基坑連續(xù)變形阻斷單元雙排樁設(shè)置方式與效果分析

張海波

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

21 世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化率逐年穩(wěn)步提高，這導(dǎo)致了城市人口集中現(xiàn)象。因此，城市出現(xiàn)了許多高層及超高層建筑，為了保證建筑的安全，基坑就變得越深，而對(duì)應(yīng)的深基坑工程也將面臨更嚴(yán)峻的支護(hù)問(wèn)題。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是由前、后排樁與連梁組成的，由于其側(cè)向剛度大、支護(hù)深度深、整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在深基坑工程中應(yīng)用廣泛[1-4]。劉堅(jiān)[5]根據(jù)實(shí)際工程，依托有限元分析軟件Midas GTS 建模并優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力情況，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好效果。陳哲光[6]采用模型試驗(yàn)的方式研究了雙排樁中后排樁樁間距改變對(duì)整個(gè)組合支護(hù)體系的影響。趙騰越[7]采用數(shù)值模擬的方式，從雙排樁樁基變形出發(fā)，考慮了基坑開挖、樁徑及土體參數(shù)等因素的影響。Wang[8]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了雙排樁的樁體彎矩和土壓力。Wang[9]研究得到土體強(qiáng)度、土供效應(yīng)、CFG 復(fù)合地基的影響、樁梁協(xié)同效應(yīng)和基坑空間效應(yīng)對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要作用。

綜上所述，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深受研究者的重視。但是在基坑支護(hù)中，上述研究多在整體或某一區(qū)域布置雙排樁，并且繼續(xù)優(yōu)化樁徑樁距等參數(shù)，這使得造價(jià)較高。對(duì)此，需要研究出一種支護(hù)方式既能降低成本又能保證安全。因此，本文根據(jù)實(shí)際工程，在基坑整體采用單樁支護(hù)時(shí)，考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)變形和破壞的阻斷方式。故此局部采用雙排樁支護(hù)作為單排樁變形和破壞的阻斷單元，并考慮了雙排樁后排樁數(shù)量和阻斷單元效果的關(guān)系，可以為實(shí)際工程應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于平陽(yáng)縣水頭鎮(zhèn)，東面為水頭自來(lái)水二廠，西面為居民區(qū)，南面距離大灘路約200m。擬建項(xiàng)目規(guī)劃用地面積約15 092m2，總建筑面積約58 805m2，地下建筑面積約13 529m2，主要建筑物為4 幢住宅樓，層數(shù)為24F，設(shè)一層整體地下室?；娱_挖深度約4.3～5.0m，采用鉆孔灌注樁排樁支護(hù)，局部采用雙排樁支護(hù)，采用水泥土攪拌樁止水。由于基坑平面尺寸大，基坑邊長(zhǎng)超過(guò)140m，基坑發(fā)生連續(xù)性破壞的風(fēng)險(xiǎn)高，因此排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和破壞的控制是本項(xiàng)目的重點(diǎn)。

2 數(shù)值模型與模擬方法

2.1 基本假定

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，有如下基本假定：（1）同一種材料為均質(zhì)、各向同性；（2）土體為理想彈塑性材料；（3）樁為彈性體；（4）不考慮土體的排水固結(jié)；（5）不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)的影響

2.2 土體和結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 土體參數(shù)

土體參數(shù)參照工程勘測(cè)報(bào)告，如表1 所示。

表1 土體參數(shù)

2.2.2 支護(hù)和冠梁參數(shù)

本模型雙排樁不同的阻斷單元形式如圖1～3 所示。樁和冠梁均采用C30 混凝土，彈性模量為30Gpa，泊松比為0.25。止水帷幕距離樁表面為0.7m，埋深為冠梁表面往下7.7m，彈性模量為200kPa。前后排支護(hù)樁沿X 方向由左至右編號(hào)分別依次為前-#1～#29、后-#1～#3。冠梁尺寸為0.9m′0.7m（b′h），樁直徑為0.6m，前排樁間距為0.9m，后排樁間距為1.8m，前后排樁間距為2.6m，連梁尺寸為0.6m′0.7m（b′h）。

圖1 項(xiàng)目周邊環(huán)境

圖2 基坑支護(hù)剖面圖

圖3 雙排1 樁阻斷單元

2.3 模擬方法

2.3.1 模型建立

根據(jù)地勘報(bào)告及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，截取一部分基坑，如圖4所示，使用Midas GTS 建立幾何模型。然后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，土體和止水帷幕采用實(shí)體單元，樁、冠梁和連梁采用梁?jiǎn)卧捎酶唠A次線性四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最后，進(jìn)行邊界約束，下方約束xyz 三個(gè)方向位移，左右約束x 向位移，后面約束y 向位移，前面采用對(duì)稱邊界，約束樁繞z 向轉(zhuǎn)動(dòng)，約束冠梁和連梁繞xy 向轉(zhuǎn)動(dòng)，添加自重。

圖4 雙排2 樁阻斷單元

2.3.2 開挖過(guò)程模擬

具體模擬步驟見表2。

表2 開挖過(guò)程模擬步驟

2.4 工況介紹

具體模擬工況如表3 所示。

表3 工況介紹

3 雙排樁-后排樁數(shù)量增加情況下阻斷單元效果

3.1 基坑開挖過(guò)程中位移的變化

基坑開挖至坑底時(shí)，A4 前排樁#15 的樁身水平位移如圖4所示，后排樁#2 的樁身水平位移如圖5 所示。從圖4 可知，基坑開挖深度越深，樁水平位移越大，并且樁頂和樁底位移較小，坑底附近位移較大。主要原因是采用雙排樁支護(hù)時(shí)，前排樁樁頂通過(guò)連梁和后排樁樁頂固結(jié)，約束了前排樁樁頂位移，而樁底受到被動(dòng)土壓力約束，位移也就比較小，坑底主要是基坑開挖卸荷導(dǎo)致的位移較大。從圖5 可知，樁端水平位移較大，且隨著基坑開挖深度的增加，水平位移也持續(xù)變大。這是因?yàn)楹笈艠稑俄敍](méi)有水平約束，呈現(xiàn)出單排樁支護(hù)的特點(diǎn)。這符合雙排樁支護(hù)前后排樁的變形特征。

圖5 雙排3 樁阻斷單元

3.2 基坑開挖完成后樁位移變化

工況一，不同阻斷形式的前排樁#16 的水平位移如圖5 所示，前排各樁在整體標(biāo)高-4.03m 處的水平位移如圖6 所示。從圖5 可以看出樁的最大水平位移在坑底附近。這符合基坑開挖對(duì)圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)影響的基本特征[10]。另外圖中結(jié)果還反映了采用雙排阻斷的形式優(yōu)于單排樁，A1～A4 的最大水平位移分別為5.74mm、5.18mm、5.19mm、5.16mm，A2 的水平位移比A1減少了9.76%。但是后排樁根數(shù)增加對(duì)加強(qiáng)區(qū)內(nèi)樁水平位移大小的影響較小。從圖6 中可以得到，隨著后排樁根數(shù)的增加擴(kuò)大了前排樁“位移減少區(qū)”。這說(shuō)明后排樁數(shù)量增加情況下阻斷單元效果并不明顯，但是可以應(yīng)用于基坑局部超挖或者局部土質(zhì)較差的位置，提升抗側(cè)剛度，減少該區(qū)域的位移，保證安全。

圖6 有限元模型

3.3 基坑開挖完成后樁彎矩和軸力變化

工況一，不同阻斷形式的前排樁#15 的彎矩如圖7 所示，軸力如圖8 所示。從圖7 可以看出樁#15 的彎矩呈現(xiàn)“S”形，兩個(gè)反彎點(diǎn)彎矩的絕對(duì)值都隨著后排樁數(shù)量增加而減小，這說(shuō)明后排樁數(shù)量的增加有利于保證前排阻斷區(qū)樁的強(qiáng)度，提升其穩(wěn)定性。圖8 樁#15 軸力值反映了該樁受壓，并且在坑底附近軸力變化較大。隨著后排樁數(shù)量的增加，前排樁#15 軸力反應(yīng)為坑底以上軸力增大，坑底以下軸力減小。這說(shuō)明采用雙排樁阻斷單元設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整阻斷區(qū)前排樁截面積提升抗壓強(qiáng)度，以保證基坑支護(hù)安全。

圖7 A4 前排#15 樁位移

圖8 A4 后排#2 樁位移

圖9 樁#16 水平位移（Y 向）

圖10 整體標(biāo)高-4.03m 處前排各樁水平位移（Y 向）

圖12 樁#15 軸力

4 結(jié)論

本文基于實(shí)際工程，采用局部雙排樁作為單排樁連續(xù)性破壞和變形的阻斷單元，并考慮了后排樁數(shù)量對(duì)開挖過(guò)程中阻斷區(qū)范圍內(nèi)樁的位移以及開挖結(jié)束后阻斷區(qū)范圍內(nèi)樁的位移和內(nèi)力進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：

（1）雙排樁隨著后排樁數(shù)量的增加可以擴(kuò)大前排樁的；“位移減少區(qū)”，但是對(duì)于該區(qū)域內(nèi)的前排樁位移的降低程度有限。

（2）采用雙排樁阻斷單元的方式，從位移和內(nèi)力的結(jié)果來(lái)看，后排樁數(shù)量?jī)筛容^合理。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在基坑整體采用單樁支護(hù)時(shí)，局部采用雙排樁阻斷單元可以較好地控制連續(xù)性變形和破壞。