摘 要：為更全面地了解圍護(hù)樁嵌固深度對(duì)“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系受力變形特性的變化規(guī)律，運(yùn)用FLAC3D軟件，探討基坑土體位移、樁身側(cè)向位移和彎矩以及地下室外墻側(cè)向位移和彎矩在不同圍護(hù)樁嵌固深度影響因素下的變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明圍護(hù)樁嵌固深度的增大，可以有效控制土體水平位移，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但超出這一范圍，樁身內(nèi)力將會(huì)增大；在一定范圍內(nèi)增大圍護(hù)樁的嵌固深度，能夠改善樁身的變形與受力形態(tài)，且隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增大，土體位移逐漸減小。

關(guān)鍵詞：圍護(hù)樁嵌固深度；樁墻合一；受力特性；變形特性；影響規(guī)律

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0065-05

Abstract： In order to more comprehensively understand the variation law of the retaining pile embedded depth on the stress and deformation characteristics of the "pile-wall in one" foundation pit structure system， the FLAC3D software is used to discuss the soil displacement， pile lateral displacement and bending moment of the foundation pit， as well as the lateral displacement and bending moment of the basement outer wall under the influence factors of different retaining pile embedded depth. The numerical simulation results show that the increase of the embedded depth of the retaining pile can effectively control the horizontal displacement of the soil and enhance the stability of the structure， but beyond this range， the internal force of the pile will increase; increasing the embedded depth of the retaining pile in a certain range can improve the deformation and stress shape of the pile， and with the increase of the embedded depth of the retaining pile， the soil displacement decreases gradually.

Keywords： embedded depth of retaining pile; combination of pile and wall; mechanical characteristics; deformation characteristics; influence law

目前，我國(guó)大部分的深基坑工程仍采用以大量的灌注排樁、水平支撐或錨桿，作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的常規(guī)支護(hù)方法，其中灌注排樁具有較大剛度，而在地下室施工完成后通常會(huì)被遺棄于地下，造成基坑周?chē)貙咏ㄖ逊e，大量建筑材料浪費(fèi)，抬高了工程造價(jià)[1-2]。為更好地解決上述問(wèn)題，提出了“樁墻合一”這一概念，即將原本廢棄的臨時(shí)圍護(hù)排樁用作主體地下結(jié)構(gòu)的一部分，共同分擔(dān)永久使用階段荷載，變廢為寶。

目前，關(guān)于“樁墻合一”技術(shù)的研究不斷地發(fā)展與完善，并在工程實(shí)際中得到了大量的應(yīng)用。王衛(wèi)東等[3]以上海市虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)一期08地塊基坑工程為研究對(duì)象，提出了一種關(guān)于“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)造形式，并在基坑開(kāi)挖階段、正常使用階段、抗震等多種工況下，進(jìn)行“樁墻合一”的強(qiáng)度與耐久性設(shè)計(jì)計(jì)算。胡耘等[4]考慮到缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，因此開(kāi)展了從基坑開(kāi)挖至上部結(jié)構(gòu)施工的“樁墻合一”結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在分布規(guī)律上與理論計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。戴斌等[5]針對(duì)武漢十里鋪二期K4地塊基坑工程案例，通過(guò)采用“樁墻合一”等關(guān)鍵技術(shù)，在減薄地下室外墻厚度的同時(shí)取消常規(guī)的止水帷幕進(jìn)行施工，不僅保證了基坑安全順利施工還有效控制了基坑的工期和造價(jià)。但是關(guān)于“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系正常使用階段在不同圍護(hù)樁嵌固深度影響因素下的受力變形特性規(guī)律鮮有研究。

因此，結(jié)合案例青島地鐵2號(hào)線(xiàn)二期主變電站基坑工程，運(yùn)用FLAC3D軟件，通過(guò)建立“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)其在不同圍護(hù)樁嵌固深度影響因素條件下的受力變形特性的影響因素進(jìn)行研究。

1 工程概況

青島地鐵2號(hào)線(xiàn)二期主變電站中A區(qū)基坑形狀類(lèi)似于正方形形狀，其開(kāi)挖面積約5 280 m2，基坑開(kāi)挖深度為8 m。A區(qū)基坑西面為規(guī)劃用地，場(chǎng)地較為開(kāi)闊；基坑北面圍墻向外擴(kuò)約28 m，屬于綠化帶部分，場(chǎng)地內(nèi)也較為開(kāi)闊；基坑?xùn)|面與B區(qū)相鄰，相鄰部位空間緊張；基坑南面圍墻外擴(kuò)大約5 m。場(chǎng)地與周邊關(guān)系如圖1所示。由于基坑外部可用場(chǎng)地窄小，不適宜放坡，須采用排樁進(jìn)行支護(hù)，而且該基坑距離居民樓較近，必須進(jìn)行妥善支護(hù)，因此最終采用“樁墻合一”技術(shù)進(jìn)行支護(hù)施工。地下室外墻厚度500 mm，采用鉆孔灌注樁作為支護(hù)樁，樁間距1.5 m，樁徑Ф1 000 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，有效樁長(zhǎng)16.3～22.3 m，樁位水平偏差小于50 mm，垂直度控制在0.5%之內(nèi)。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

由于A區(qū)基坑的對(duì)稱(chēng)性，將其四分之一部分建立數(shù)值模型。取基坑開(kāi)挖深度的2～4倍作為計(jì)算模型在豎直方向的土體計(jì)算深度，取基坑開(kāi)挖寬度的3～4倍作為水平方向的計(jì)算范圍，由此，確定出土體模型的計(jì)算尺寸為66 m×66 m×40 m。模型劃分采用六面塊體網(wǎng)格（brick），劃分為7個(gè)土層，生成41 382個(gè)三維網(wǎng)格單元（zones），45 084個(gè)節(jié)點(diǎn)（grid-points），采用摩爾-庫(kù)侖模型本構(gòu)模擬各個(gè)土層。土體網(wǎng)格建立如圖2所示。土體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1 “樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系模型的建立

“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系模型如圖3所示。地下室外墻與圍護(hù)樁部分用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。地下室外墻尺寸為33 m×0.5 m×8 m，圍護(hù)樁樁長(zhǎng)18 m，樁徑為1 m，樁間距為1.5 m，其中地下室外墻部分用襯砌（liners）單元進(jìn)行模擬，而圍護(hù)樁部分用樁（piles）單元進(jìn)行模擬，每根圍護(hù)樁由18個(gè)樁構(gòu)件（pilesel）組成，樁底連接（link）未作特殊處理；地下室外墻與樁之間通過(guò)建立錨索（cables）結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行連接，以模擬實(shí)際工程中兩者之間的加固件（鋼索或者鋼筋）。襯砌與樁單元參數(shù)見(jiàn)表2，錨索單元的參數(shù)見(jiàn)表3。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型分析過(guò)程

2.2.1 基坑開(kāi)挖階段

首先，使土體模型在自重應(yīng)力的作用下進(jìn)行初始平衡計(jì)算，模擬天然地應(yīng)力場(chǎng)；其次，在初始平衡完成后，位移清零，開(kāi)始沿基坑開(kāi)挖，邊沿設(shè)置圍護(hù)樁，并進(jìn)行基坑開(kāi)挖?；娱_(kāi)挖共分4步，每步開(kāi)挖2 m。

2.2.2 基坑正常使用階段

1）正常使用階段荷載的來(lái)源。地下室外墻所承受的荷載，按作用方向可分為水平荷載和豎向荷載，從基坑開(kāi)挖完，到其正常使用階段，地下室外墻所承受的水平荷ynVi6reS0UCYfiORwnJtyA==載，主要包括側(cè)向土壓力、地下水壓力及地面活荷載引起的側(cè)壓力。而地面活荷載中的地上結(jié)構(gòu)施工自重荷載、車(chē)輛行走荷載以及材料堆放荷載等，最終將其等效為地下室外墻所受的豎向荷載。

2）正常使用階段圍護(hù)樁和地下室外墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置。圍護(hù)樁布置如圖4所示。由于沿基坑周邊設(shè)置的圍護(hù)樁較多，因此分別選取基坑兩邊Z1和Z2號(hào)圍護(hù)樁為研究對(duì)象，并在地下室外墻Q1和地下室外墻Q2上設(shè)置與Z1和Z2號(hào)圍護(hù)樁相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。共設(shè)置19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)圍護(hù)樁進(jìn)行檢測(cè)，從地下室外墻墻身自上而下設(shè)置9個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置剪力、軸力、彎矩監(jiān)測(cè)點(diǎn)各8個(gè)，以監(jiān)測(cè)圍護(hù)樁和地下室外墻的位移、剪力和彎矩的變化。

圍護(hù)樁和地下室外墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示。圖5（a）為圍護(hù)樁監(jiān)測(cè)位置，Z1—Z19為樁單元節(jié)點(diǎn)，用來(lái)進(jìn)行圍護(hù)樁位移的監(jiān)測(cè)，A1—A18為樁構(gòu)件，用來(lái)進(jìn)行圍護(hù)樁彎矩剪力的監(jiān)測(cè)。圖5（b）為地下室外墻監(jiān)測(cè)位置，B1—B9為襯砌單元節(jié)點(diǎn)，用來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的監(jiān)測(cè)，P1—P8為襯砌構(gòu)件，用來(lái)記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)的彎矩剪力等信息。

3）荷載的施加。在“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系數(shù)值模型中施加的均布荷載布置示意圖如圖6所示。在距離基坑開(kāi)挖4 m處兩側(cè)的土體表面分別施加寬度為4 m的均布荷載，大小為10 kPa。在模型中分別對(duì)基坑土體位移、樁身側(cè)向位移、樁身彎矩、地下室外墻側(cè)向位移、地下室外墻彎矩進(jìn)行分析。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為研究圍護(hù)樁嵌固深度對(duì)“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系在正常使用階段變形和內(nèi)力的影響，分別取圍護(hù)樁嵌固深度為10、11、12和13 m進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.1 基坑土體水平位移

不同嵌固深度下基坑土體水平位移如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)嵌固深度在10、11、12和13 m時(shí)，基坑支護(hù)面的頂層水平位移分別為2.40、1.96、1.93和1.55 mm。隨著圍護(hù)樁嵌固深度的不斷加大，基坑支護(hù)面在頂層的水平位移將不斷減小，說(shuō)明圍護(hù)樁嵌固深度的增大可以有效提高圍護(hù)樁的支護(hù)強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定性。此外，當(dāng)圍護(hù)樁的嵌固深度為11 m時(shí)，基坑支護(hù)面的水平位移減小幅度較大，而嵌固深度為13 m時(shí)，雖然基坑支護(hù)面的水平位移減小幅度也較大，但考慮到工程造價(jià)的影響，建議該基坑選擇圍護(hù)樁嵌固深度為11 m。

3.2 樁身側(cè)向位移

在不同嵌固深度下圍護(hù)樁Z1和Z2的樁身側(cè)移變化曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)嵌固深度為10、11、12和13 m時(shí)，圍護(hù)樁Z1的樁頂水平位移分別為20.22、18.31、17.27和16.10 mm，樁底水平位移分別為5.15、5.14、5.27和5.45 mm；圍護(hù)樁Z2的樁頂水平位移分別為20.79、19.75、17.74和16.89 mm，樁底水平位移分別為4.91、4.89、5.12和5.31 mm。因此，當(dāng)圍護(hù)樁嵌固深度不斷增加時(shí)，其樁頂水平位移將不斷減小，樁底水平位移將不斷增大。由圖8還可看出，樁身側(cè)移約在基坑深14 m處出現(xiàn)變化，基坑深0～14 m時(shí)，增加圍護(hù)樁的嵌固深度，樁身的傾斜程度將不斷減??；基坑深14 m以下時(shí)，增加圍護(hù)樁的嵌固深度，樁身的傾斜程度將不斷增大，原因在于，增大了樁的嵌固深度，利于擋土強(qiáng)度的增加，減小了樁頂位移。因此，將圍護(hù)樁嵌固深度適度增大，能夠使樁頂位移減少，維持基坑的穩(wěn)定性。

3.3 樁身彎矩

不同嵌固深度下圍護(hù)樁Z1和Z2的樁身彎矩分布變化曲線(xiàn)如圖9所示。由圖9可以看出，不同嵌固深度下圍護(hù)樁Z1和Z2的樁身彎矩分布曲線(xiàn)相似，由于結(jié)構(gòu)和荷載具有對(duì)稱(chēng)性，在同一嵌固深度下圍護(hù)樁Z1和Z2兩者的彎矩分布曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。當(dāng)嵌固深度為10、11、12和13 m時(shí)，在基坑底部以下大約6 m處樁身的彎矩值最大，即彎矩峰值出現(xiàn)的位置約在基坑深14 m處。當(dāng)圍護(hù)樁嵌固深度持續(xù)增加，圍護(hù)樁Z1和Z2的彎矩峰值逐漸增大，反方向彎矩峰值逐漸減小。由此看來(lái)，在一定范圍內(nèi)增大圍護(hù)樁的嵌固深度，可以在一定程度上控制樁身變形，同時(shí)也使得樁身內(nèi)力增大，抬高了工程造價(jià)。

4 結(jié)論

運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，改變圍護(hù)樁的嵌固深度、剛度、地下室外墻厚度等，研究了“樁墻合一”基坑結(jié)構(gòu)體系在不同影響因素下的受力變形特性變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1）在一定范圍內(nèi)圍護(hù)樁嵌固深度的增加可以有效控制土體水平位移，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但超出這一范圍，樁身內(nèi)力將會(huì)增大；且圍護(hù)樁嵌固深度適度增大，能夠使樁頂位移減少，維持基坑的穩(wěn)定性。

2）在一定范圍內(nèi)增大圍護(hù)樁的嵌固深度，可以在一定程度上控制樁身變形，同時(shí)也使得樁身內(nèi)力增大，提升了工程造價(jià)。

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