排桩框架组合支护结构在圆形深基坑中的应用

张友波

(江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江 212021)

随着城市建设的不断发展，越来越多的管线被有规划的安置于地下[1-2]。顶管施工作为非开挖技术，在工程中得到广泛应用。考虑到线路检修，一般每隔一段距离就会设置一个竖向工作井[3-4]。工作井常用的支护形式包括：地下连续墙、重力式土拱、钻孔灌注桩等，钻孔灌注桩与环梁组成排桩框架式组合支护结构由于其良好的支护效果和相对成熟的施工技术在镇江地区广泛使用。在设计时，工作井的形状、大小和深度又根据其功能的不同往往存在一定差异。圆形工作井[5-6]由于其良好受力特性和较大的空间利用率在工程中得到广泛应用，然而其在设计上依然采用传统平面计算方法，未能充分考虑圆形支护结构的空间效应，因此有必要对圆形深基坑的设计方法进行深入研究。

理正深基坑是一款常用的深基坑设计软件，计算时将圆形基坑简化为具有内支撑的计算剖面，其中内支撑的计算刚度和竖向间距按照工程经验取值。周建采用该方法对某泵房圆形深基坑开挖变形进行预测，通过与监测结果对比，验证了该计算方法的正确性，但其忽略了内支撑刚度及竖向间距取值对计算结果的影响。

伴随着计算机技术的发展，有限单元法得到了广泛应用。对于排桩框架式组合结构，在有限元建模常采用板单元或梁单元来模拟支护桩。李志南将咬合灌注桩圆形支护壁简化为圆柱壳模型，对施工过程中支护壁的受力情况进行了分析，该模型虽然较好的考虑了圆形深基坑的空间拱效应，但其并未考虑空间拱效应的强弱，忽略了桩与桩之间是否有效传力的问题；张家国采用梁单元模拟支护桩，建立了三维分析模型，并将模拟结果与模型试验结果进行对比，计算结果与试验结果存在一致性，说明了将支护桩简化为梁单元的分析方法在砂卵石地层中对圆形基坑具有良好的适用性。然而对于同一工程，分别采用梁单元和板单元模拟支护桩，并对其计算结果差异性进行对比的相关研究较少。因此，有必要从模型选择的角度对圆形深基坑支护效果进行分析。

本文以镇江市某圆形深基坑工程为背景，利用理正深基坑软件和MIDAS GTS软件，分别建立了圆形深基坑的二维计算模型、梁单元模拟支护桩和板单元模拟支护桩的三维有限元模型。通过对3种模型计算结果中桩身水平位移、弯矩、剪力以及环梁支撑轴心应力的分析，得出了各个模型的适用条件，并对其产生差异的原因进行了分析，以期为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

该圆形深基坑为镇江市某泵房竖井，位于新河西岸路东侧，运粮河西侧岸坡(运粮河与长江支流连通)。基坑规模：基坑整体呈圆形，竖井外径18.6m；场地整平标高7.45m，坑底设计标高-17.10m，基坑开挖深度为24.55m。

综合考虑，本工程采用直径为1.2m的钻孔灌注桩+冠梁+5道混凝土环梁的支护方案，灌注桩外侧采用双重高压旋喷桩设置止水帷幕，坑底采用4排高压旋喷桩加固。冠梁截面尺寸为：1400mm×1000mm，设置标高为6.45m；混凝土环梁1、2截面尺寸为：800mm×1000mm，设置标高分别为2.45m和-1.55m；环梁3截面尺寸为：800mm×1100mm，设置标高为-5.55m；环梁4、5的截面尺寸为：900mm×1300mm，设置标高分别为-9.55m和-13.55m。在基坑开挖过程中，为保证基坑支护安全性，应在确定冠梁、环梁强度满足设计要求后方可进行下一步施工，以保证排桩、环梁的空间效应充分发挥。

2 分析模型

2.1 平面计算模型

理正深基坑计算剖面中，土层参数按照地勘报告取值，支护结构参数按设计要求取。考虑到圆形基坑中环梁支撑刚度取值困难的问题，先采用平面分析的方法确定支撑刚度。具体实施方式如下：①采用同济启明星结构软件BSC，按照桩间距采用内切正多边形建立对应的分析模型；②输入对应的环梁截面尺寸，完成材料定义；③添加100kN的径向荷载F，完成附加荷载定义；④计算出环梁的平均水平位移S，并按照公式：E=F/S计算出内支撑的结构刚度。

2.2 有限元几何尺寸

该圆形深基坑模型直径取钻孔灌注桩轴心直径20.2m，开挖深度取24.55m，止水帷幕宽度取高压旋喷桩有效宽度0.9m。考虑到边界条件对模型分析结果的影响，分析模型计算宽度取190m（3倍的基坑开挖深度），模型高度取80m，建立对应的分析模型（如图1）。在模型底部设置X、Y、Z三个方向的水平约束，在两侧分别设置X、Y方向的水平约束，以模拟土体在地层中的约束情况。考虑到施工机械、材料堆场对基坑的影响，在基坑四周设置20kPa的竖向施工荷载。

图1 有限元分析模型

2.3 单元参数

土体采用摩尔—库伦本构模型，对应的抗剪强度参数按照地勘报告中的固结快剪参数取值，泊松比按照工程经验取值，弹性模量按照地勘报告中5倍的压缩模量取值。对应的土层参数如表1、表2所示。

表1 土层参数表

表2 结构单元参数表

2.4 施工工况

施工工况定义：①激活土体单元，添加边界条件和自重荷载，位移清零，完成初始应力场平衡；②激活桩单元或者板单元，添加桩土界面和施工荷载；③开挖土层至6.45m，激活冠梁；④开挖土层至2.45m，激活第一道支撑；⑤开挖土层至-1.55m，激活第二道支撑；⑥开挖土层至-5.55m，激活第三道支撑；⑦开挖土层至-9.55m，激活第四道支撑；⑧开挖土层至-13.55m，激活第五道支撑；⑨开挖土层至坑底标高-17.10m。

3 计算结果分析

3.1 桩身水平位移分析

如图2所示，桩身的水平位移随着基坑开挖深度的增加而不断增大，且在开挖到坑底时达到最大值。当基坑开挖至-1.5m时，由于坑顶采用了放坡支护，因此产生了较大的水平位移；当基坑开挖至-5.5m时，圆形基坑中的冠梁被简化为水平支撑，约束了桩顶的水平位移，因而桩顶位移变化较小；随着基坑不断开挖，坑外土体产生的侧向土压力也不断增加，支护桩产生的水平位移也越来越大。当开挖至坑底时，桩身出现了最大的水平位移30.85mm，该位移主要由两种位移组合而成，一种是基坑开挖过程中累计传递的位移，一种是坑底较大侧向土压力产生的位移。基坑底部由于被动区土压力的作用，桩身水平位移逐渐减少，最后在桩底趋于0。

图2 二维计算桩身水平位移

如图3所示，随着基坑不断开挖，桩身最大水平位移不断增加，且其出现位置也不断下移，当开挖至基坑底部时，桩身在坑底出现最大水平位移。桩身变形的总体趋势为：在坑顶的位移较小，然后水平位移沿着基坑深度方向不断增加，在坑底达到最大值，然后又逐渐减小。总体趋势与二维模拟中桩顶有位移而桩底没有位移的情况正好相反，分析原因：在三维有限元模拟过程中，第一步放坡开挖，开挖面形成上大下小的圆锥体，具有明显的空间效应，而平面计算则不可以考虑圆形放坡带来的空间效应，因此二维计算的桩顶位移较大而三维计算中的桩顶位移较小。随着基坑的不断开挖，环梁逐渐施工，支护桩与环梁组成了圆形排桩框架支护结构，圆形排架较好的空间效应，提高了开挖面以上支护结构的整体刚度，此时支护桩的水平位移主要来源于基坑开挖过程中，桩身产生的累积变形。坑底以下，由于没有环梁的水平约束作用，排桩之间没有形成可靠的圆形空间排架，因此抵抗水平变形的刚度较小；坑底被动区土体变形产生的土压力虽然可以逐渐抵消主动区土体的侧向土压力，但其相对较小的刚度使得桩身仍产生了一定的水平位移，因此在三维模拟中出现了桩顶位移较小而桩底有相对较大位移的情况。

图3 梁单元模拟支护桩水平位移

对比不同工况下的桩身最大水平位移，随着基坑的不断开挖，桩身产生的最大水平位移呈线性增加，但其增加的幅值存在差异，对应大小关系为：二维计算>梁单元模拟支护桩>板单元模拟支护桩。对于完全考虑空间拱效应的板单元模拟支护桩的桩身水平位移较小；采用梁单元模拟支护桩的空间排架结构，其空间拱效应介于两者之间。排桩与环梁组合形成排桩框架组合结构，具有良好的空间效应，但其网格大小又限制了空间拱效应的完全发挥，随着网格不断缩小，排桩框架可以简化为板单元，更好的传力路径和更优的结构特性，使得圆形支护结构的空间拱效应得到了充分发挥，因而板单元模拟支护桩的空间拱效应强于梁单元模拟支护桩的空间拱效应。

3.2 环梁轴力结果分析

平面计算中内支撑的最大压应力总体是随着基坑开挖深度的增加而增大，在最后一道支撑开挖时出现突变。分析原因，前6次开挖过程中，考虑到环梁的施工，因此都设置了超挖土层0.5m，开挖深度实际达到了4.5m，而在坑底开挖时，开挖深度仅为3.05m，较大的开挖深度差异使得环梁支撑受力产生差异，因此，工况8为最不利工况。

通过对支撑压应力随基坑开挖深度的增加而变化的趋势分析，发现：基坑开挖会对最新施工的支撑n产生较大的压应力，而n-1、n-2道支撑压应力则会减少，对于n-3、n-4…道支撑的影响较小。分析原因，理正软件在进行平面计算时，充分考虑了桩土之间的变形协调，因此下一道支撑的受力会一定程度上减小上两道支撑的受力。

如图4所示，梁单元模拟支护桩的分析模型中，环梁支撑承受的最大压应力随着基坑开挖深度的增加而不断增大，在坑底时达到最大压应力9.9MPa。分析原因，随着基坑深度的增加，桩身承受的侧向土压力不断增加，环梁提供的支反力也更大，因此环梁承受的轴向压应力也更大。通过对环梁压应力变化趋势的分析，发现随着基坑的开挖，各个环梁受力变化趋势较小，这与平面计算的结果存在差异。空间拱效应的存在使得桩土变形协调关系与平面分析结果存在差异，空间圆拱使得下部支撑对于上部支撑的影响减小。

图4 梁单元模拟支护桩环梁轴心压应力

由图5可知，环梁受力随着基坑开挖深度的增加而不断增大，在坑底开挖时达到最大值，且基坑开挖仅对最新施工的环梁支撑受力有影响，对其他支撑受力的影响较小。分析原因：板单元模拟支护桩充分发挥了圆形基坑的空间拱效应，支护桩本身较大的抗侧刚度，减少了圆环支撑的受力，因此环梁具有较小的轴心压应力。空间拱效应的充分发挥，使得板单元水平方向承受了一定的压应力（2.78MPa），因此模型分析时，应充分考虑排桩之间是否可以充分传力的问题。

图5 板单元模拟支护桩环梁轴心压应力

对比3种分析模型中环梁最大压应力大小，发现其关系为：梁单元模拟支护桩（9.9MPa）>平面计算（8.5MPa）>板单元模拟支护桩(1.8MPa)。因此，建议对平面单元计算中的环梁压应力依据工程情况予以适当的放大，其放大系数应控制在1.1～1.2之间。板单元模拟支护桩中，虽然环梁具有较小的压应力，但是板单元之间存在一定的压应力，因此，在模型分析时，应充分考虑实际结构中桩与桩之间是否可以充分传力的问题。

4 结论

针对特定的圆形深基坑工程，采用3种不同的分析方法对其结构稳定性进行分析和讨论，得出以下结论：

（1）通过分析发现：排桩框架平面单元计算的桩身位移、弯矩、剪力>梁单元模拟支护桩>板单元模拟支护桩的计算结果，且其大小之间存在一定线性关系。建议对平面计算的桩身水平位移、弯矩、剪力进行折减，对应的折减系数为0.45～0.85。

（2）通过对环梁支撑轴向应力的分析，发现梁单元模拟支护桩中的内支撑环梁压应力>平面单元计算>板单元模拟支护桩的计算结果，建议对采用平面单元计算的支撑轴向应力进行增加，对应的增加系数为1.1～1.2。

（3）板单元模拟支护桩时，桩间土体将会产生一定的压应力，因此对于桩间土体可以可靠传力的情况建议采用板单元模拟效果，对于桩间土体无法传力的情况，建议采用梁单元模拟，以保证有限元计算结果的可靠性。