深基坑雙排樁支護數(shù)值模擬研究

沈櫻濤

(中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026)

隨著社會的發(fā)展，我國的城市化越來越快，大批的人流涌入一線二線城市，在目前城市寸土是金的情況下，開發(fā)城市的三維空間成為了重點。目前各大城市不但大力發(fā)展地上空間使建筑更高，而且更加注重了地下空間的發(fā)展，各種用途的地下建筑已經(jīng)在世界各地得到了應(yīng)用，比如地鐵、地下車庫、地下街、地下商場、地下醫(yī)院、高層建筑的多層地下室、一級地下民防工事等。隨著各種各樣的地下工程建設(shè)，地下工程在施工過程中的支護問題則越來越突顯其重要性。特別是一些大深基坑，這些城市中心的基坑均有著深、大、近、緊等四大特點，為確保基坑施工過程安全順利，目前基坑支護技術(shù)主要有地下連續(xù)墻、雙排樁、樁錨、預(yù)應(yīng)力錨桿、土釘墻、樁錨與土釘墻聯(lián)合、鋼支撐等各種各樣的支護方式。但是由于不同地區(qū)，土層分布以及力學(xué)性質(zhì)的差異較大，因此基坑支護存在著地域性，同一工法在不同地區(qū)，其適用條件存在著較大的差異。本文主要是針對青島地區(qū)沿海部分的深基坑特點，對基坑采用雙排樁支護時的性質(zhì)進行分析，研究該支護方法在青島地區(qū)的適用性以及受力特點。

本文擬采用三維有限元數(shù)值模擬計算，研究在青島地區(qū)深基坑采用雙排樁進行支護時，適合的雙排樁的排距以及樁徑，為青島地區(qū)雙排樁在深基坑支護中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 雙排樁支護研究現(xiàn)狀

雙排樁支護方法雖在現(xiàn)行的規(guī)范中有著明確的計算方法，但在工程建設(shè)過程中，往往發(fā)現(xiàn)雙排樁采用現(xiàn)行的計算方法所計算的結(jié)果與實際工程情況現(xiàn)場實測結(jié)果存在著較大的差異，特別是對樁頂?shù)乃轿灰啤扼w的樁身軸力、樁體的彎矩的大小等。現(xiàn)場實測結(jié)果說明，采用現(xiàn)行的計算理論還存在著一定的缺陷，這與土體的復(fù)雜程度有著密切的關(guān)系，與現(xiàn)行的計算理論也有著緊密的聯(lián)系。目前對于雙排樁的計算理論主要是基于室內(nèi)模型試驗和工程實測提出的平面剛架模型［1］。數(shù)值模擬計算往往成為工程設(shè)計手段，為我們對深基坑支護可能出現(xiàn)的問題做出預(yù)判，增加對支護方案的了解與分析。

2 工程實例概況

擬建青島黃島區(qū)某工程，建筑面積為7 372 m2，總投資為3 000萬元。基坑擬開挖深度約為6.0 m，基坑周長約為200 m，采用的支護方式為雙排樁支護。場地地形平緩，土層自上而下分為8層土:第①層:素填土，黃褐色;第②層粉土，黃褐色，濕～很濕，中密，平均厚2.84 m。第③層粉砂，灰褐色，平均厚1.63 m;第④層粉質(zhì)粘土，灰褐色，平均厚2.01 m;第⑤層粉質(zhì)粘土，黃褐色，平均厚2.88 m;第⑥層粗砂，黃褐色，飽和，中密，平均厚 1.79 m;第⑦層全風(fēng)化花崗巖，黃褐色;第⑧層強風(fēng)化花崗巖，黃褐色。地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水與花崗巖風(fēng)化裂隙潛水，勘察期間穩(wěn)定水位埋深1.30 m～1.50 m。

周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜，北側(cè)及西側(cè)均為交通主干道，東側(cè)有住宅樓，距離為10.5 m，南側(cè)為一辦公樓，距離為11.8 m，南側(cè)要預(yù)留鋼筋及木工制作工作區(qū)。由于周邊建筑采用樁基礎(chǔ)，如采用樁錨支護，則在錨索施工過程中有可能會對附近建筑的樁基礎(chǔ)造成破壞，因此經(jīng)研究，對該深基坑支護采用雙排樁進行。

3 三維模型建立

為了分析雙排樁的可行性，利用三維有限元軟件對該基坑的支護方式進行了模擬開挖計算，有限元程序采用Flac3D軟件進行模擬分析。基坑的實際開挖情況為長60 m，寬40 m，深6 m，由于基坑中心對稱，所以只取其1/4進行分析。本模型長為80 m，寬為60 m，高為20 m，共劃分為48 000個單元體，54 351個節(jié)點。基坑開挖為長30 m，寬20 m，深6 m。根據(jù)工程實際地質(zhì)條件，計算模型的土層從上到下劃分為雜填土、粉土、粉砂、粘性土1、粘性土2、粗砂、強風(fēng)化巖1、強風(fēng)化巖2等8個土層，各土層具體參數(shù)見表1。模型中的樁和冠梁分別采用了樁單元與殼單元，樁及冠梁計算參數(shù)如表2所示。每根樁單元劃分為30個單元體，31個節(jié)點，樁與冠梁均采用C30混凝土，樁長為12 m，冠梁厚度為0.5 m。

表1 數(shù)值模擬計算各土層參數(shù)

表2 樁及冠梁計算參數(shù)

4 數(shù)值模擬計算及結(jié)果分析

根據(jù)工程實際情況，當(dāng)基坑的前后排支護樁體施工結(jié)束后，開始施工冠梁。冠梁現(xiàn)澆混凝土達到設(shè)計齡期后，可以進行基坑內(nèi)土體的開挖。

基坑土體分為三層進行開挖，每層開挖厚度為2.0 m。為確定一個合適的排距，一個最為合適的樁徑，本文建立了不同排距與不同樁徑的數(shù)值計算模型，分析在不同的排距或不同的樁徑下進行，樁體的側(cè)向位移以及彎矩的變化情況。

4.1 排距對樁水平位移的影響

圖1為支護樁直徑為0.8 m情況下，不同排距的前后排樁側(cè)向位移隨深度變化情況。圖1a)為前排樁隨深度變化水平位移情況，從圖中可以看出隨著排距的增大，樁頂端的側(cè)向位移逐漸減小，但是減小幅度逐步降低，當(dāng)排距為1.5 m時樁頂端位移是30.20 mm，排距為1.8 m 時的樁頂位移是28.38 mm，差距1.82 mm，而當(dāng)排距為2.7 m時的樁頂位移為24.72 mm，排距為3.0 m時的樁頂位移為24.12 mm，相差0.6 mm。樁體隨著深度的增加側(cè)向位移逐漸減小，當(dāng)?shù)介_挖深度6 m附近時減小幅度下降，開挖面以下的樁體位移隨著深度的增大變化不大。圖1b)為后排樁的側(cè)向位移情況，從圖可以看出后排樁的側(cè)向位移情況大致與前排樁相同，也是隨著排距的增大側(cè)向位移逐漸減小，減小幅度逐步降低，開挖面以下的樁體側(cè)向位移變化不大。從圖1可知，后排樁位移比前排樁位移稍小，但是差距不大，這是由于前排樁與后排樁之間由冠梁連接，形成一個超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)排距較小時，樁體的水平位移量較大，隨著排距的增加，樁體的位移逐漸減小，當(dāng)排距增大到2.4 m后，樁體的水平位移變化就不明顯。這一結(jié)果說明，對于雙排樁的支護，排距最好不要小于2.4 m。當(dāng)小于這一間距時，雙排樁難以發(fā)揮其自身的穩(wěn)定作用。

圖1 樁體位移隨排距變化曲線圖（樁徑0.8 m）

4.2 樁徑對樁體水平位移的影響

根據(jù)4.1的分析結(jié)果，排距的合適間距為2.4 m，因此對于雙排樁的間距為2.4 m情況下，對不同樁徑的雙排樁進行了模擬計算分析。圖2為在排距為2.4 m，樁徑分別為600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm的情況下，前后排樁隨深度變化的水平位移變化曲線圖。

如圖2a)所示，隨著樁徑的加大基坑開挖面以上的前排樁位移逐漸減小，但是減小幅度逐步降低，600 mm樁徑與800 mm樁徑的位移相差為4.1 mm，而1 000 mm樁徑與1 200 mm樁徑的位移相差為2.2 mm。基坑開挖面以下的樁體位移隨著樁徑的變大逐步增大，但是增大幅度較小，在相同排距下不同樁徑在基坑底部的樁體位移大致相同。圖2b)為后排樁的樁體位移情況，開挖面以上的位移也是隨著樁徑的增大而減小，開挖面以下的位移隨著樁徑的增大而增大，變化規(guī)律與前排樁規(guī)律大致相同，但是在相同排距與樁徑的情況下其位移情況較前排樁稍小。由計算結(jié)果可知，對于樁徑的選擇，不宜小于800 mm，否則變化過大容易出現(xiàn)樁體折斷現(xiàn)象。但也不宜超過1 000 mm，否則會造成過大的經(jīng)濟投入。

圖2 樁體水平位移隨樁徑變化曲線圖

5 結(jié)語

通過以上對數(shù)值模擬計算結(jié)果的分析，對雙排樁在深基坑中的應(yīng)用可以得到以下具有一定工程實際意義結(jié)論:

1)在深基坑中的支護設(shè)計中，采用雙排樁進行支護時，雙排樁的排距不宜小于2.4 m，但也不應(yīng)大于3.0 m。

2)雙排樁樁徑不宜小于800 mm，宜在800 mm～1 000 mm之間，過小易折斷，過大會增加成本投入。

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