相等情況下，增加剛度可以有效減小樁體位移，從前后排樁體的最大位移量變化可以看到，其變化趨勢(shì)與樁頂位移表現(xiàn)一致，即呈冪函數(shù)型降低，這說(shuō)明增加剛度能夠起到增加支護(hù)穩(wěn)定性的作用，但剛度的增加對(duì)于變形的抑制作用在逐漸減弱，當(dāng)剛度增加至1.0EI后，再增加剛度時(shí)位移的減少量將很小，對(duì)工程造價(jià)不利。因此，建議本工程的樁體剛度保持1.0EI不變。

3.4 樁間距的影響

保持樁長(zhǎng)為33 m、樁徑為1.2 m、樁體剛度1.0EI及其他基本參數(shù)不變，改變樁間距，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁間距的關(guān)系（圖6）。

圖6 樁間距-位移關(guān)系

從圖6中可以看到：隨著樁間距的不斷增大，前后排樁頂?shù)奈灰浦挡粩嘣龃?，但樁底值變化幅度較小，基本保持不變，呈現(xiàn)雙反彎點(diǎn)形變形特征。這是因?yàn)楫?dāng)樁間距增加時(shí)，樁底部會(huì)承受比原來(lái)更大的土壓力，導(dǎo)致樁底位移量逐漸增加，而上部由于受到冠梁的約束作用，因此變形呈雙反彎點(diǎn)形變化，這對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。樁體最大位移隨著樁間距的增加呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，特別是當(dāng)間距增加至4D（D為樁徑）后，樁體位移量將顯著增加，且前排樁的位移量遠(yuǎn)大于后排樁，對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全極為不利，因此在施工過(guò)程中可以將前后排樁進(jìn)行非對(duì)稱布置，并根據(jù)樁徑大小選擇合理的樁間距。由于本深基坑周圍均為比較重要的建筑物，支護(hù)安全系數(shù)相應(yīng)提高，因此樁間距可適當(dāng)優(yōu)化至2D以減小工程造價(jià)成本。

3.5 樁排距的影響

保持樁長(zhǎng)33 m、樁徑1.2 m、樁體剛度1.0EI和樁間距2D不變，改變樁排距，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁排距的關(guān)系（圖7）。

圖7 樁排距-位移關(guān)系

樁排距的增加，意味著前排樁體承受的土壓力將增大，而后排樁體承受的土壓力會(huì)減小，但樁頂受到冠梁的約束作用，會(huì)使得前后排的位移協(xié)調(diào)一致，故而表現(xiàn)為前排樁的位移會(huì)逐漸變大，后排樁的樁頂位移變化幅度較大，而樁底位移變化幅度較?。浑S著樁排距的增加，最大位移呈逐漸減小的變化特征，且當(dāng)樁排距為4D時(shí)，其前后排的樁間土體之間擁有良好的協(xié)同性，當(dāng)繼續(xù)增大排距后，會(huì)逐漸導(dǎo)致樁間土壓力向前排樁加強(qiáng)，使得后排樁的支護(hù)作用和效果減弱，協(xié)同變形的能力降低。因此，建議在施工時(shí)將樁排距擴(kuò)大為4D，且在施工過(guò)程中可以采用非對(duì)稱配筋方式對(duì)配筋方案進(jìn)行優(yōu)化，以減小前后排樁的彎矩差異。

4 實(shí)際運(yùn)用效果

根據(jù)分析結(jié)果，決定采用樁長(zhǎng)33 m、樁徑1.2 m、樁體剛度1.0EI、樁間距2D以及樁排距4D等參數(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行支護(hù)施工，并對(duì)基坑兩側(cè)的位移變形進(jìn)行了全過(guò)程監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看到：基坑兩側(cè)的沉降變形呈“凹”形分布，基坑?xùn)|側(cè)的沉降變形明顯大于西側(cè)，這是因?yàn)殍F路隧道的存在對(duì)基坑具有遮擋效應(yīng)；東側(cè)基坑最大位移為3.3 cm（小于設(shè)計(jì)規(guī)范值），且最大位移位于東側(cè)基坑約4 m處；在離基坑遠(yuǎn)側(cè)，地表沉降量隨距離的增大而增大，這是由于鐵路隧道兩側(cè)土壓力分布不均導(dǎo)致的現(xiàn)象。總體而言：深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)效果良好，有利于鐵路隧道和基坑的穩(wěn)定安全。

圖8 沉降曲線

5 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值分析方法，對(duì)鄰近鐵路隧道深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進(jìn)行了探討，從樁長(zhǎng)、樁徑、樁體剛度、樁間距以及樁排距等多個(gè)參數(shù)出發(fā)，分析了不同參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形的影響。同時(shí)考慮工程造價(jià)成本，最終得到案例工程的最佳支護(hù)方案為：樁長(zhǎng)優(yōu)化為33 m、樁徑優(yōu)化為1.2 m，樁體剛度保持原設(shè)計(jì)方案1.0EI不變，樁間距優(yōu)化為2D，樁排距優(yōu)化為4D。實(shí)際運(yùn)用結(jié)果表明：深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)效果良好，有利于鐵路隧道和基坑的穩(wěn)定安全。