基坑围护桩作用下地层支护应力分析及应用*

吴行州

(中铁二十三局集团第四工程有限公司, 610073, 成都)

目前,随着我国社会经济的高度发展与城市化进程的不断推进,城市高层和地下空间的利用越来越普遍,随之涌现出一大批深基坑工程。在软土地层基坑中,围护桩具有较高的承载强度,可为基坑侧壁土体提供稳定的支撑,目前在基坑工程中得到越来越广泛的应用。

常见的基坑围护桩包括混凝土围护桩、型钢桩、钢管桩、型钢水泥土搅拌桩、钢板桩等类型。国内外学者围绕围护桩的承载力学特性与施工工艺开展了大量研究。文献[1]依托微型钢管桩加固既有基础托换工程,实测不同间歇时长情况下桩身温度与应力等的变化规律,探讨不同运行模式下的桩基性能参数。文献[2]通过设计一种直剪式复合结构的拟静力加载试验装置,研究了微型钢管桩-土复合抗滑结构(以下简称“桩土复合结构”)在地震作用下的耗能特性。文献[3]以上海典型软土地层为背景,采用理论分析方法研究了型钢-水泥土相互作用与承载变形性状,并与实测工程数据进行了对比。

对围护桩而言,由于采用间隔设置,桩与桩之间沿土体表面是非连续的。设置合理的桩间距,使得桩间土体内部有效成拱是确保基坑围护桩安全使用的关键。JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》针对桩间土也给出了采用内置钢筋网的喷层护表技术。国内外学者对于桩间土体成拱效应开展了大量研究。文献[4]在合理拱轴线的假定下建立了土拱力学模型,推导形成了拱脚在极限平衡状态下土拱极限跨度表达式,分析了土拱拱高随土层深度的演化规律。文献[5]分析了桩间水平土拱对桩间墙组合结构受力的影响,推导了考虑土拱效应时该组合结构中抗滑桩和挡土墙的受力计算方法。文献[6]通过简化摩阻力分布的形式,建立了悬臂式抗滑桩桩间距的计算公式,研究了滑坡体的黏聚力、滑坡推力及抗滑桩的截面尺寸等因素对桩间距的影响。文献[7]采用数值模拟方法分析了桩截面尺寸对土拱性状的影响,结合力学计算解释了土拱类型及土拱高度变化的原因。

由于影响基坑围护桩支护力学性能的因素众多,需对围护桩的支护力学效应做进一步深入研究。本文在现有研究基础上,考虑基坑围护桩对地层产生的支护应力影响,提出了相对应的支护力学分析模型,并计算得到了基坑围护桩作用下地层的支护应力理论计算公式,分析了不同桩间距参数对地层支护应力的影响规律,可为基坑围护桩设计及施工提供理论参考。

1 基坑围护桩作用下地层支护应力计算

本文考虑基坑围护桩的支护形式,沿基坑开挖边界任取5根围护桩,提出了围护桩作用下地层力学分析模型,如图1所示。图1中围护桩从左往右编号依次为i=1,2,3,4,5,相对应的围护桩的中心距为S,围护桩的直径为D。

根据图1 b),假设h处对应的侧向土压力为q,该部分土压力将由围护桩共同承担,相对应作用于每根围护桩的土压力也为q。根据力的相互作用原理,围护桩作用于桩土接触面的均布压力为q,围护桩对土体的支护作用可简化为作用于桩土接触面的均布压力q。在图1 b)中,根据弹性力学[8-10]中半弧线平面内作用均布应力的解答,可分别求得图1中5根围护桩对地层产生的支护应力。

a) 基坑围护示意图

b) A-A剖面图

第1根围护桩对土体内任意一点M(x,z)产生的支护应力σz1为:

(1)

式中:

ξ——均布力作用范围。

同理,可求得其余4根围护桩对土体内任意一点M(x,z)产生的支护应力σz2—σz5分别为:

(2)

(3)

(4)

(5)

综上,根据力的叠加原理可求得围护桩对地层中任意一点处产生的总支护应力σz:

σz=σz1+σz2+σz3+σz4+σz5

(6)

式(6)中,σz的大小反映了围护桩对地层的控制与约束效应,σz越大,说明围护桩对基坑侧壁土体的支护作用也越强。

2 不同桩间距下基坑地层支护应力分析

以基坑通常采用的φ1 000 mm钻孔围护桩为例,分析了不同S对基坑地层支护应力的影响规律。在计算分析过程中,考虑到基坑侧壁土体的埋深影响,桩侧水平土压力q分别取40 kPa、80 kPa及120 kPa,S分别取1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm及2 200 mm,分析了不同条件下的地层支护应力特征。

图2和图3为典型工况下的地层支护应力分布云图。由图2和图3可见:在钻孔灌注桩支护作用下,地层内部产生了相应的支护应力;在钻孔灌注桩与土体的接触位置均产生了不同程度的应力集中效应,桩土接触面处土体内部的支护应力最大,随着桩土接触位置距离的增加,地层内部支护应力呈现出不断衰减的趋势。

a) S=1 200 mm

b) S=1 600 mm

c) S=2 000 mm

a) S=1 200 mm

b) S=1 600 mm

c) S=2 000 mm

在相同的q作用下,不同S下地层内部均可产生一定连续的支护应力,但连续支护应力也存在一定的限制。以图2为例,地层内部小于32 kPa的支护应力均是连续的,地层内部超过32 kPa的支护应力则不连续;地层内部小于18 kPa的支护应力均是连续的,当超过18 kPa时则不连续;随着S从1 200 mm增加到2 200 mm,土体内部最大连续支护应力从32 kPa减小至16 kPa,这说明随着S的增大,土体内部连续的最大支护应力逐渐减小。

图4为地层最大支护应力-S关系曲线。由图4可见:地层最大支护应力随着S的增大而减小,同时随着q的增大而增大。由此可见:地层内部连续的支护应力是确保围护桩后地层土体有效成拱的重要前提,合理的S对围护桩后土体成拱也会产生重要影响。

图4 地层最大支护应力-S关系曲线

3 工程应用实例

林家庄站为济南轨道交通4号线(以下简称“4号线”)一期工程的第25座车站。该车站为地下二层岛式车站,位于济南市历下区经十路与规划路的交叉路口,车站主体结构站位位于经十路北侧,沿经十路方向敷设。车站外包总长约270.88 m,标准段宽18.7 m(内净宽);端头井宽23.2 m(内净宽)。车站中心线处轨面标高为94.9 m,轨面埋深约16.6 m,顶板覆土为3～4 m。

车站主体基坑均采用明挖顺作法施工。标准段基坑深度约为18.53～19.17 m,坑底位于中风化石灰岩层中。基坑周边普遍分布的地层从上往下依次为填土、粉质黏土、石灰岩,属于典型的土岩地层复合基坑。为保证基坑的稳定性,围护结构采用围护桩+内支撑、围护桩+锚索的支护形式。林家庄站基坑标准段围护结构示意图见图5。

注:φ、c、γ分别为内摩擦角、黏聚力和重度;t为钢支撑壁厚。

根据本文提出的围护桩支护力学分析方法,采用林家庄站现场的具体参数进行计算并绘制出相应的地层支护应力云图。选取现场5根围护桩,围护结构为φ1 000 mm钻孔灌注桩,S为1.4 m;根据现场地勘报告,基坑坑底上部土体主要由素填土及粉质黏土构成,故选取土体平均重度为20 kN/m3,土体平均侧压力系数为0.4,基坑开挖深度为18.5 m。选取现场基坑距地面深度分别为5.5 m、11.0 m、16.5 m处剖面进行测算,相对应剖面处的土体侧压力分别为44 kPa、88 kPa、132 kPa。应用本文计算方法,计算得出林家庄站基坑围护桩-地层支护应力云图,如图6所示。

a) 基坑深度为5.5 m

b) 基坑深度为11.0 m

c) 基坑深度为16.5 m

由图6可见:沿着桩身3个深度处对应的支护应力云图内,桩后土体内部均有效形成了土拱,且随着深度的增加,相应的土拱内支护应力逐渐增大。现场采用围护桩支护参数施工后,有效保证了基坑开挖与主体结构施作期间的安全与稳定。根据现场监测数据,基坑坡顶最大沉降量为10.0 mm,坑底隆起量为9.6 mm,围护桩的最大水平变形量为8.0 mm,满足基坑设计与监测要求。

林家庄站基坑开挖现场施工图见图7。

图7 林家庄站基坑开挖现场施工图

4 结语

以基坑围护桩为研究对象,提出了围护桩支护下基坑周边地层支护应力的理论计算模型,推导了支护应力的理论计算公式,分析了不同S与q下的支护应力分布特征。结合林家庄站实际工程进行了试算分析,保证了现场支护参数的有效选取与现场支护设计的安全,可为土岩复合地层基坑围护桩设计提供一定的理论参考。