雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素分析

劉 帥，安 征，李向群，李宗效*

1吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘察工程學(xué)院,長春 130118 2中交一公路局路橋華祥國際工程有限公司，北京 100010

0 引言

我國是快速發(fā)展中國家,國民經(jīng)濟(jì)逐年提升,城市化進(jìn)程也在逐步推進(jìn),這使城市人口在短時(shí)間內(nèi)迅速增長,導(dǎo)致城市人口生存空間不足,建設(shè)用地出現(xiàn)了緊張現(xiàn)象.為了有效地解決這一難題,多層居民樓和多樣化的地下建筑大量出現(xiàn)，如地鐵車站、地下停車場(chǎng)、地下超市和地下工業(yè)建筑等[1].基坑開挖施工的難度在隨著基坑周圍環(huán)境的復(fù)雜程度而增加,如今的建筑所在位置通常情況是在城市中,城市人口密集,基坑周圍有時(shí)會(huì)存在各種建筑物和地下管道、線路等,這些影響因素?zé)o疑是在加大基坑開挖施工的難度,若發(fā)生安全事故則會(huì)帶來嚴(yán)重的后果和無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失[2].隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來,通過有限元分析軟件對(duì)基坑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而對(duì)基坑開挖時(shí)周圍土體的位移控制,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的尺寸和距離進(jìn)行合適取值,最后達(dá)到設(shè)計(jì)合理并且施工可行和節(jié)約成本的目的.

本文以該基坑工程南側(cè)的1-1剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析,該區(qū)域采用的是雙排樁支護(hù)方案.利用Midas GTS NX數(shù)值模型軟件對(duì)該剖面建立三維的幾何模型,模擬基坑開挖與雙排樁施工的過程,分析不同工況下基坑周圍土體的水平位移和沉降變化的狀況,進(jìn)行變化性的規(guī)律總結(jié)[3].影響雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的因素有很多,本文針對(duì)不同前后樁的樁間距、雙排樁樁距以及樁長影響因素進(jìn)行模擬,分析其水平位移的變化情況,得到最優(yōu)的排間距、樁距以及樁長的選取范圍,達(dá)到增強(qiáng)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和低造價(jià)的目的.希望能為今后類似的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供有價(jià)值的參考.

1 工程概況

該工程位于某市齊河城南緯16度與北緯17度,黃河大道以西,交通方便,基坑開挖形狀為類似矩形,基坑南北長約312 m,東西寬約110 m～220 m,本工程采用絕對(duì)標(biāo)高,基坑周邊地面整平標(biāo)高20.2 m～23.6 m,基坑坑底標(biāo)高為16.94 m～17.85 m,開挖深度為2.95 m～6.66 m，其中擬建8棟31層～33層住宅樓及整體地下車庫,住宅樓采用樁基-筏板基礎(chǔ),剪力墻結(jié)構(gòu),車庫采用筏板基礎(chǔ),框架結(jié)構(gòu).基坑平面支護(hù)布置圖如圖1所示.

圖1 基坑平面支護(hù)布置圖Fig.1 Foundation pit plane support plan

1.1 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)區(qū)在地貌單元上屬于黃河下游沖積平原,微地貌形狀為緩平坡地,場(chǎng)地平整,場(chǎng)地第四系地層自上而下分述如下：

第1層：素填土.層底埋深0.50 m～4.50 m,厚度0.504 m～4.5 m,層底標(biāo)高17.67 m～21.84 m.主要成分為粉土及粉質(zhì)粘土碎塊,夾少量碎石、砂礫等建筑垃圾.

第2層：粉土.層底埋深1.00 m～5.70 m,厚度0.60 m～4.60 m,層底標(biāo)高15.04 m～21.07 m.黃褐色,中密、濕、干度中等、韌性低、搖震反應(yīng)中等、無光澤,壓縮系數(shù)a1-2=0.19(MPa-1),為中壓縮性土,該層局部分布.

第2-1層：粉質(zhì)黏土.層底埋深1.00 m～3.60 m,厚度0.60 m～2.60 m,層底標(biāo)高16.86 m～21.14 m.黃褐色、可塑、干強(qiáng)度中等、韌性中等、稍有光澤,a1-2=0.30(MPa-1),為中壓縮性土,該層局部分布.

第3層：粉質(zhì)黏土.層底埋深3.20 m～6.10 m,厚度0.60 m～3.60 m,層底標(biāo)高15.10 m～18.22 m.黃褐色、可塑、干強(qiáng)度中等、韌性中等、稍有光澤.壓縮系數(shù)a1-2=0.27(MPa-1),為中壓縮性土,該層整個(gè)區(qū)均有分布.

第4層：粉土.層底埋深9.6 m～13.6 m,厚度0.40 m～8.1 m,層底標(biāo)高8.52 m～12.22 m,黃褐色、中密、濕、干強(qiáng)度低、韌性低、搖震反應(yīng)中等、無光澤,a1-2=0.18(MPa-1),為中壓縮性土,該層局部分布.

第4-1層：粉質(zhì)黏土.層底埋深8.30 m～12.30 m,厚度0.40 m～3.20 m,層底標(biāo)高9.82 m～13.84 m.黃褐色、可塑、干強(qiáng)度中等、韌性中等、稍有光澤.壓縮系數(shù)a1-2=0.30(MPa-1),為中壓縮性土,該層局部分布.

第5層：粉質(zhì)黏土.層底埋深14.00 m～17.70 m,厚度2.20 m～5.70 m，層底標(biāo)高4.26 m～8.17 m.黃褐色、可塑、干強(qiáng)度中等、韌性中等、稍有光澤.壓縮系數(shù)a1-2=0.21(MPa-1),為中壓縮性土,該層局部分布.

1.2 設(shè)計(jì)采用的參數(shù)

依據(jù)勘察報(bào)告,支護(hù)影響范圍內(nèi)巖土層的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

表1 巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of rock and soil layer

1.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮基坑周圍環(huán)境、開挖深度以及地層條件,本基坑開挖深度2.95 m～6.66 m,劃分為6個(gè)支護(hù)單元,1-1，5-5剖面采用雙排樁懸臂支護(hù)方案,2-2，3-3，4-4剖面采用單排懸臂、樁錨支護(hù)方案,6-6剖面采用放坡，坡面坡度1∶1.0.本基坑?xùn)|側(cè)道路荷載按均布40 kPa考慮,西側(cè)、北側(cè)道路及材料堆放及加工場(chǎng)地荷載按距離坡頂1.5 m均布30 kPa考慮,南側(cè)人行道荷載按距離坡頂1.5 m均布20 kPa考慮;基坑開挖底邊距離地下室變線按1.5 m考慮.坡面采用掛網(wǎng)噴射混凝土保護(hù),混凝土面層厚度60 mm,強(qiáng)度C 20,坡面設(shè)置長度1.00 m的1Φ14鋼筋固定鋼筋網(wǎng),豎向間距1.5 m,水平間距1.5 m.坡頂護(hù)坡寬度1.5 m,坡頂設(shè)置施工道路應(yīng)距離坡頂不小于1.5 m,坡頂每隔1.5 m砸入1Φ14鋼筋用以掛網(wǎng).

2 數(shù)值幾何模型的建立

2.1 土體本構(gòu)模型的選取

Midas GTS NXr軟件內(nèi)包含的線性模型有多種供選擇,如：Mohr-Coulomb Model(莫爾-庫倫模型)、Modified Cam-Clay Model(修正劍橋粘土模型)、Jointed Rock Mass Model(節(jié)理巖體模型)等.本構(gòu)模型需要根據(jù)工程的實(shí)際情況和基坑周圍土體的性質(zhì)選取[4].本文基坑的數(shù)值模型分析計(jì)算選用Mohr-Coulomb Model(莫爾-庫倫模型)本構(gòu)模型,因基坑周圍土體是連續(xù)且各向同性的彈塑性材料，莫爾-庫倫本構(gòu)模型在選取土體參數(shù)少的情況下,就可計(jì)算得出相對(duì)精確的結(jié)果.

2.2 模型的建立

由于本基坑工程的開挖面積較大,對(duì)整體進(jìn)行分析會(huì)比較繁瑣,所以本文對(duì)該基坑工程?hào)|側(cè)的1-1剖面進(jìn)行分析.1-1剖面區(qū)域的基坑開挖深度5.4 m，雙排樁的土體嵌固深度5.6 m,樁直徑0.8 m,樁間距1.5 m,前后排樁用0.6 m×0.6 m截面的連梁進(jìn)行連接,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C 30.經(jīng)過對(duì)本基坑工程實(shí)際情況分析并結(jié)合《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 120-2012)[5],得出本剖面開挖位置支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),重要性系數(shù)1.0,基坑使用期限為12個(gè)月.在基坑對(duì)周圍土體影響范圍的選取上,通常是從基坑坑壁邊界向周圍擴(kuò)大3倍～4倍的H(樁的長度)作為影響區(qū)域的邊界,所以模型的X方向(垂直于基坑側(cè)壁的方向)取70 m.深度范圍最大取3倍樁長的深度,所以Z方向(基坑垂直開挖方向)的取值為33 m,在Y方向(沿基坑側(cè)壁方向)共選取30根灌注樁,寬度取值為45 m.所以模型的計(jì)算尺寸為70 m×45 m×33 m.為了模型在運(yùn)算中收斂且結(jié)果準(zhǔn)確和節(jié)約時(shí)間,本文模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為：內(nèi)部網(wǎng)格尺寸為1.5 m,外部網(wǎng)格為2.5 m.基坑模型如圖2所示,支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示.

圖2 基坑三維模型Fig.2 3d model diagram of foundation pit

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Supporting structure model diagram

2.3 施工工況

建立模型時(shí)將基坑開挖共分5個(gè)施工步驟.

工況1,初始地應(yīng)力分析.此時(shí)基坑尚未開挖,需將原有土層放到激活欄中進(jìn)行激活,并且將自重和邊界約束激活,同時(shí)勾選位移清零.

工況2,進(jìn)行圍護(hù)樁、冠梁和連梁的施工,將灌注樁、冠梁和連梁進(jìn)行激活,同時(shí)添加灌注樁約束,避免出現(xiàn)約束不足,導(dǎo)致計(jì)算失敗.

工況3,基坑開挖至1.8 m處,將開挖1進(jìn)行鈍化.

工況4,基坑開挖至3.6 m處,將開挖2進(jìn)行鈍化.

工況5,基坑開挖至5.4 m處,將開挖3進(jìn)行鈍化.

2.4 水平位移變化分析

在施工過程中,基坑內(nèi)的土體隨著開挖的進(jìn)行坑底下部土體會(huì)逐漸卸除自重荷載,其應(yīng)力也會(huì)隨之發(fā)生改變,最后達(dá)到趨于平衡穩(wěn)定的狀態(tài),而且基坑不同位置所產(chǎn)生的水平位移值的大小和所受的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)不同，土體水平位移隨基坑開挖深度的變化也發(fā)生改變.該基坑開挖完成后模擬出的水平位移云圖如圖4所示.從圖4可以看出,土體水平位移值隨基坑開挖深度的逐漸加大而增大,基坑上部覆蓋的土體隨著開挖的進(jìn)行而逐漸減少,土體由原來的天然固結(jié)狀態(tài)變成了超固結(jié)狀態(tài),隨之土體的應(yīng)力發(fā)生釋放.基坑開挖完成后,基坑的最大水平位移為6.4 mm,本基坑的水平位移監(jiān)控值為15 mm，符合實(shí)際情況，同時(shí)最大位移量占基坑開挖深度的0.118 %,也符合基坑工程規(guī)范要求.一般情況下,在水平方向,離基坑開挖面的距離與水平位移值的大小呈減函數(shù)的關(guān)系.土體的水平位移值隨離基坑開挖面距離的增大而逐漸減小.

圖4 水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacement nephogram

2.5 沉降變化分析

在基坑開挖過程中,土體原來的應(yīng)力狀態(tài)受到外界的擾動(dòng),土體之前的平衡應(yīng)力狀態(tài)將進(jìn)行重新調(diào)整和分布后,再次出現(xiàn)應(yīng)力平衡狀態(tài),導(dǎo)致基坑周圍的土體發(fā)生豎向位移.該基坑開挖完成后模擬的豎向位移云圖如圖5所示.從圖5可以得出,隨基坑開挖深度的逐漸加大,基坑周圍地表的沉降量也在慢慢增大.基坑側(cè)壁周圍的土體沉降比較小,主要是土體內(nèi)灌注樁和基坑側(cè)壁噴射的混凝土面層二者對(duì)基坑側(cè)壁周圍邊緣的土體起到了阻礙沉降的作用.基坑的最大沉降量位置不是在基坑側(cè)壁附近,而是在基坑壁外側(cè)的一定距離處.觀察圖5可知,基坑的最大沉降量是13.8 mm,基坑沉降監(jiān)測(cè)報(bào)警值為30 mm,在安全范圍之內(nèi),同時(shí)也符合規(guī)范要求.

圖5 豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement cloud map

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素分析

雙排樁支護(hù)方式與其他支護(hù)方式相比其應(yīng)用時(shí)間稍晚,它是一種超靜定結(jié)構(gòu),其整體的剛度和穩(wěn)定性較好.不過影響雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素較多,如前后樁的長度、樁距、樁徑、土體嵌固深度以及排間距等，這些因素都需要在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中進(jìn)行考慮,如處理不當(dāng)則會(huì)對(duì)基坑工程的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等方面帶來影響.本文將在土體參數(shù)取值不變和相同模型的基礎(chǔ)上,只改變雙排樁的排距和樁間距這兩個(gè)因素,通過數(shù)值模擬分析樁自身位移的變化情況.

3.1 雙排樁排距的影響分析

對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)而言,前后排樁間距的設(shè)定在支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)是必須認(rèn)真思考的一項(xiàng)內(nèi)容.前后排樁取不同的間距值，會(huì)使雙排樁土壓力的分布發(fā)生改變,影響雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.若雙排樁的排間距過小,其自身的超靜定結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)得不到充分發(fā)揮,致使支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足；若雙排樁的排間距過大,需要更寬的連梁進(jìn)行連接,導(dǎo)致成本增加.本文以上述的模型為基礎(chǔ),選取2倍樁徑,3倍樁徑,4倍樁徑,5倍樁徑作為排間距進(jìn)行數(shù)值模擬,即此時(shí)的排間距為1.6 m,2.4 m,3.2 m,4 m，得到前后排樁位移圖，如圖6，圖7所示.

圖6 前排樁位移Fig.6 Displacement of front row piles

圖7 后排樁位移Fig.7 Displacement of backrow piles

從圖6和圖7可以看出，前后排樁的水平位移隨前后排間距的增加而慢慢減小，在樁底部位置,位移的減小速率在減少,由于樁的底部嵌固在粉性粘土中,土體對(duì)樁整體位移有一定的阻礙作用.樁排距過大,則位移的增加沒有太大變化,而排間距過小其位移的增加也并不明顯.還可以看出，排距過大或過小時(shí)，位移增加都不明顯，當(dāng)排距為3倍和4倍樁徑時(shí)，樁位移在深層處改變量較明顯，說明能較好發(fā)揮整體穩(wěn)定性高和超穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì).如是排間距設(shè)定太小,如為0則雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的作用一樣,對(duì)節(jié)約成本有些不利,若是排樁取值過大(>5d),后排樁會(huì)產(chǎn)生拉錨現(xiàn)象.

3.2 不同樁間距的影響分析

在不改變巖土層取值參數(shù)和幾何模型的條件下,改變其樁間距再進(jìn)行數(shù)值模擬,樁間距取2倍樁徑、3倍樁徑、4倍樁徑以及5倍樁徑(樁徑d=800 mm),分析其不同樁間距情況下的位移變化.具體情況如圖8,圖9所示.

圖8 前排樁位移Fig.8 Displacement of front row piles

圖9 后排樁位移Fig.9 Displacement of backrow piles

從圖8和圖9可以看出,前后排樁的水平位移與樁距的大小有關(guān),樁距越大,其樁身位移也越大.從樁受到土壓力角度分析,同一排樁間距增大時(shí),則每根樁周圍所受的滑動(dòng)土體積也增加,這時(shí)每根樁所受到土壓力值亦會(huì)增加,致使雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體變形加大,導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低.在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，若在支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)有限的空間內(nèi)增大樁間距，會(huì)使支護(hù)樁數(shù)量減少，這雖然節(jié)省了造價(jià)，但卻降低了整體支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，此時(shí)樁間距合理的取值變得尤為重要.

4 結(jié)論

本文對(duì)基坑工程南側(cè)1-1剖面進(jìn)行了數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果,對(duì)基坑開挖施工過程中水平位移和沉降情況進(jìn)行分析,并且改變雙排樁支護(hù)結(jié)果的影響因素，即樁距、前后排樁的間距和樁長,在原有模型基礎(chǔ)上改變條件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,所得結(jié)論如下：

(1) 基坑的變形量隨基坑開挖深度的加大而變大,基坑在開挖施工時(shí),要減緩每步與每步之間的開挖增量,如果開挖深度增加量較大,得不到及時(shí)支護(hù),會(huì)造成強(qiáng)開挖弱支護(hù)的后果.

(2) 在改變排間距時(shí),若排間距設(shè)計(jì)過小,此時(shí)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)與單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用效果相同；若排間距設(shè)計(jì)過大,此時(shí)后排樁對(duì)前排樁起到了拉錨作用,連梁的寬度也會(huì)增加,導(dǎo)致工程造價(jià)增加.

(3) 雙排樁樁間距的改變對(duì)其整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大的影響.當(dāng)樁間距不斷增大時(shí),雙排樁整體的水平位移也會(huì)逐漸加大.由于樁間距的加大,每根圍護(hù)樁所要承擔(dān)樁周圍滑動(dòng)土體的體積亦隨之增加,從而加大每根樁所承擔(dān)的土壓力,造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低.