曾 誠

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

隨著城市建設(shè)如火如荼，地下空間的開發(fā)成為建設(shè)的重點(diǎn)，深基坑工程也就面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其具有較高的不確定性、復(fù)雜性以及偶然性，另外，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，安全儲備較低。由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)存在側(cè)向剛度大、不需要內(nèi)支撐等優(yōu)點(diǎn)，因此，雙排樁在土質(zhì)較差、基坑深度深、變形控制要求高的基坑支護(hù)工程中應(yīng)用廣泛。目前，對雙排樁的研究來說，一些研究者通過一些設(shè)計(jì)參數(shù)來提升雙排樁的支護(hù)效果，例如樁距和樁徑等[1]。另外，一些研究者對雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)變形進(jìn)行研究，提出了阻斷單元法的概念，即間隔設(shè)置連續(xù)破壞的阻斷單元，從而防止局部超挖或堆載問題[2-3]。

總體來說，雖然對雙排樁的連續(xù)破壞機(jī)理要有一定的研究，但是目前尚缺乏基坑雙排樁連續(xù)破壞控制技術(shù)的系統(tǒng)研究。該文在研究阻斷單元的基礎(chǔ)上，考慮對阻斷單元進(jìn)行加強(qiáng)，以提升阻斷效果，主要采用雙排樁并且探究提升樁長樁徑對阻斷效果的影響。研究結(jié)果可以為實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

該工程位于平陽縣水頭鎮(zhèn)，東面為水頭自來水二廠，西面為居民區(qū)，南面距離大灘路約200 m。擬建項(xiàng)目規(guī)劃用地面積約15 092 m2，總建筑面積約58 805 m2，地下建筑面積約13 529m2，主要建筑物為4 幢住宅樓，層數(shù)為24F，設(shè)一層整體地下室?；娱_挖深度約4.3 m~5.0 m，采用鉆孔灌注樁排樁支護(hù)，局部采用雙排樁支護(hù)，采用水泥土攪拌樁止水，基坑支護(hù)剖面如圖1 所示。由于基坑平面尺寸大，基坑邊長超過140 m，基坑發(fā)生連續(xù)性破壞的風(fēng)險(xiǎn)高，因此排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和破壞的控制是該項(xiàng)目的重點(diǎn)。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖（單位：mm）

2 數(shù)值模型與模擬方法

2.1 土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

土體參數(shù)參照工程勘測報(bào)告，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得，見表1。由于基坑周圍土體視為彈塑性材料，因此土體的本構(gòu)采用莫爾-庫倫模型，該本構(gòu)模型所需的參數(shù)少，但是結(jié)果精度可以滿足工程要求。支護(hù)形式及尺寸如圖2 所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

表1 土體參數(shù)

圖2 雙排樁阻斷單元

2.2 模擬方法

2.2.1 模型建立

模型建立步驟如下：1）根據(jù)場地情況建立幾何模型，由于實(shí)際工程基坑尺寸比較大，因此為了減少數(shù)值模擬時(shí)間，選取基坑一側(cè)的一個(gè)剖面進(jìn)行建模并且土層界面簡化為平面，如圖3 所示。2）建立材料和屬性，材料參數(shù)主要根據(jù)表1，土體屬性用3D 實(shí)體模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性用1D梁單元模擬，并根據(jù)圖2 中支護(hù)結(jié)構(gòu)截面尺寸填寫截面參數(shù)。3）劃分網(wǎng)格，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得網(wǎng)格尺寸，采用高階次線性四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。4）進(jìn)行邊界約束和施加重力，基坑zx剖面采用對稱邊界，其他采用自動邊界。約束冠梁連梁xy向轉(zhuǎn)動，約束樁z向轉(zhuǎn)動。

圖3 有限元模型

2.2.2 開挖過程模擬

根據(jù)基坑深度，將開挖步驟劃分為4 個(gè)，每層開挖1.1m，基坑開挖主要通過鈍化相應(yīng)土體實(shí)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)通過激活冠梁、連梁、樁單元實(shí)現(xiàn)。具體步驟見表2。

表2 開挖過程模擬步驟

2.3 工況介紹

考慮到單排樁連續(xù)性變形和破壞，在排樁中間設(shè)置雙排樁阻斷單元，并研究樁長樁徑對阻斷單元效果的影響，見表3。

表3 工況介紹

3 樁徑增寬情況下阻斷單元效果

3.1 基坑位移變化

基坑開挖完成后的Y向位移云圖如圖4 所示，Z向位移云圖如圖5 所示。從圖4 可以看出靠近支護(hù)結(jié)構(gòu)的坑底Y向位移較大，最大Y向位移為6.78 mm。這是因?yàn)榛娱_挖卸荷破壞了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使開挖面產(chǎn)生側(cè)向力，進(jìn)而會產(chǎn)生較大位移，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，這種位移被限制在1 cm 內(nèi)保障安全。但是，為了避免施工中可能存在的超挖或堆載等現(xiàn)象，進(jìn)一步保障基坑安全，這次數(shù)值模擬特采用雙排樁阻斷單元，從圖4 中可以看出阻斷區(qū)的開挖面Y向位移更小并且距離阻斷區(qū)越遠(yuǎn)的開挖面Y向位移越大。這充分說明雙排樁阻斷單元具有良好的效果，可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

圖4 基坑Y 向位移云圖（B1）

圖5 基坑Z 向位移云圖（B1）

從圖5 可以看出，基坑內(nèi)部土體存在較大隆起，最大隆起量為47 mm，而支護(hù)結(jié)構(gòu)也存在微隆起，隆起遠(yuǎn)離開挖面越大。這是因?yàn)榛娱_挖完成后，基坑土體原有平衡狀態(tài)遭到擾亂，基坑土體承受上部荷載作用消失，坑內(nèi)土體產(chǎn)生回彈，從而基坑底部表現(xiàn)出向上隆起?？觾?nèi)土體的隆起，引發(fā)雙排樁向上移動，由于雙排樁與樁間土體的相互摩擦作用，導(dǎo)致基坑邊緣土體呈現(xiàn)微隆起，遠(yuǎn)離基坑土體幾乎不受該影響。

3.2 樁位移變化

工況一：不同阻斷形式的前排樁#15 的水平位移如圖6 所示，前排各樁在整體標(biāo)高-4.03 m 處的水平位移如圖7 所示。從圖6 可以看出，隨著樁徑增加，樁的最大水平位移均有所減少，B1~B4 的最大水平位移分別為5.19 mm、5.16 mm、4.91 mm、4.98 mm，其中B4 比B1 位移減少了11.75%。這是因?yàn)闃稄降脑黾涌梢蕴嵘龢兜恼w剛度，進(jìn)而限制了前排樁的位移。圖7 反應(yīng)了隨著樁徑的增加，前排阻斷區(qū)范圍內(nèi)的樁位移逐漸減少。因此，通過樁徑增寬可以提升阻斷單元效果。

圖6 樁#15 水平位移（Y 向）

圖7 整體標(biāo)高-4.03 m 處各樁水平位移（Y 向）

3.3 樁軸力和彎矩變化

工況一：不同阻斷形式的前排樁#15 的彎矩如圖8 所示，軸力如圖9 所示。從圖8 中可以看出，隨著樁徑增加，坑底附近彎矩逐漸減少，而樁底附近彎矩逐漸增大。這說明樁徑的增加很好地約束了基坑開挖造成的水平滑移力并且將荷載大部分被導(dǎo)向樁嵌固深度的土體，保障基坑的安全。隨著樁徑的增加，前排樁#15 的軸力變化不大并且依然受壓，如圖9 所示。

圖8 樁#14 彎矩（My）

圖9 樁#14 軸力

4 樁長增長情況下阻斷單元效果

4.1 樁位移變化

工況二：不同阻斷形式的前排樁#15 的水平位移如圖10 所示，前排各樁在整體標(biāo)高-4.03 m 處的水平位移如圖11 所示。從圖10、圖11 可以看出，樁長加長4 m 能有效控制位移變大，當(dāng)樁長超過4 m 時(shí)，水平位移反而有所增加。因此，通過增加樁長的方式提高阻斷單元效果，需要將樁長控制在合理范圍內(nèi)，如果太長，不僅會影響加固效果，而且會增加造價(jià)。

圖10 樁#15 水平位移（Y 向）

圖11 整體標(biāo)高-4.03m 處各樁水平位移（Y 向）

4.2 樁軸力和彎矩變化

工況二，不同阻斷形式的前排樁#15 的彎矩如圖12 所示，軸力如圖13 所示。圖12 中，隨著樁長的增加最大負(fù)彎矩處的值變化不大，而最大正彎矩處的值則有所減少。這是因?yàn)镃1~C4 組后排樁的嵌固土體分別為圓礫、圓礫、含粉質(zhì)黏土圓礫、含粉質(zhì)黏土圓礫，由表1 可知圓礫比含粉質(zhì)黏土圓礫彈性模量高，嵌固效果更好，即C3、C4 比C1、C2 最大正彎矩小。而C1 和C2 在同一土層內(nèi)，隨著樁長增加，嵌固有效區(qū)域增長，樁身嵌固區(qū)彎矩更小，即C2 比C1 最大正彎矩小。從圖13 中可以得出，隨著樁長增加，軸力也有所增加。但是僅有樁長從原始到增加4 m時(shí)軸力增加較大，與彎矩的規(guī)律一致。

圖12 樁#15 彎矩（My）

圖13 樁#15 軸力

5 結(jié)論

該文根據(jù)實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬的方式來研究雙排樁阻斷單元的效果，具體結(jié)論如下：1）雙排樁后排樁徑的增加可有效降低樁身位移，減少坑底附近彎矩，是一種可行的阻斷單元。但是，樁徑最好增加1 m 以上，1.8 m 以下比較合理。2）雙排樁后排樁長的增加體現(xiàn)為存在一個(gè)長度“限值”，但超過該值樁身位移變大，不超過則相反，這主要和土層參數(shù)有關(guān)。但是從實(shí)際情況出發(fā)，樁長也不宜過大，過長會導(dǎo)致施工難度和成本增加。3）根據(jù)該工程的數(shù)值模擬情況，推薦采用雙排樁，后排樁樁徑為1.4 m，樁長加長4 m 最優(yōu)。