水泥土桩止水帷幕对深基坑整体稳定性的影响分析

左 伟，叶洪东，魏东波

(1.中煤地质工程有限公司，北京 100040； 2.河北工程大学，河北 邯郸 056038)

0 引言

水泥土桩止水帷幕因造价低、效果好被广泛应用于桩锚支护深基坑中。规范中仅考虑了帷幕的隔水作用[1]，但通过学者研究[2-5]，帷幕对基坑开挖有一定的影响：陈鹏飞[6]分析了帷幕深度、弹性模量等对基坑变形的影响，得出了它们之间的作用关系；张柳[7]通过数值分析研究了帷幕位置、弹性模量及厚度对基坑位移和土钉轴力的影响，验证了帷幕对基坑开挖的作用；赵敏[8]研究了不同帷幕深度对基坑周边地表沉降的影响，得出了帷幕深度与地表沉降的关系。本文结合工程实例，通过数值模拟方法分析了帷幕深度、排数对桩锚支护深基坑整体稳定性的影响；并对比分析了帷幕采用实体式与格栅式的区别。

1 工程概况

本工程位于北京市朝阳区百子湾，于2016年3月开始由北京建工集团承建施工。建筑场地的地貌属于永定河冲洪积扇的中下部。据场地勘查资料，自然地形比较平坦，地面标高为33.30～35.00m，地下稳定水位埋深约为6m，基坑影响范围共有9层土，各土层及其物理力学指标见表1。

基坑开挖深度为13.62m，平面形状大致为矩形，长约320m，宽约200m。基坑采用桩锚支护，排桩采用现浇钢筋混凝土桩，长为19m，直径为0.8m，间距为1.6m。在地表以下3、6.5、10m处各设一道锚杆，上、中、下三道锚杆自由段长度分别为6.5、5、5m；锚固段长度分别为18.5、21和17m；倾角均为15°；预应力分别为220、310、290kN。帷幕采用水泥土桩，直径为0.8m，搭接距离为0.2m，与排桩的净距为0.2m。

2 数值模型的建立

2.1 模型尺寸及参数的确定

本文选用ABAQUS软件建立数值模型， 模型尺寸长×宽×深为：90m×16m×40m，在长度方向上，基坑内尺寸为35m，基坑外尺寸取55m。本文中土体、帷幕的本构模型均选用摩尔库伦模型，模型如下图1所示：

表1 土体物理力学性质指标及帷幕参数

图1 模型Figure 1 Model

2.2 水泥土桩布置模式

本文中提到的水泥土桩两种布置模式如图2、图3所示：

图2 实体式布置模式Figure 2 Solid arrangement mode

图3 格栅式布置模式Figure 3 Grid arrangement mode

图2中，水泥土桩布置成1至4排分别对应模式1至模式4；图3中，水泥土桩布置成2至4排分别对应模式5至模式7。

3 数值计算及结果分析

3.1 帷幕深度对基坑整体稳定性的影响

水泥土桩布置成模式2，深度值分别取：14.5、16、19、22、25、27.5、30m。模拟结果如图4所示：

图4 H-Ks关系Figure 4 H-Ks relationship

(a) (b)图5 帷幕与破面坏关系Figure 5 Relationship between curtain and failure face

图4中h为排桩深度，如该图“h=原桩长”曲线所示：H25后，Ks不变。Hh后，如图5(a)所示，帷幕穿过了原破坏面(H25m后Ks不变。

为了验证上述模拟结果，将h改为16m，再次改变帷幕深度，模拟结果如图4中“h=16m”曲线所示，h=16m与h=原桩长时的Ks的变化规律相同，由此验证了上述模拟结果的正确性。在工程中，当帷幕设计深度略小于排桩深度时，可将帷幕深度增加到超出排桩深度一部分(本文中为31.6%)并适当考虑帷幕对基坑整体稳定性的影响。

3.2 水泥土桩排数对基坑整体稳定性的影响

根据上述模拟结果，水泥土桩深度取25m，分别布置成模式1至模式4进行模拟，并与不设帷幕时进行对比。模拟结果如图6所示：

图6 N-Ks关系Figure 6 N-Ks relationship

图7 S-Ks关系Figure 7 S-Ks relationship

如图6中“实体式”曲线所示：Ks随着N增加而增大，当N>2后，Ks增量减小。由上文可知，无帷幕时破坏面深度稍大于排桩深度；N=1时，如图5(a)所示，帷幕穿过了原破坏面(无帷幕时的破坏面)与此处土体共同抗剪，分担了部分荷载，故此时的Ks大于原Ks，但由于帷幕强度较小，与土体共同发生了剪切破坏，所以此时破坏面深度小于帷幕深度。当N=2时，帷幕穿过了N=1时的破坏面，故此时的Ks大于N=1时的Ks，由于帷幕强度较大未发生剪切破坏，所以此时破坏面深度增加到了稍大于帷幕深度处。N=3时，帷幕深度小于N=2时破坏面深度，但由于N增大帷幕有一部分横向穿过了N=2时的破坏面，如图5(b)所示，这也使Ks增大，但作用较小，Ks增量也较小。N=4时，部分帷幕横向穿过了N=3时的破坏面，此时Ks仍略有提高。在工程中，当地下水位较高、土体渗透性较强且要求帷幕深度较大时，可布置成双排水泥土桩止水帷幕，并将帷幕深度设计成超出排桩深度一部分，并应适当考虑帷幕对基坑整体稳定性的影响。

3.3 格栅式布置时两排水泥土桩净距对基坑整体稳定性的影响

水泥土桩深度取25m，布置成模式5，两排水泥土桩之间的净距分别取1、2、3、4m，模拟结果如图7所示。当桩间净距大于2m后，继续增加对基坑整体稳定性影响不大，故在后文中，格栅式布置时两排水泥土桩净距取2m。

3.4 格栅式布置与实体式布置对比分析

水泥土桩深度取25m，两排水泥土桩的净距取2m，分别布置成模式5至模式7进行模拟，模拟结果如图6中“格栅式”曲线所示。两者Ks的变化规律大致相同，但N≥2后采用格栅式布置时的Ks比实体式布置时的Ks大，差值大约为16%。采用格栅式布置与实体式布置相比，帷幕刚度大，坑壁位移小，故基坑整体稳定性更好。水泥土桩布置成模式5时与无帷幕时相比，Ks增长了43%，所以在工程中，当要求布置两排水泥土桩止水帷幕且深度较大时，可布置成格栅式，将帷幕深度设计成超出排桩深度一部分，并适当考虑帷幕对基坑整体稳定性的影响比较合理。

综合上述，帷幕深度、排数对基坑整体稳定性均有较大的影响；格栅式布置与实体试相比更利于基坑稳定。在设计时，应合理考虑帷幕对基坑整体稳定性的影响，如果条件合适，应尽量采用格栅式布置帷幕。

4 结论

1)帷幕深度小于排桩深度时，整体稳定性系数随帷幕深度的增加而增大，但增量很小；帷幕深度大于排桩深度后，增量变大；帷幕深度大于某值后，整体稳定性系数不变。进行帷幕设计时，合理增加帷幕深度可提高基坑整体稳定性。

2)整体稳定性系数随水泥土桩排数增加而增大，但水泥土桩超过两排后，整体稳定性系数增量很小。在设计中，需要布置双排水泥土桩止水帷幕时，应适当考虑帷幕对基坑整体稳定性的影响。

3)同条件下，水泥土桩采用格栅式布置比采用实体式布置对基坑稳定性更有利，在工程中，可根据实际情况合理选用这两种布置形式。

4)水泥土桩对桩锚支护深基坑整体稳定性有一定的影响，若在设计时适当考虑，则可为支护结构分担部分荷载，从而降低成本。