双排桩支护结构的影响因素分析

刘 帅，安 征，李向群，李宗效*

1吉林建筑大学 测绘与勘察工程学院,长春 130118 2中交一公路局路桥华祥国际工程有限公司，北京 100010

0 引言

我国是快速发展中国家,国民经济逐年提升,城市化进程也在逐步推进,这使城市人口在短时间内迅速增长,导致城市人口生存空间不足,建设用地出现了紧张现象.为了有效地解决这一难题,多层居民楼和多样化的地下建筑大量出现，如地铁车站、地下停车场、地下超市和地下工业建筑等[1].基坑开挖施工的难度在随着基坑周围环境的复杂程度而增加,如今的建筑所在位置通常情况是在城市中,城市人口密集,基坑周围有时会存在各种建筑物和地下管道、线路等,这些影响因素无疑是在加大基坑开挖施工的难度,若发生安全事故则会带来严重的后果和无法估计的经济损失[2].随着计算机时代的到来,通过有限元分析软件对基坑工程的结构设计进行优化,进而对基坑开挖时周围土体的位移控制,对支护结构构建的尺寸和距离进行合适取值,最后达到设计合理并且施工可行和节约成本的目的.

本文以该基坑工程南侧的1-1剖面进行数值模拟分析,该区域采用的是双排桩支护方案.利用Midas GTS NX数值模型软件对该剖面建立三维的几何模型,模拟基坑开挖与双排桩施工的过程,分析不同工况下基坑周围土体的水平位移和沉降变化的状况,进行变化性的规律总结[3].影响双排桩支护结构变形的因素有很多,本文针对不同前后桩的桩间距、双排桩桩距以及桩长影响因素进行模拟,分析其水平位移的变化情况,得到最优的排间距、桩距以及桩长的选取范围,达到增强双排桩支护结构稳定性和低造价的目的.希望能为今后类似的双排桩支护结构的设计和施工提供有价值的参考.

1 工程概况

该工程位于某市齐河城南纬16度与北纬17度,黄河大道以西,交通方便,基坑开挖形状为类似矩形,基坑南北长约312 m,东西宽约110 m～220 m,本工程采用绝对标高,基坑周边地面整平标高20.2 m～23.6 m,基坑坑底标高为16.94 m～17.85 m,开挖深度为2.95 m～6.66 m，其中拟建8栋31层～33层住宅楼及整体地下车库,住宅楼采用桩基-筏板基础,剪力墙结构,车库采用筏板基础,框架结构.基坑平面支护布置图如图1所示.

图1 基坑平面支护布置图Fig.1 Foundation pit plane support plan

1.1 工程地质条件

拟建场区在地貌单元上属于黄河下游冲积平原,微地貌形状为缓平坡地,场地平整,场地第四系地层自上而下分述如下：

第1层：素填土.层底埋深0.50 m～4.50 m,厚度0.504 m～4.5 m,层底标高17.67 m～21.84 m.主要成分为粉土及粉质粘土碎块,夹少量碎石、砂砾等建筑垃圾.

第2层：粉土.层底埋深1.00 m～5.70 m,厚度0.60 m～4.60 m,层底标高15.04 m～21.07 m.黄褐色,中密、湿、干度中等、韧性低、摇震反应中等、无光泽,压缩系数a1-2=0.19(MPa-1),为中压缩性土,该层局部分布.

第2-1层：粉质黏土.层底埋深1.00 m～3.60 m,厚度0.60 m～2.60 m,层底标高16.86 m～21.14 m.黄褐色、可塑、干强度中等、韧性中等、稍有光泽,a1-2=0.30(MPa-1),为中压缩性土,该层局部分布.

第3层：粉质黏土.层底埋深3.20 m～6.10 m,厚度0.60 m～3.60 m,层底标高15.10 m～18.22 m.黄褐色、可塑、干强度中等、韧性中等、稍有光泽.压缩系数a1-2=0.27(MPa-1),为中压缩性土,该层整个区均有分布.

第4层：粉土.层底埋深9.6 m～13.6 m,厚度0.40 m～8.1 m,层底标高8.52 m～12.22 m,黄褐色、中密、湿、干强度低、韧性低、摇震反应中等、无光泽,a1-2=0.18(MPa-1),为中压缩性土,该层局部分布.

第4-1层：粉质黏土.层底埋深8.30 m～12.30 m,厚度0.40 m～3.20 m,层底标高9.82 m～13.84 m.黄褐色、可塑、干强度中等、韧性中等、稍有光泽.压缩系数a1-2=0.30(MPa-1),为中压缩性土,该层局部分布.

第5层：粉质黏土.层底埋深14.00 m～17.70 m,厚度2.20 m～5.70 m，层底标高4.26 m～8.17 m.黄褐色、可塑、干强度中等、韧性中等、稍有光泽.压缩系数a1-2=0.21(MPa-1),为中压缩性土,该层局部分布.

1.2 设计采用的参数

依据勘察报告,支护影响范围内岩土层的设计参数见表1.

表1 岩土层设计参数Table 1 Design parameters of rock and soil layer

1.3 基坑支护结构设计

综合考虑基坑周围环境、开挖深度以及地层条件,本基坑开挖深度2.95 m～6.66 m,划分为6个支护单元,1-1，5-5剖面采用双排桩悬臂支护方案,2-2，3-3，4-4剖面采用单排悬臂、桩锚支护方案,6-6剖面采用放坡，坡面坡度1∶1.0.本基坑东侧道路荷载按均布40 kPa考虑,西侧、北侧道路及材料堆放及加工场地荷载按距离坡顶1.5 m均布30 kPa考虑,南侧人行道荷载按距离坡顶1.5 m均布20 kPa考虑;基坑开挖底边距离地下室变线按1.5 m考虑.坡面采用挂网喷射混凝土保护,混凝土面层厚度60 mm,强度C 20,坡面设置长度1.00 m的1Φ14钢筋固定钢筋网,竖向间距1.5 m,水平间距1.5 m.坡顶护坡宽度1.5 m,坡顶设置施工道路应距离坡顶不小于1.5 m,坡顶每隔1.5 m砸入1Φ14钢筋用以挂网.

2 数值几何模型的建立

2.1 土体本构模型的选取

Midas GTS NXr软件内包含的线性模型有多种供选择,如：Mohr-Coulomb Model(莫尔-库伦模型)、Modified Cam-Clay Model(修正剑桥粘土模型)、Jointed Rock Mass Model(节理岩体模型)等.本构模型需要根据工程的实际情况和基坑周围土体的性质选取[4].本文基坑的数值模型分析计算选用Mohr-Coulomb Model(莫尔-库伦模型)本构模型,因基坑周围土体是连续且各向同性的弹塑性材料，莫尔-库伦本构模型在选取土体参数少的情况下,就可计算得出相对精确的结果.

2.2 模型的建立

由于本基坑工程的开挖面积较大,对整体进行分析会比较繁琐,所以本文对该基坑工程东侧的1-1剖面进行分析.1-1剖面区域的基坑开挖深度5.4 m，双排桩的土体嵌固深度5.6 m,桩直径0.8 m,桩间距1.5 m,前后排桩用0.6 m×0.6 m截面的连梁进行连接,混凝土强度等级为C 30.经过对本基坑工程实际情况分析并结合《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120-2012)[5],得出本剖面开挖位置支护结构安全等级为二级,重要性系数1.0,基坑使用期限为12个月.在基坑对周围土体影响范围的选取上,通常是从基坑坑壁边界向周围扩大3倍～4倍的H(桩的长度)作为影响区域的边界,所以模型的X方向(垂直于基坑侧壁的方向)取70 m.深度范围最大取3倍桩长的深度,所以Z方向(基坑垂直开挖方向)的取值为33 m,在Y方向(沿基坑侧壁方向)共选取30根灌注桩,宽度取值为45 m.所以模型的计算尺寸为70 m×45 m×33 m.为了模型在运算中收敛且结果准确和节约时间,本文模型的网格尺寸设定为：内部网格尺寸为1.5 m,外部网格为2.5 m.基坑模型如图2所示,支护结构模型如图3所示.

图2 基坑三维模型Fig.2 3d model diagram of foundation pit

图3 支护结构模型Fig.3 Supporting structure model diagram

2.3 施工工况

建立模型时将基坑开挖共分5个施工步骤.

工况1,初始地应力分析.此时基坑尚未开挖,需将原有土层放到激活栏中进行激活,并且将自重和边界约束激活,同时勾选位移清零.

工况2,进行围护桩、冠梁和连梁的施工,将灌注桩、冠梁和连梁进行激活,同时添加灌注桩约束,避免出现约束不足,导致计算失败.

工况3,基坑开挖至1.8 m处,将开挖1进行钝化.

工况4,基坑开挖至3.6 m处,将开挖2进行钝化.

工况5,基坑开挖至5.4 m处,将开挖3进行钝化.

2.4 水平位移变化分析

在施工过程中,基坑内的土体随着开挖的进行坑底下部土体会逐渐卸除自重荷载,其应力也会随之发生改变,最后达到趋于平衡稳定的状态,而且基坑不同位置所产生的水平位移值的大小和所受的应力状态也会不同，土体水平位移随基坑开挖深度的变化也发生改变.该基坑开挖完成后模拟出的水平位移云图如图4所示.从图4可以看出,土体水平位移值随基坑开挖深度的逐渐加大而增大,基坑上部覆盖的土体随着开挖的进行而逐渐减少,土体由原来的天然固结状态变成了超固结状态,随之土体的应力发生释放.基坑开挖完成后,基坑的最大水平位移为6.4 mm,本基坑的水平位移监控值为15 mm，符合实际情况，同时最大位移量占基坑开挖深度的0.118 %,也符合基坑工程规范要求.一般情况下,在水平方向,离基坑开挖面的距离与水平位移值的大小呈减函数的关系.土体的水平位移值随离基坑开挖面距离的增大而逐渐减小.

图4 水平位移云图Fig.4 Horizontal displacement nephogram

2.5 沉降变化分析

在基坑开挖过程中,土体原来的应力状态受到外界的扰动,土体之前的平衡应力状态将进行重新调整和分布后,再次出现应力平衡状态,导致基坑周围的土体发生竖向位移.该基坑开挖完成后模拟的竖向位移云图如图5所示.从图5可以得出,随基坑开挖深度的逐渐加大,基坑周围地表的沉降量也在慢慢增大.基坑侧壁周围的土体沉降比较小,主要是土体内灌注桩和基坑侧壁喷射的混凝土面层二者对基坑侧壁周围边缘的土体起到了阻碍沉降的作用.基坑的最大沉降量位置不是在基坑侧壁附近,而是在基坑壁外侧的一定距离处.观察图5可知,基坑的最大沉降量是13.8 mm,基坑沉降监测报警值为30 mm,在安全范围之内,同时也符合规范要求.

图5 竖向位移云图Fig.5 Vertical displacement cloud map

3 支护结构的影响因素分析

双排桩支护方式与其他支护方式相比其应用时间稍晚,它是一种超静定结构,其整体的刚度和稳定性较好.不过影响双排桩支护结构稳定性的因素较多,如前后桩的长度、桩距、桩径、土体嵌固深度以及排间距等，这些因素都需要在双排桩支护结构设计和施工中进行考虑,如处理不当则会对基坑工程的质量和经济效益等方面带来影响.本文将在土体参数取值不变和相同模型的基础上,只改变双排桩的排距和桩间距这两个因素,通过数值模拟分析桩自身位移的变化情况.

3.1 双排桩排距的影响分析

对双排桩支护结构而言,前后排桩间距的设定在支护方案设计时是必须认真思考的一项内容.前后排桩取不同的间距值，会使双排桩土压力的分布发生改变,影响双排桩支护结构的安全性和稳定性.若双排桩的排间距过小,其自身的超静定结构的优势得不到充分发挥,致使支护结构稳定性不足；若双排桩的排间距过大,需要更宽的连梁进行连接,导致成本增加.本文以上述的模型为基础,选取2倍桩径,3倍桩径,4倍桩径,5倍桩径作为排间距进行数值模拟,即此时的排间距为1.6 m,2.4 m,3.2 m,4 m，得到前后排桩位移图，如图6，图7所示.

图6 前排桩位移Fig.6 Displacement of front row piles

图7 后排桩位移Fig.7 Displacement of backrow piles

从图6和图7可以看出，前后排桩的水平位移随前后排间距的增加而慢慢减小，在桩底部位置,位移的减小速率在减少,由于桩的底部嵌固在粉性粘土中,土体对桩整体位移有一定的阻碍作用.桩排距过大,则位移的增加没有太大变化,而排间距过小其位移的增加也并不明显.还可以看出，排距过大或过小时，位移增加都不明显，当排距为3倍和4倍桩径时，桩位移在深层处改变量较明显，说明能较好发挥整体稳定性高和超稳定的优势.如是排间距设定太小,如为0则双排桩支护结构与单排桩支护结构所发挥的作用一样,对节约成本有些不利,若是排桩取值过大(>5d),后排桩会产生拉锚现象.

3.2 不同桩间距的影响分析

在不改变岩土层取值参数和几何模型的条件下,改变其桩间距再进行数值模拟,桩间距取2倍桩径、3倍桩径、4倍桩径以及5倍桩径(桩径d=800 mm),分析其不同桩间距情况下的位移变化.具体情况如图8,图9所示.

图8 前排桩位移Fig.8 Displacement of front row piles

图9 后排桩位移Fig.9 Displacement of backrow piles

从图8和图9可以看出,前后排桩的水平位移与桩距的大小有关,桩距越大,其桩身位移也越大.从桩受到土压力角度分析,同一排桩间距增大时,则每根桩周围所受的滑动土体积也增加,这时每根桩所受到土压力值亦会增加,致使双排桩支护结构的整体变形加大,导致支护结构稳定性降低.在双排桩支护结构设计时，若在支护现场有限的空间内增大桩间距，会使支护桩数量减少，这虽然节省了造价，但却降低了整体支护结构稳定性，此时桩间距合理的取值变得尤为重要.

4 结论

本文对基坑工程南侧1-1剖面进行了数值模拟,根据模拟结果,对基坑开挖施工过程中水平位移和沉降情况进行分析,并且改变双排桩支护结果的影响因素，即桩距、前后排桩的间距和桩长,在原有模型基础上改变条件进行数值模拟,对其结果进行对比分析,所得结论如下：

(1) 基坑的变形量随基坑开挖深度的加大而变大,基坑在开挖施工时,要减缓每步与每步之间的开挖增量,如果开挖深度增加量较大,得不到及时支护,会造成强开挖弱支护的后果.

(2) 在改变排间距时,若排间距设计过小,此时双排桩支护结构与单排桩支护结构的作用效果相同；若排间距设计过大,此时后排桩对前排桩起到了拉锚作用,连梁的宽度也会增加,导致工程造价增加.

(3) 双排桩桩间距的改变对其整体支护结构的稳定性会产生较大的影响.当桩间距不断增大时,双排桩整体的水平位移也会逐渐加大.由于桩间距的加大,每根围护桩所要承担桩周围滑动土体的体积亦随之增加,从而加大每根桩所承担的土压力,造成围护结构稳定性降低.