二元结构岩土基坑吊脚桩支护设计数值之我见

刘汨军

摘要：基坑支护是当前建筑工程中常见的一种基础工作施工技术，其在实际应用中发挥着至关重要的作用，直接关系基础工程质量。在山地地区，经常会采用岩土二元结构基坑，在应用这种基坑时，会常涉及到吊脚桩的设计，需要通过施工特点进行数值模拟和分析，分别对该种设计方法的安全稳定性、桩体深度、桩脚锚杆轴力及岩肩宽度等影响因素进行研究和分析。本文就二元结构岩土基坑吊脚桩支护设计数值展开讨论，针对吊脚桩工程特点，分别对与设计计算相关的影响因素进行分析研究。

关键词：二元结构；岩土基坑；吊脚桩支护；设计数值

随着社会经济不断发展，城市化进程不断加快，城市高层建筑和超高层建筑如雨后春笋般拔地而起，地下空间的利用成为必然，这也使得基坑工程的数量越来越多。一元结构基坑，在支护设计计算理论方面较为成熟，设计与施工安全快速，而且其稳定性验算较为容易，但是岩土二元结构基坑的支护设计却是一个难题，在实际工程中，设计人员经常不考虑下层基岩，而是使用传统的方法来计算上层土体开挖的支护设计，对于下层基岩多依靠自身经验进行开挖，这种方法的风险性较大。针对这种情况，本文就二元结构岩土基坑吊脚桩支护设计进行分析和研究。

一、支护结构设计计算理论

（一）计算方法及模型

基坑支护设计计算方法包括：静力平衡法、土抗力法、连续介质有限元法。

首先，静力平衡法，即经典法，就是通过土力学理论，来计算挡墙上的主动与被动土压力，最后通过该方法来计算挡墙的受力并以此设计挡墙结构。由于挡墙上的荷载是通过传统土压力理论来确定的，但是主被动土压力则是依据土体的极限状态来推导出来的，对土体与支护结构的相互作用及施工对土体的扰动没有得到充分考虑。早期，这种经典方法在基坑支护设计中得到广泛应用，而当前已经被弹性地基梁法所取代，但是该种方法在计算空间开挖问题上还是相当成熟的。

其次，土抗力法，经典法假定了基坑内侧的土抗力为被动土压力状态，对于有内支撑的支护结构，采用经典法计算，常假定支撑力与支撑刚度系数无关，在使用上有一定的限制，所以，该种方法逐渐被土抗力法所取代，在我国《建筑基坑支护技术规程》中明确推荐弹性地基反力法进行计算。弹性地基梁法计算的要点是，在挡墙位移过程中需要良好的控制条件，基坑内侧无法达到完全被动状态，所以，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，将外侧主动土压力作为水平荷载施加在墙体上，用弹性地基梁理论计算挡墙的变形与内力。土体对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模拟，支锚结构也用弹簧模拟。

当前，在土木工程计算中应用最广泛的模型有两类，即弹塑性模型和弹性非线性模型，两种模型都反映了土体的非线性应力与应变关系。传统的弹塑性模型在计算分析中较快，但该种模型只能进行一些简单初步的分析；而非线性弹性模型在各类岩土工程计算中相较于弹塑性模型较为成熟。弹塑性Hardening—Soil模型作为一种先进的模型，其能够对不同类型的土体行为进行模拟，这种模型运用的是非线性弹性模型所依据的标准排水三轴试验的双曲线模型，但是随着弹塑性Hardening—Soil模型的完善和提高，已经取代了双曲型模型。原因包括：弹塑性Hardening—Soil模型是塑性理论，不是弹性理论，充分考虑了土体的剪胀性；同时引入了屈服帽盖。对于下层岩土，均可视为均质线弹性体，利用线性弹性模型进行模拟。

（二）有限元数值分析

1.土体初始应力的生成

土体初始应力是土体开挖前本身存在的应力作用，这种应力场是由于长期地质作用不断变化形成的，包括自重应力和构造应力。土体初始应力会应材料容重和土体形成历程而受到一定影响，其应力状态一般用 表征。初始水平有效应力 通过侧向土压力系统K0和初始竖向有效应力确定，可以表示为：

通常情况下，在有限元设计计算软件中的初始应力可以通过 生成，也能够应用重力荷载来生成。在初始点上的初始应力应结合该位置的材料容重与 的值来计算并得出结果：

在上述公式中， 表示土体的容重，hi表示土层厚度；Pw表示应力点上的初始孔隙水压。

二、工程案例分析

某火车站兴建站房工程，上部结构为3层，地下结构为1层，局部为2层，各片区的基础埋深均存在一定的差异，基础最低出建筑标高为17.1m。基坑开挖的面积较大，地下室面积约为24200㎡，周长约2500m。根据工程实际情况，可以将基坑开挖划分为4平面区域，即I区、II区、III区、IV区。将I区作为本文数值分析的对象。

（一）支护设计方案

根据工程地质条件和周边环境，该工程支护结构设计选用桩锚支护结构，采用灌注桩作为支护桩，灌注桩要嵌入基岩2m以上，各桩的距离保持在1.2m，入岩深度应在0.5m以上，锚杆间距为2.5m，钻孔直径控制在标准范围内，下层岩层使用简单的土钉进行支护，注意保证土钉质量及操作过程中角度、倾角以及支撑岩肩的预留大小。

（二）有限元模型的建立

首先，对有限元模型的建立进行假设：基坑开挖采用平面应变模型；围护结构及支撑锚杆为弹性受力状态，围护桩体用无厚度弹性板模拟；施工开挖过程中引起的土体应力变化不予以考虑。

其次，施工阶段的模拟，由于该工程基坑支护设计具备对称性，所以选取其基坑平面设计的一部分来建立模型，将距离开挖面100m作为水平向影响范围，下层岩土，将距离基地以下15m作为影响范围，模型竖直边界采用水平向约束，水平底面边界采用竖直向约束，施工开挖分为4各步骤，第一步是放坡开挖第一层土体并达到一定标高为止，还需设置施工支护桩机第一道锚杆；第二步是延续第一步的进程继续开挖第二道锚杆的标高，并设施第二道锚杆；第三步施工是开挖土体至下层基底岩面，设置第三道锚杆；第四步施工是爆破岩石，放坡开挖至基底设计标高。有限元模型见图一。

（三）结果分析

第一，桩身嵌入岩层深度计算。当基坑开挖至10m以上时，计算上层土体开挖时桩身需嵌入岩层的深度。对桩身嵌入岩层的深度取3m左右进行模拟分析，其他设计尺寸和参数保持不变。经几何模拟图进行分析后，结果表明，要想保证基坑的稳定性，桩身嵌入岩层的最小深度应控制在1.4m，但是随着嵌固岩层的深度不断增加，支护桩的变形得不到明显的减小，弯矩变化也不够明显，这是因为桩体嵌入的是花岗岩岩层，嵌入固力较大，使得嵌入深度无法满足桩体稳定和位移的要求，进而产生变形和弯矩变化不大的情况。可见，对上层土体开挖支护采用传统设计方法是可行的，在设计过程中，将支护桩嵌入岩层深度控制在2m以上，就能够满足上层土体开挖时对基坑稳定性的要求。

第二，预留岩肩宽度的影响，经几何模拟图分析表明，随着岩肩宽度增加，桩体水平位移明显减小，从无岩肩到岩肩宽度大于一定数值时，对位移的影响较小。岩肩宽度越大，桩体弯矩越大，位移变化规律一致，当宽度达到一定数值时，其影响作用不明显。弯矩增大是由于桩体整体位移减小。使得主动土压力增大，弯矩增大。因此，在实际工程中，应将岩肩宽度作为重要影响因素加以考虑。

三、结语

综上所述，在本文论述和工程案例分析中，对二元结构岩土基坑设计，其上层土体开挖可以采用传统设计计算方法进行设计，计算桩身嵌入岩层深度，以此判断上层土体开挖时，基坑支护是否满足其稳定性的要求。预留岩肩宽度时，要有效控制支护结果的位移大小。总之，在本文研究中，采用弹塑性Hardening—Soil模型对二元结构岩土基坑设计进行有限元数值模拟分析，结果与实测结构较为接近，可作为解决这种特殊设计计算的计算依据。

参考文献：

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