圍護樁嵌固深度對“樁墻合一”結構穩(wěn)定性的影響分析

摘 要：為更全面地了解圍護樁嵌固深度對“樁墻合一”基坑結構體系受力變形特性的變化規(guī)律，運用FLAC3D軟件，探討基坑土體位移、樁身側向位移和彎矩以及地下室外墻側向位移和彎矩在不同圍護樁嵌固深度影響因素下的變化規(guī)律。數(shù)值模擬結果表明圍護樁嵌固深度的增大，可以有效控制土體水平位移，進而增強結構的穩(wěn)定性，但超出這一范圍，樁身內力將會增大；在一定范圍內增大圍護樁的嵌固深度，能夠改善樁身的變形與受力形態(tài)，且隨著圍護樁嵌固深度的增大，土體位移逐漸減小。

關鍵詞：圍護樁嵌固深度；樁墻合一；受力特性；變形特性；影響規(guī)律

中圖分類號：TU473.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0065-05

Abstract： In order to more comprehensively understand the variation law of the retaining pile embedded depth on the stress and deformation characteristics of the "pile-wall in one" foundation pit structure system， the FLAC3D software is used to discuss the soil displacement， pile lateral displacement and bending moment of the foundation pit， as well as the lateral displacement and bending moment of the basement outer wall under the influence factors of different retaining pile embedded depth. The numerical simulation results show that the increase of the embedded depth of the retaining pile can effectively control the horizontal displacement of the soil and enhance the stability of the structure， but beyond this range， the internal force of the pile will increase; increasing the embedded depth of the retaining pile in a certain range can improve the deformation and stress shape of the pile， and with the increase of the embedded depth of the retaining pile， the soil displacement decreases gradually.

Keywords： embedded depth of retaining pile; combination of pile and wall; mechanical characteristics; deformation characteristics; influence law

目前，我國大部分的深基坑工程仍采用以大量的灌注排樁、水平支撐或錨桿，作為臨時支護結構的常規(guī)支護方法，其中灌注排樁具有較大剛度，而在地下室施工完成后通常會被遺棄于地下，造成基坑周圍地層建筑垃圾堆積，大量建筑材料浪費，抬高了工程造價[1-2]。為更好地解決上述問題，提出了“樁墻合一”這一概念，即將原本廢棄的臨時圍護排樁用作主體地下結構的一部分，共同分擔永久使用階段荷載，變廢為寶。

目前，關于“樁墻合一”技術的研究不斷地發(fā)展與完善，并在工程實際中得到了大量的應用。王衛(wèi)東等[3]以上海市虹橋商務區(qū)核心區(qū)一期08地塊基坑工程為研究對象，提出了一種關于“樁墻合一”基坑結構體系的構造形式，并在基坑開挖階段、正常使用階段、抗震等多種工況下，進行“樁墻合一”的強度與耐久性設計計算。胡耘等[4]考慮到缺乏實測數(shù)據(jù)的支撐，因此開展了從基坑開挖至上部結構施工的“樁墻合一”結構體系應力實測，實測數(shù)據(jù)在分布規(guī)律上與理論計算結果具有較好的一致性。戴斌等[5]針對武漢十里鋪二期K4地塊基坑工程案例，通過采用“樁墻合一”等關鍵技術，在減薄地下室外墻厚度的同時取消常規(guī)的止水帷幕進行施工，不僅保證了基坑安全順利施工還有效控制了基坑的工期和造價。但是關于“樁墻合一”基坑結構體系正常使用階段在不同圍護樁嵌固深度影響因素下的受力變形特性規(guī)律鮮有研究。

因此，結合案例青島地鐵2號線二期主變電站基坑工程，運用FLAC3D軟件，通過建立“樁墻合一”基坑結構體系數(shù)值計算模型，對其在不同圍護樁嵌固深度影響因素條件下的受力變形特性的影響因素進行研究。

1 工程概況

青島地鐵2號線二期主變電站中A區(qū)基坑形狀類似于正方形形狀，其開挖面積約5 280 m2，基坑開挖深度為8 m。A區(qū)基坑西面為規(guī)劃用地，場地較為開闊；基坑北面圍墻向外擴約28 m，屬于綠化帶部分，場地內也較為開闊；基坑東面與B區(qū)相鄰，相鄰部位空間緊張；基坑南面圍墻外擴大約5 m。場地與周邊關系如圖1所示。由于基坑外部可用場地窄小，不適宜放坡，須采用排樁進行支護，而且該基坑距離居民樓較近，必須進行妥善支護，因此最終采用“樁墻合一”技術進行支護施工。地下室外墻厚度500 mm，采用鉆孔灌注樁作為支護樁，樁間距1.5 m，樁徑Ф1 000 mm，樁身混凝土強度等級C30，有效樁長16.3～22.3 m，樁位水平偏差小于50 mm，垂直度控制在0.5%之內。

2 數(shù)值計算模型的建立

由于A區(qū)基坑的對稱性，將其四分之一部分建立數(shù)值模型。取基坑開挖深度的2～4倍作為計算模型在豎直方向的土體計算深度，取基坑開挖寬度的3～4倍作為水平方向的計算范圍，由此，確定出土體模型的計算尺寸為66 m×66 m×40 m。模型劃分采用六面塊體網(wǎng)格（brick），劃分為7個土層，生成41 382個三維網(wǎng)格單元（zones），45 084個節(jié)點（grid-points），采用摩爾-庫侖模型本構模擬各個土層。土體網(wǎng)格建立如圖2所示。土體計算參數(shù)見表1。

2.1 “樁墻合一”基坑結構體系模型的建立

“樁墻合一”基坑結構體系模型如圖3所示。地下室外墻與圍護樁部分用結構單元進行模擬。地下室外墻尺寸為33 m×0.5 m×8 m，圍護樁樁長18 m，樁徑為1 m，樁間距為1.5 m，其中地下室外墻部分用襯砌（liners）單元進行模擬，而圍護樁部分用樁（piles）單元進行模擬，每根圍護樁由18個樁構件（pilesel）組成，樁底連接（link）未作特殊處理；地下室外墻與樁之間通過建立錨索（cables）結構單元進行連接，以模擬實際工程中兩者之間的加固件（鋼索或者鋼筋）。襯砌與樁單元參數(shù)見表2，錨索單元的參數(shù)見表3。

2.2 數(shù)值計算模型分析過程

2.2.1 基坑開挖階段

首先，使土體模型在自重應力的作用下進行初始平衡計算，模擬天然地應力場；其次，在初始平衡完成后，位移清零，開始沿基坑開挖，邊沿設置圍護樁，并進行基坑開挖?；娱_挖共分4步，每步開挖2 m。

2.2.2 基坑正常使用階段

1）正常使用階段荷載的來源。地下室外墻所承受的荷載，按作用方向可分為水平荷載和豎向荷載，從基坑開挖完，到其正常使用階段，地下室外墻所承受的水平荷ynVi6reS0UCYfiORwnJtyA==載，主要包括側向土壓力、地下水壓力及地面活荷載引起的側壓力。而地面活荷載中的地上結構施工自重荷載、車輛行走荷載以及材料堆放荷載等，最終將其等效為地下室外墻所受的豎向荷載。

2）正常使用階段圍護樁和地下室外墻監(jiān)測點設置。圍護樁布置如圖4所示。由于沿基坑周邊設置的圍護樁較多，因此分別選取基坑兩邊Z1和Z2號圍護樁為研究對象，并在地下室外墻Q1和地下室外墻Q2上設置與Z1和Z2號圍護樁相對應的監(jiān)測點。共設置19個監(jiān)測點對圍護樁進行檢測，從地下室外墻墻身自上而下設置9個位移監(jiān)測點，設置剪力、軸力、彎矩監(jiān)測點各8個，以監(jiān)測圍護樁和地下室外墻的位移、剪力和彎矩的變化。

圍護樁和地下室外墻監(jiān)測點的布置如圖5所示。圖5（a）為圍護樁監(jiān)測位置，Z1—Z19為樁單元節(jié)點，用來進行圍護樁位移的監(jiān)測，A1—A18為樁構件，用來進行圍護樁彎矩剪力的監(jiān)測。圖5（b）為地下室外墻監(jiān)測位置，B1—B9為襯砌單元節(jié)點，用來進行監(jiān)測點位移的監(jiān)測，P1—P8為襯砌構件，用來記錄監(jiān)測點的彎矩剪力等信息。

3）荷載的施加。在“樁墻合一”基坑結構體系數(shù)值模型中施加的均布荷載布置示意圖如圖6所示。在距離基坑開挖4 m處兩側的土體表面分別施加寬度為4 m的均布荷載，大小為10 kPa。在模型中分別對基坑土體位移、樁身側向位移、樁身彎矩、地下室外墻側向位移、地下室外墻彎矩進行分析。

3 數(shù)值模擬結果分析

為研究圍護樁嵌固深度對“樁墻合一”基坑結構體系在正常使用階段變形和內力的影響，分別取圍護樁嵌固深度為10、11、12和13 m進行模擬計算。

3.1 基坑土體水平位移

不同嵌固深度下基坑土體水平位移如圖7所示。從圖7中可以看出，當嵌固深度在10、11、12和13 m時，基坑支護面的頂層水平位移分別為2.40、1.96、1.93和1.55 mm。隨著圍護樁嵌固深度的不斷加大，基坑支護面在頂層的水平位移將不斷減小，說明圍護樁嵌固深度的增大可以有效提高圍護樁的支護強度，進而增強基坑的穩(wěn)定性。此外，當圍護樁的嵌固深度為11 m時，基坑支護面的水平位移減小幅度較大，而嵌固深度為13 m時，雖然基坑支護面的水平位移減小幅度也較大，但考慮到工程造價的影響，建議該基坑選擇圍護樁嵌固深度為11 m。

3.2 樁身側向位移

在不同嵌固深度下圍護樁Z1和Z2的樁身側移變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出，當嵌固深度為10、11、12和13 m時，圍護樁Z1的樁頂水平位移分別為20.22、18.31、17.27和16.10 mm，樁底水平位移分別為5.15、5.14、5.27和5.45 mm；圍護樁Z2的樁頂水平位移分別為20.79、19.75、17.74和16.89 mm，樁底水平位移分別為4.91、4.89、5.12和5.31 mm。因此，當圍護樁嵌固深度不斷增加時，其樁頂水平位移將不斷減小，樁底水平位移將不斷增大。由圖8還可看出，樁身側移約在基坑深14 m處出現(xiàn)變化，基坑深0～14 m時，增加圍護樁的嵌固深度，樁身的傾斜程度將不斷減小；基坑深14 m以下時，增加圍護樁的嵌固深度，樁身的傾斜程度將不斷增大，原因在于，增大了樁的嵌固深度，利于擋土強度的增加，減小了樁頂位移。因此，將圍護樁嵌固深度適度增大，能夠使樁頂位移減少，維持基坑的穩(wěn)定性。

3.3 樁身彎矩

不同嵌固深度下圍護樁Z1和Z2的樁身彎矩分布變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出，不同嵌固深度下圍護樁Z1和Z2的樁身彎矩分布曲線相似，由于結構和荷載具有對稱性，在同一嵌固深度下圍護樁Z1和Z2兩者的彎矩分布曲線對稱。當嵌固深度為10、11、12和13 m時，在基坑底部以下大約6 m處樁身的彎矩值最大，即彎矩峰值出現(xiàn)的位置約在基坑深14 m處。當圍護樁嵌固深度持續(xù)增加，圍護樁Z1和Z2的彎矩峰值逐漸增大，反方向彎矩峰值逐漸減小。由此看來，在一定范圍內增大圍護樁的嵌固深度，可以在一定程度上控制樁身變形，同時也使得樁身內力增大，抬高了工程造價。

4 結論

運用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析，改變圍護樁的嵌固深度、剛度、地下室外墻厚度等，研究了“樁墻合一”基坑結構體系在不同影響因素下的受力變形特性變化規(guī)律，得到以下結論。

1）在一定范圍內圍護樁嵌固深度的增加可以有效控制土體水平位移，進而增強結構的穩(wěn)定性，但超出這一范圍，樁身內力將會增大；且圍護樁嵌固深度適度增大，能夠使樁頂位移減少，維持基坑的穩(wěn)定性。

2）在一定范圍內增大圍護樁的嵌固深度，可以在一定程度上控制樁身變形，同時也使得樁身內力增大，提升了工程造價。

參考文獻：

[1] 蘭曙光.深圳地鐵羅湖站基坑支護結構體系有限元分析[D].西安：西安科技大學，2005.

[2] 常洪德.淺談深基坑支護中存在的問題及應對措施[J].山西建筑，2006，32（23）：125-126.

[3] 王衛(wèi)東，沈健.基坑圍護排樁與地下室外墻相結合的“樁墻合一”的設計與分析[J].巖土工程學報，2012，34（S1）：303-308.

[4] 胡耘，王衛(wèi)東，沈健.“樁墻合一”結構體系的受力實測與分析[J].巖土工程學報，2015，37（S2）：198-201.

[5] 戴斌，李靖，陳永才，等.復雜環(huán)境超大面積深基坑整坑實施設計與實踐[J].地下空間與工程學報，2022，18（5）：1658-1644.