排桩与土钉墙联合支护基坑变形数值模拟

俞海波，王红雨，王卫东，刘亚琴

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.中国石油化工集团公司 中原建设工程有限公司，河南 濮阳 457000)

排桩与土钉墙联合支护基坑变形数值模拟

俞海波1,2，王红雨1，王卫东2，刘亚琴2

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021；2.中国石油化工集团公司 中原建设工程有限公司，河南 濮阳 457000)

运用有限元分析软件 PLAXIS，对采取桩锚与土钉墙联合支护的银川市天玺国际中心项目深基坑变形进行了数值模拟计算。计算模型采用15结点三角形单元模拟土体，土体按照实际情况分为7层，用注浆体模拟混凝土面层，用板单元模拟排桩，用点对点锚杆和土工格栅的组合来模拟土钉。计算结果表明:排桩与土钉墙联合支护结构中，在2种支护形式交接处变形量较大，说明基坑支护材料的刚度对基坑变形影响显著；随着基坑的开挖，边坡的变形量逐渐增大，且坡顶最终变形量大于坡底。将模拟结果与现场监测数据进行了对比分析，得出了类似深基坑变形的一般性规律及以控制变形为目的的改进支护加固方案。

深基坑联合支护；排桩与土钉墙；变形量；数值模拟；有限元

随着经济的发展，银川地区基坑工程规模不断增加，这对银川地区深基坑工程的支护提出了更高的要求，多种支护结构联合支护也应运而生。银川地区采用多种支护结构形式联合支护的深基坑会越来越多，其施工过程中基坑的变形成为重点关注的问题[1-3]。本文运用有限元分析软件 PLAXIS，对采取排桩与土钉墙联合支护的银川市天玺国际中心项目深基坑工程进行了数值模拟计算，以便为当地类似深基坑工程实践提供参考。

1 工程概况

1.1 工程位置

银川天玺国际中心项目地位于银川市兴庆区北京中路北侧，凤凰北街东侧，济慈巷南侧。场地东侧为海宝小区，东南侧为宁夏出版集团大楼。

1.2 工程特点

银川市天玺国际中心项目深基坑开挖深度-17.0 m，中间机房挖深-21.7 m。该项目基坑工程是银川地区目前已建及在建工程中基坑最深的工程，因此在银川地区具有代表性。基坑工程采用排桩与土钉墙联合支护方案，降水采用基坑四周打井降水、基坑内降水、局部轻型井点降水相结合的组合降水方案。

1.3 气象水文条件

地下水位受当地降水及灌溉情况影响，根据银川地区降水及灌溉情况，勘察期间为枯水季节。勘察时实测稳定水位埋深6.00 m左右(以孔口原始地坪开始计算)，因此模拟的初始水位设在-6.00 m[4]。水位高程在1 102.80 m左右，水位无明显地下径流趋势，周边无施工降水影响。

1.4 工程场地土层分布

根据勘察现场记录，结合室内土工试验结果，在本场区勘察深度范围内，除上部填土外，其下均为第四系黄河冲积相堆积地层，无特殊性岩土。整个场区地层自上而下可分为下述主要几层，现分层描述如下：

(1) 杂填土：原建筑场地整平时堆填的杂填土、碎砖块、炉渣等，平均厚1.6 m。

(2) 素填土：以黏性土为主，局部为粉土，厚1.8～2.7 m，平均厚2.1 m。

(3) 粉土：黄褐色，稍湿，稍密-中密，低于强度，低韧性，平均厚1.3 m。

(4) 粉质黏土层：褐色-砖红色，稍湿，可塑-硬塑状，岩芯较完整，中等-高干强度，平均厚1.7 m。

(5) 粉细砂层：上部有少量粉砂，中下部为细砂，中密-密实，平均厚9.0 m。

(6) 粉土层：黄褐色-灰褐色，饱和，很湿，平均厚3.2 m。

(7) 细砂层：黄褐色-灰褐色，密实，随深度增加其密实度和强度亦随之提高，平均厚16 m。

1.5 排桩与土钉墙联合支护

本基坑支护采用复合土钉墙及排桩组合结构支护方案。基坑支护西侧剖面图见图1。

表1 土体特性及参数Table 1 Characteristics and parameters of soils

表2 模拟构件特性及参数Table 2 Characteristics and parameters of simulation components

图1 基坑支护西侧剖面图Fig.1 West profile of support structure of foundation pit

基坑上部采用1∶0.4放坡土钉墙支护，下部采用排桩支护结构。锚孔采用直径160 mm机械成孔，面层厚80 mm的C20混凝土，锚栓头采用14#槽钢焊接，预应力锚索采用张拉机拉拔，面层内挂φ6.5@200×200钢筋网，基坑坡顶均布荷载是20 kPa。上部土钉墙锚杆采用φ18@1 500布置;下部排桩预应力锚索L=16 m间距2 400 mm布置，桩长13.5 m，桩间距1.2 m，桩径800 mm。坡顶为距基坑1 m自然地面位置，冠梁位置位于土钉墙与排桩交接处，坡底位置位于排桩与基坑开挖面交界处，如图1。在排桩与土钉墙联合支护结构中，土钉部分使得土体得到加固和补强，相应的侧壁土压力减小，桩体嵌固深度较小，锚杆预应力水平降低；桩体较大的强度和刚度，使土钉支护结构内部稳定性和整体稳定性更易于满足要求，另由于排桩支护结构施工早，强度的预先形成，可显著降低基坑变形提高土钉的施工速度，缩短工期[5]。

2 有限元数值模拟

2.1 模拟边界的选取

根据该基坑工程的实际尺寸,取土层边界为深35 m，宽40 m。由于该工程两边支护结构基本相同，在建立几何模型时只选模型的一半，即以基坑西南边坡剖面为研究对象[6]。几何模型底部施加完全固定约束，两测边界施加滑动约束。

2.2 数值模拟参数的确定

数值模拟参数的确定直接影响模拟计算结果，是模拟过程的关键环节。本次模拟参数选取根据本工程岩土勘查报告，具体模拟参数如表1、表2所示。

2.3 计算模型

本次模拟计算模型采用15结点三角形单元模拟土体，土体按照实际情况分为7层，用注浆体模拟混凝土面层，用板单元模拟排桩，用点对点锚杆和土工格栅的组合来模拟土钉[6-7]。网格划分精度选择中等粗糙程度,并对排桩、土钉及混凝土面层部附近的网格进行局部加密。地下水位初始设置在地下6 m，并随开挖面的降低而设置新的水位，计算水位按低于基坑开挖面2 m综合进行考虑。计算模型和网格划分如图2所示。

图2 结构计算网格Fig.2 Computational grids of the structure

3 数值模拟结果分析及建议

3.1 基坑变形监测

由天玺国际中心项目监测技术报告，基坑监测点布设在坡顶共20个，分别编号为PDJCD1,PDJCD2,…,PDJCD20。目前已埋设20个，支护桩共布设监测点28个, 分别编号为GLJCD1,GLJCD2,…,GLJCD28。监测点由基坑北边坡顺时针依次编号，具体监测点点位分布见图3。

注：图中右侧矩形为已存在建筑物。 图3 银川天玺国际中心项目基坑监测点平面分布Fig.3 Plane layout of monitoring points in the foundation pit of Yinchuan Tianxi International Center Project

3.2 变形监测结果

由于监测数据繁多，所以列举部分代表时间段监测数据(有些监测点随施工进度依次埋设)，删除了监测点的实际坐标值，只列举最终累积变化值。由于该工程是在建工程，目前还没有坡底的监测数据，但根据坡顶及冠梁处的监测数据同样可以体现该基坑的变化规律。坡顶及冠梁处监测点变形量如图4所示，Δx为累计水平变形量;Δy为累计竖直变形量;ΔD为累计总位移量，监测变形量单位为mm。

图4 坡顶和冠梁处监测点变形量Fig.4 Monitored deformations of slope top and top beam

通过观测数据分析表明：在开挖过程中，支护结果的变形主要表现为倾斜和平移。但当基坑开挖超过一定深度时，由于2种支护结构刚度的不同，在2种支护结构交界处(即冠梁处附近)产生较大变形。当对支护结构中设置水平锚杆并进行部分张拉后，弯曲变形很快得到控制并出现较大反弹，期间由于土体的扰动还出现了累计变形量减小的现象。基坑边坡顶部土体个别监测点出现明显位移。基坑监测点累积水平位移量最大发生在GLJCD17点处，水平位移量为82.8 mm，速率为-0.2 mm/d，累积竖直位移最大量发生在GLJCD19，竖向位移量为88.7 mm，速率为0.5 mm/d。基坑累计位移量最大点为GLJCD19处，累计位移量已达到89.4 mm。

3.3 数值模拟计算结果

本工程数值模拟计算由7个施工阶段组成 。整个开挖过程分7个施工阶段进行开挖支护 ,每阶段定义为1个工况分步进行模拟计算，每工况开挖到达深度分别为2,4,8,10,12,14,17 m。最终水平位移云图和分布步开挖变形曲线图如图5、图6所示。

图5 最终水平位移云图 Fig.5 Cloud image of the final horizontal deformation

图6 分步开挖变形曲线Fig.6 Curves of deformation vs. excavation steps

3.4 数值模拟计算结果分析

由图6可知，数值模拟得到的最大变形量为81 mm与实测变形数据89 mm比较可得，计算结果符合实际情况。虽然模拟结果最大位移发生在均布荷载下远离支护结构的远端，但基坑边坡及基坑底部变形在9 cm以下，并保持很好的稳定，如图5所示。

通过图5可发现，在土钉墙与排桩支护交界的地方发生了很大的变形位移，最大水平位移达到80.6 cm。这一模拟计算结果与实际监测数据非常吻合，说明本次模拟可靠，能够达到预测变形的目的。

在2种支护结构交界处发生了很大变形，是因为交界处支护面的刚度发生突变。说明支护材料的刚度对基坑边坡变形有很大影响。所以在实际工程中，采用2种不同支护形式交界处应更谨慎处理。必要时应对交界处附近进行加固。

通过图5可以发现地层变形具有一定的分层性,并且整体变形趋势明显。结合图6可知，边坡虽然有56 cm左右的沉降，但水平位移较之更大。因此，在该地区类似实际工程中对基坑监测时对水平位移也需要更加注意，选择监测方案时应该采用对水平位移更精确的方案。

通过图6可以发现随着基坑的开挖，边坡的变形量逐渐增大，且坡顶最终变形大于坡底。但其间变形有可能向负方向进行，这与实际监测数据中变形量出现负值吻合。说明开挖对边坡的扰动明显，其间边坡变形的方向不一定一致，但总体趋势一致。

基坑底部有最大9 cm的隆起，但排桩附近基坑隆起变形明显减少，说明排桩支护对基坑隆起起到了很好的抑制作用。基坑以上土体由于开挖卸载产生沉降,沉降作用由地表向下传递。

4 结 论

本文以银川市城区某在建深基坑工程为研究对象，利用有限元模拟软件PLAXIS模拟开挖的过程，计算基坑变形，对基坑的围护结构变形性状进行了一定的分析研究，主要得出结论如下：

(1) 桩锚与土钉墙联合支护结构中，在2种支护形式交接处变形量较大，说明基坑支护材料的刚度对基坑变形影响显著，在2种支护形式交界处(本工程在混凝土面层与排桩冠梁交界附近有材料刚度的突变)设计及施工时应该采取必要的加固措施。

(2) 随着基坑的开挖，边坡的变形量逐渐增大，且坡顶最终变形量大于坡底。但其间变形有可能向负方向进行，说明开挖对边坡的扰动明显，其间边坡变形的方向不一定一致，但总体趋势一致。所以在实际施工中应该采取措施尽量减少开挖对边坡的扰动。在监测过程中，减少监测间隔，对监测点出现的负值及无变化的点不能忽视。

(3) 本工程地质条件相对比较稳定，基坑水平变形位移相对沉降较大，水平位移大于沉降，监测时应该选用对水平位移观测更加精确的方案。

[1] 王晓燕.银川市城市空间发展战略研究[D].武汉:武汉大学，2005.

[2]王东会,贾苍琴,阎锡东. 我国深基坑工程发展简述[J]. 工业建筑,2014,(S1):742-745.

[3] JGY 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[4] 刘彩云. PLAXIS岩土工程软件使用指南[M].北京:人民交通出版社，2010.

[5] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[6] 马 平,申 平,秦四清,等.深基坑桩锚与土钉墙联合支护的数值模拟[J].工程地质学报,2008，16(3):402-407.

[7] 杨志银，张 俊，王凯旭．复合土钉墙技术的研究及应用[J] ．岩土工程学报,2005，27(2)：153-156.

(编辑：赵卫兵)

Numerical Simulation on Deformation of Excavation Pit Supportedby Row Piles and Soil Nailing

YU Hai-bo1,2, WANG Hong-yu1, WANG Wei-dong2, LIU Ya-qin2

(1.School of Civil Engineering and Water Conservancy, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2.Zhongyuan Construction Engineering Corporation,Sinopec Group, Puyang 457000, China)

The deformation of deep excavation pit supported by row piles and soil nailing at Tianxi International Center of Yinchuan was simulated by using PLAXIS software. The calculation model was established by using a 15-node triangular element to simulate the soil that was divided into seven layers, and the concrete surface layer was simulated with grouting element, the row of piles was simulated with plate element and the soil nail was simulatedby using the combination of point anchor and geo-grid. Calculation results showed that large deformation was found at the junction of two supporting forms, which indicated that the rigidity of the support structure had remarkable influence on the deformation of the excavation pit. The deformation of pit slope increased gradually with the increasing of excavation depth, and the final deformation at top of slope was greater than that of the bottom.Through comparison between simulation result and monitored result, some common laws of foundation pit deformation were concluded.

joint support of deep excavation pit; row of piles and soil nailing wall; deformation; numerical simulation;finite element

2015-10-13；

2015-11-03

俞海波(1989-)，男，安徽巢湖人,硕士研究生，主要从事结构工程方面的研究，(电话) 18239383175 (电子信箱)289857795@qq.com。

王红雨(1961-)，男，宁夏银川人，教授，博士,主要从事岩土工程方面研究，(电话)13995171216 (电子信箱)why.nxts@163.com。

10.11988/ckyyb.20150853

2017,34(3):96-99，105

TV223.2

A

1001-5485(2017)03-0096-04