拋填石層超深基坑鉆孔咬合樁受力機(jī)理分析

李 丹 王宇聲

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150076）

鉆孔咬合樁作為一種基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，在我國的應(yīng)用時(shí)間較晚，目前國內(nèi)關(guān)于鉆孔咬合樁的研究注重集中于工藝技術(shù)、設(shè)計(jì)驗(yàn)算、數(shù)值模擬以及超緩凝混凝土的研發(fā)，但由于我國應(yīng)用的施工機(jī)械先進(jìn)程度落后于發(fā)達(dá)國家，咬合樁的施工存在成孔精度不高，樁身垂直度偏差過大，末端咬合量偏少等問題，進(jìn)而威脅基坑施工的安全。

廖少明等[1]采用模型試驗(yàn)的方法，研究了素混凝土樁與有鋼筋混凝土樁在共同抵抗側(cè)向土壓力過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體彎矩等力學(xué)性能的變化情況，他認(rèn)為在鉆孔咬合樁的設(shè)計(jì)與施工中，要充分考慮素混凝土樁對圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的作用。李文林[2]利用模型試驗(yàn)方法研究了鉆孔咬合樁作為永久結(jié)構(gòu)時(shí)的抗拉、抗剪和抗彎性能，認(rèn)為鉆孔咬合樁能夠作為永久結(jié)構(gòu)來使用。陳斌[3]在南京軌道交通車站施工中，監(jiān)測了鉆孔咬合樁在不同開挖狀況下所表現(xiàn)的樁體位移，得出了鉆孔咬合樁能夠在土體側(cè)向壓力條件下控制水平位移的結(jié)論。姚燕明等[4]通過迭代計(jì)算的手段，得出了鉆孔咬合樁素樁與有鋼筋混凝土樁承擔(dān)彎矩與樁身剛度成正比的結(jié)論。趙超等[5]提出了兩種計(jì)算方法來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，第一種將咬合樁等效為排樁，第二種是將咬合樁視為地下連續(xù)墻，計(jì)算其剪力和彎矩并換算為鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算單位，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

在理論研究方面，對于沿海復(fù)雜地質(zhì)條件下（深厚填塊石層+中風(fēng)化硬巖地層）高水壓工況咬合樁結(jié)構(gòu)受力機(jī)理、計(jì)算模型，優(yōu)化咬合樁樁體特性指標(biāo)的研究，目前還需進(jìn)一步完善和總結(jié)。

1 依托工程概況

太子灣站位于規(guī)劃匯海路，沿匯海路東西方向布置，全長240m。車站三面環(huán)海，小里程端距離海域最小距離為140m，大里程端距離海域最小為113m。原始地貌為填?？盏兀貏菘傮w平緩，地面高程為2.90～5.0m，地面下存在填碎石和填塊石層，平均層厚分別為3.88m 和13.77m，勘察期間測得水位高程-0.82～2.07m，平均0.88m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用咬合樁。在咬合樁穿越地層位置，采用沖擊鉆引孔破碎填塊石層及中風(fēng)化硬巖層并原位回填粗砂，使后續(xù)咬合樁機(jī)可順利施工。

2 拋填石層超深基坑鉆孔咬合樁受力模型的建立

2.1 計(jì)算假定及模型參數(shù)

建立的有限元計(jì)算模型為二維構(gòu)造，邊界范圍根據(jù)嚴(yán)格的基坑分析要求確定。模型中，X 向?yàn)榛拥乃椒较?，Y 向，即基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎直方向，由于選取A-A 截面建模分析，計(jì)算時(shí)可假定在荷載作用下只有X 向（橫向）及Y 向（豎向）位移。模型計(jì)算中的相關(guān)假定如下：

2.1.1 根據(jù)地質(zhì)剖面圖資料所示，研究區(qū)間內(nèi)的基坑開挖斷面所處地層變化較為平緩，模型中假設(shè)各地層呈現(xiàn)勻質(zhì)水平層狀分布，且同一土層性質(zhì)為各向同性；

2.1.2 小變形假設(shè)：圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑開挖施工引起地層變形屬于小變形問題；

2.1.3 巖土體材料性質(zhì)為非線性，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑開挖施工模擬中，周邊的巖土體穩(wěn)定性受到擾動比較小，周圍巖土體通常不會出現(xiàn)極限破壞的大變形，由于彈塑性連續(xù)變形的控制，其應(yīng)力、應(yīng)變水平也較低。在有限元數(shù)值模擬計(jì)算中，巖土體采用理想彈塑性模型模擬，單元類型為實(shí)體單元，并采用修正摩爾- 庫侖屈服準(zhǔn)則及相關(guān)關(guān)聯(lián)流動法則，巖土體與結(jié)構(gòu)之間的變形由位移來協(xié)調(diào)控制，即認(rèn)為巖土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間不出現(xiàn)相互滑動；

2.1.4 基坑開挖過程中基坑內(nèi)土體逐層開挖，內(nèi)支撐逐層施做，為了保證基坑施工的安全穩(wěn)定性，采取“先撐后挖”的模擬原則，模型中內(nèi)支撐材料采用線彈性模型模擬，單元類型為1D梁單元；

2.1.5 模擬計(jì)算中，可將利用地下連續(xù)墻模型來代替鉆孔咬合樁，地連墻材料采用線彈性模型模擬，根據(jù)有效厚度相對關(guān)系采用梁單元進(jìn)行模擬；

2.1.6 設(shè)置邊界條件時(shí)，模型的四個(gè)側(cè)面只設(shè)置了法向約束，底面的各個(gè)方向均受約束，而頂面無約束。

模型的參數(shù)來源于地質(zhì)勘察報(bào)告和其他設(shè)計(jì)文件，地層特性及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。

表1 模型地層參數(shù)表

2.2 施工步驟及模型設(shè)計(jì)

2.2.1 初始地應(yīng)力平衡：將模型內(nèi)初始狀態(tài)參與計(jì)算的各土層、及邊界條件激活，同時(shí)施加模型整體水位線，使后續(xù)計(jì)算考慮滲流，在重力作用下達(dá)到平衡狀態(tài)，并將其位移清零；

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施做模擬：激活該位置處的等效地下連續(xù)墻、施工荷載；

2.2.3 基坑內(nèi)土體開挖：進(jìn)行該處的內(nèi)支撐施做與土體開挖過程的模擬，激活該處內(nèi)支撐，并鈍化該處的開挖土體；

2.2.4 待分層開挖的第一層土開挖過程計(jì)算平衡后，重復(fù)上述步驟2.2.3 ，直開挖至預(yù)定的基坑底部，完成整個(gè)模型的計(jì)算。

計(jì)算應(yīng)用了Midas/GTS NX 作為二維有限元模型的分析軟件。模型以深圳市城市軌道交通12 號線工程太子灣站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)A-A 截面基坑豎直方向?yàn)閅 軸，沿基坑水平方向?yàn)閄 軸建立計(jì)算坐標(biāo)系。取地下水位深度為0.88m，地層條件從上往下分別為：填碎石、素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化片麻狀混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化片麻狀混合花崗巖、中風(fēng)化片麻狀混合花崗巖，土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用修正摩爾- 庫倫準(zhǔn)則。為提高計(jì)算精度，利用混合四面體網(wǎng)格，在基坑內(nèi)土體以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)處施工位置處網(wǎng)格劃分較密，向外部土體網(wǎng)格劃分逐漸變疏，在不影響計(jì)算精度的前提下減少網(wǎng)格數(shù)量并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格單元尺寸在1.0～1.5m 之間，共劃分6626 個(gè)單元，6582 個(gè)節(jié)點(diǎn)。2D 有限元數(shù)值模型圖1-2 所示。

圖1 有限元數(shù)值模型整體圖

圖2 有限元數(shù)值模型邊界約束與荷載布置圖

3 拋填石層超深基坑鉆孔咬合樁受力分析

3.1 咬合樁剪力計(jì)算結(jié)果

太子灣地鐵站深基坑的開挖步序共分為五層，在每一層土方開挖完畢后，通過模擬計(jì)算，分析得到了鉆孔咬合樁承受剪力的變化情況。

由上述不同開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力變化圖（圖3-8）可以看出，對應(yīng)開挖工況1-5，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的最大剪力分別為214.234KN、255.177 KN、395.866 KN、337.91 KN、324.601KN，最大剪力一般發(fā)生在開挖深度16～20m 的范圍內(nèi)。

圖3 開挖工況1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力圖

圖4 開挖工況2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力圖

圖5 開挖工況3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力圖

圖6 開挖工況4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力圖

圖7 開挖工況5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力圖

圖8 各開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力變化情況

隨著開挖的進(jìn)行，最大剪力的變化規(guī)律表現(xiàn)為先增大后降低，且增大的幅度相對大于剪力降低的幅度，同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖完成第三層土體時(shí)承受到最大的剪力395.866 KN，這表明施工到第四層土?xí)r結(jié)構(gòu)所受到的剪力最大，因此為了保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與施工安全，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程中，考慮對于第四道支撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，如增大其截面尺寸或者增加其預(yù)施加荷載。

3.2 咬合樁彎矩計(jì)算結(jié)果

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎性能是基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。本次有限元分析中對鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的承載彎矩情況進(jìn)行了分析，彎矩計(jì)算結(jié)果如圖9-14 所示。

圖9 開挖工況1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖10 開挖工況2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖11 開挖工況3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖12 開挖工況4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖13 開挖工況5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖14 各開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩變化情況

由上述不同開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩變化圖可以看出，對應(yīng)開挖工況1-5，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的最大彎矩分別為563.924KN·m、629.942KN·m、763.608KN·m、832.241KN·m、722.982KN·m，最大彎矩一般發(fā)生在開挖深度18～20m 的范圍內(nèi)，這一變化規(guī)律與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剪力變化情況相同。

從每層土開挖時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的增量來看，第三層土開挖完成時(shí)彎矩增量最大，為113.666 KN·m，這表明在第四層土開挖的過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力迅速增長，因此有必要對于這一階段的內(nèi)支撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，可以將這一層土開挖前的內(nèi)支撐截面尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦龃?，這與剪力的分析結(jié)果具有一致性。

3.3 咬合樁水平位移計(jì)算結(jié)果

基坑開挖過程也是坑內(nèi)土體不斷卸載、坑外側(cè)向土壓力不斷增大的過程，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為抵抗側(cè)向土壓力的結(jié)構(gòu)會向坑內(nèi)產(chǎn)生一定的變形，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度是需要重點(diǎn)考慮的結(jié)構(gòu)性能。

各開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化情況如圖15-20 所示。

圖15 開挖工況1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖

圖16 開挖工況2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖

圖17 開挖工況3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖

圖18 開挖工況4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖

圖19 開挖工況5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移圖

圖20 各開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化情況

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在上述1-5 開挖工況中的變化明顯，可以分析出對應(yīng)開挖工況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大水平位移分別為8.29mm、8.95mm、9.75mm、10mm、10mm，最大水平位移發(fā)生位置分別在開挖深度8m、9m、11m、11m、11mm。分析可知隨著基坑開挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移持續(xù)增大，最終收斂于10mm左右的位移值。最大水平位移主要發(fā)生在11m 左右的位置，正好處于素填土的地層中，表明該層素填土的土層性質(zhì)相對較差，因此在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)采取相應(yīng)措施。

此外，從第一層土開挖至第五層土的過程中，最大位移的增幅較小，且各開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移均符合規(guī)范要求，這表明了采取鉆孔咬合樁+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于基坑內(nèi)土體位移具有明顯的限制作用，能夠保證基坑的安全與穩(wěn)定。

4 結(jié)論

基坑施工中最大剪力一般發(fā)生在開挖深度16～20m 的范圍內(nèi)。隨著開挖的進(jìn)行，最大剪力的變化規(guī)律表現(xiàn)為先增大后降低，且增大的幅度相對大于剪力降低的幅度，同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖完成第三層施工到第四層土?xí)r結(jié)構(gòu)所受到的剪力最大，因此為了保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與施工安全，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程中，考慮對于第四道支撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，如增大其截面尺寸或者增加其預(yù)施加荷載。

隨著開挖的進(jìn)行，最大彎矩的變化規(guī)律表現(xiàn)為開挖至第五層土之前持續(xù)增大，開挖完第五層土后略有降低，且降低的幅度相對較小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖完成第四層土體時(shí)承受到最大的彎矩，施工到第五層土?xí)r結(jié)構(gòu)所受到的彎矩最大。第三層土開挖完成時(shí)彎矩增量最大，在第四層土開挖的過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力迅速增長，因此有必要對于這一階段的內(nèi)支撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，可以將這一層土開挖前的內(nèi)支撐截面尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦龃蟆?/p>

分析可知隨著基坑開挖的進(jìn)行，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移持續(xù)增大，最終收斂于10mm 左右的位移值。最大水平位移主要發(fā)生在11m 左右的位置，正好處于素填土的地層中，表明該層素填土的土層性質(zhì)相對較差，因此在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)采取相應(yīng)措施。此外，從第一層土開挖至第五層土的過程中，最大位移的增幅較小，且各開挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移均符合規(guī)范要求，這表明了采取鉆孔咬合樁+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對于基坑內(nèi)土體位移具有明顯的限制作用，能夠保證基坑的安全與穩(wěn)定。