CFG樁基坑內施工對基坑周圍環境穩定性的影響①

CFG樁基坑內施工對基坑周圍環境穩定性的影響①

劉熙媛1，2， 毛清志1， 付士峰3， 胡世飛1

(1.河北工業大學土木工程學院，天津 300401； 2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401；

3. 河北省建筑科學研究院，河北 石家莊 050021)

摘要：在地下工程中，由于天然地基承載力不足，帶有地下室的主體結構采用CFG樁復合地基。因為CFG樁長螺旋鉆施工設備限制，地下室底板下的CFG樁必須在深基坑開挖一部分后進行施工。在某深基坑工程中，隨著CFG樁的施工，基坑周圍地表出現明顯開裂現象。為探究其原因，結合該基坑工程實例，利用FLAC3D軟件，通過數值模擬分析考慮滲流作用下CFG樁基坑內施工對基坑周圍地表變形的影響規律，并把計算結果同實際監測數據進行對比分析。研究結果表明：CFG樁在部分開挖基坑內施工的快速取土作用對基坑內被動土壓力區產生擾動，削弱原有的被動土壓力，導致基坑周圍土體變形。基坑周圍地表變形的影響范圍超出2倍基坑深度的監測范圍，因此，部分開挖基坑內施工CFG樁的基坑工程周圍環境的監測范圍應在滿足國家規范要求的基礎上適當增大。根據計算結果建議類似基坑工程監測范圍距基坑邊緣的距離采用基坑開挖深度與基坑底面以下CFG樁長之和。類似基坑工程設計應加大支護結構和止水帷幕深度，施工時從基坑內部向外部隔樁跳打，并適當增加工期，將有利于降低由于CFG樁基坑內施工對基坑周圍土體的影響。

關鍵詞：CFG樁； 基坑支護； 穩定性

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：河北省建設科學技術研究計劃(2012-156)

作者簡介：劉熙媛(1973-)，女，副教授，主要從事巖土工程等方面的教學和科研。E-mail：liuxiyuan721@126.com。

中圖分類號:TU47文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0834

InfluenceofCFGPilesConstructioninFoundationPit

onSurroundingEnvironmentalStability

LIUXi-yuan1，2，MAOQing-zhi1， FU Shi-feng3， HU Shi-fei1

(1.College of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；

2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Tianjin 300401，China；

3.Hebei Academy of Building Research，Shijiazhuang 050021，Hebei，China)

Abstract：In underground engineering，the main structure with the basement is built with CFG pile composite foundation because the natural ground bearing capacity is insufficient.Because the construction length of the CFG pile is limited by the spiral drilling machine，CFG piles under the floor of the basement must be constructed after a part of the deep foundation pit is excavated.In certain deep foundation pit engineering with CFG pile construction，there is an obvious crack phenomenon on the ground surface around the foundation pit.In order to explore its causes，the deformation characteristics of the foundation pit are analyzed considering the action seepage when CFG piles are constructed in the foundation pit after part excavation.The analysis uses FLAC3D as the numerical simulation tool. The calculated results are compared with actual monitoring data of the foundation pit.Finally，the causes of cracks in the ground around the foundation pit during construction are studied.The results show that the rapid sampling effect in the foundation pit decreases the earth pressure in the passive zone of the foundation pit when CFG piles are constructed in the foundation pit after part excavation.The effect scope of earth deformation around a foundation pit is beyond the scope of monitoring which is twice the depth of the foundation pit.Therefore，the scope of monitoring of the ground deformation around similar foundation pits should increase appropriately on the basis of meeting the requirements of the National Standard.According to the calculation results，it is suggested that the scope of monitoring in similar foundation pit engineering should adopt the sum of the foundation pit excavation depth and the CFG pile length at the foundation pit bottom.Similar foundation pit engineering design should increase the length of the support structure and the depth of the waterproof curtain.Construction of CFG piles in foundation pits should be from the inside to the outside edge of the foundation pit with piling every a few piles.The construction time should increase appropriately.These measures will help to reduce the deformation of surrounding soil due to the construction of CFG piles in foundation pits after part excavation.

Keywords：CFGpile；foundationpitsupport；stability

0引言

CFG樁復合地基具有用材經濟、施工快捷、加固效果良好等優點，在實際應用中取得了良好的社會效益和經濟效益[1]。最近在某深基坑工程中，基坑開挖深度9.5m，而地下結構的地基基礎設計采用了CFG樁復合地基，其最大樁長接近25m。由于CFG樁成樁設備的施工樁長有限，不具備在地面進行深基坑底面以下CFG樁施工的能力，工程人員不得不在已部分開挖的深基坑中采用長螺旋施工工藝進行CFG樁施工。但是在CFG成樁過程中，該基坑周圍地面及馬路多處出現開裂，給周圍居民的生活、工作帶來諸多不便，同時也給建設單位和生產單位造成一定的經濟損失，嚴重影響了施工進度。

針對這一實際工程問題，在深基坑支護和施工時，如果必須在部分開挖基坑內施工CFG樁復合地基，如何考慮其對支護結構穩定性的影響，并確保基坑周圍既有建筑不會因此產生過大沉降、傾斜或開裂，已成為當地建設、施工及監理單位面臨的疑難問題之一。

目前關于該課題在國內外的相關研究比較少，一部分研究僅僅提出了出現該問題時如何治理，并沒有分析基坑開裂的機理或提出如何去改進設計和施工方式[2]。因此，研究部分開挖基坑內施工CFG樁對基坑周圍穩定性的影響具有重要意義[3]。

1工程概況

該基坑工程長約121.1m，寬約86.89m。基坑開挖深度達9.5m。基坑內擬建6棟建筑，包括5棟高層住宅樓和一棟文化市場。場地北側現有一棟7層某市群眾藝術館。平面布置見圖1。

圖1　基坑建模位置示意圖(單位：m) Fig.1　Modeling position of the foundation pit (unit: m)

該工程的重要性等級為一級，場地復雜程度等級為二級，地基復雜程度等級為二級，建筑物抗震設防類別為丙類，巖土工程勘察等級為甲級，地基基礎設計等級為甲級。基坑內建筑物采用長螺旋鉆孔泵壓混凝土樁(CFG樁)復合地基，樁身混凝土強度等級為C20和C25，樁徑400mm，樁長為19～24.5m，樁間距為1.6m。

2基坑開挖方案及止水帷幕設計

該基坑工程支護結構安全等級為一級，采用鉆孔灌注樁加三道錨桿的支護形式。基坑支護樁樁頂在地下3.0m處，樁徑0.6m，樁間距為1.2m，樁長為13.0m。樁體的混凝土強度等級為C25。基坑開挖設計方案為：(1)開挖1：將基坑開挖至3.3m，施工第一道錨桿；(2)開挖2：基坑開挖至5.3m，施工第二道錨桿；(3)在基坑內施工CFG樁；(4)開挖3：繼續開挖至7.3m，進行第三道錨桿的支護；(5)開挖4：將基坑開挖到設計深度9.5m。

場地淺層地下水主要為孔隙潛水-微承壓水，勘察期間穩定水位埋深3.60～4.40m。基坑北、南及東側采用兩排深層攪拌樁止水帷幕，從地面以下-1.5m處做止水帷幕，樁長14m，樁徑0.65m、咬合0.2m，帷幕寬度為1.10m。由于該基坑西側與另一開發地塊相連，故采用單排深層攪拌樁止水帷幕。

3基坑施工過程三維數值模擬分析

3.1本構模型及材料參數

本文運用FLAC3D有限差分軟件，依據上述工程建立三維基坑分析模型。

土體采用摩爾-庫倫模型。基本假設為：(1)同一種材料其材質是均勻的、各向同性的；(2)整個模擬分析過程中假定土體為理想彈塑性材料；(3)支護結構和錨桿假設為理想線彈性材料；(4)假設土中的滲流為短期行為，不考慮土體的固結；(5)不考慮在施工過程中由于施工支護樁及錨桿對土體的擾動。

模型土層參數見表1, 圍護結構參數見表2，模型中錨桿的材料參數見表3。

3.2模型建立及網格劃分

根據前人的大量實踐研究表明，基坑開挖的影響寬度為基坑開挖深度的3～4倍[4-5]，影響深度為

表 1　土層參數表

表 2　圍護結構材料參數表

開挖深度的2～4倍[6-7]。由于該工程的特殊性，在已開挖基坑內施工CFG樁勢必會增大影響范圍。考慮基坑開挖深度為9.5 m，CFG樁的施工深度為24.5 m。模型的長度大致取CFG樁深度的三倍，所以該模型的高度定為100 m，CFG樁間距為1.6 m。為了計算及建模方便，模型的寬度取部分基坑為9.6 m，長度為從基坑中心點開始向基坑外側延伸115 m，基坑邊緣距模型邊界為65 m，故整個模型的尺寸為9.6 m×115 m×100 m，其所取的位置如圖1所示，模型如圖2所示。基坑邊緣已有的建筑物在該模型中只模擬其基礎底面處的面荷載。

表 3　錨桿材料參數表

圖2　基坑模型圖 Fig.2　Model of the foundation pit

3.3基坑實際監測方案及監測結果

該工程在基坑周圍共布設了21個監測點，其中監測點16位于本次基坑建模范圍之內，可以與數值模擬中相應位置的基坑變形數值進行對比。實際監測點16的位移見表4。

表 4　實際監測16點位移表

4數值仿真結果及分析

在本工程實際施工過程中，隨著CFG樁的施工，基坑南側的原有家屬樓和距基坑23 m和35 m左右的地方都出現了裂縫，基坑北側20 m左右的地面也出現東西方向的裂縫，最大裂縫寬度5.5 mm，嚴重影響了周圍建筑物的安全和穩定。所以本文利用FLAC3D軟件對基坑開挖及降水進行全程模擬，分析基坑開挖及CFG樁施工對周圍環境的影響。以工程實際監測的地表沉降值、支護結構位移值和基坑的變形值作為判斷模型參數合理性的參照依據，在考慮滲流情況下建立與實際監測結果位移發展趨勢以及位移值比較吻合的模型。在此基礎上，通過修改基坑設計參數和施工方案，對考慮滲流和不考慮滲流情況、不同CFG樁施工順序情況、不同支護樁長度、不同止水帷幕深度情況進行模擬，并進行比較分析，以提出合理的施工方案，并為以后工程實踐提供參考。

4.1考慮滲流與不考慮滲流情況的模擬結果

通過數值模擬分別計算基坑周圍地表沉降及圍護結構的變形。實際工程中的監測點P16正好在模型之內。基坑頂監測點16的實際位移值與數值模擬中相應位置的基坑變形數值對比見圖3。

圖3　基坑實測與模擬位移對比 Fig.3　Comparison of the displacements measured in the foundation pit and simulated by the model

通過分析可以看出，部分開挖基坑內施工CFG樁的過程對基坑周圍影響的數值模擬在考慮滲流的情況下更加合理，同時說明模型中參數選擇基本合理。考慮滲流的情況下基坑周圍地表沉降及圍護結構的變形如圖4。

圖4　考慮滲流基坑周圍地表和圍護結構各點位移曲線 Fig.4　Displacement curve of each point of surface around the foundation pit and retaining structure considering the seepage folw

圖4中施工步驟1～6分別為：第一次開挖、第二次開挖、CFG樁成孔施工、CFG樁施工完成達到標準強度、第三步開挖、第四步開挖施工完成。由圖4可知，在基坑內施工CFG樁階段(圖中施工步驟3和步驟4)，基坑周圍土體位移迅速增大，表現為施工步驟3處地表位移產生突變，相應的基坑圍護結構的位移也開始增大。此后，隨著CFG樁施工完成，基坑周圍土體變形逐漸恢復。基坑周圍土體變形最大值出現在CFG樁施工階段。這和實際工程相吻合。由此可知，造成該基坑周圍地表開裂的原因是由于CFG樁的快速施工，使得基坑內土體被迅速取出，基坑底部被動區土壓力急劇減小，導致支護樁的位移隨著樁的深度增加而增大。

在施工步驟4(CFG樁施工完畢)，距離基坑邊緣0～30 m的地表位移變化趨勢是先增大后減小，在距離基坑邊緣15～25 m處土體的位移變化值最大。實際工程中距離基坑邊緣25 m左右的位置恰好是基坑南側家屬樓所在位置。由此可知，此基坑工程按規范設定的2倍基坑深度的監測范圍不能滿足實際工程變形監測的需要。所以在部分開挖基坑內施工CFG樁體時，工程的監測范圍應該適當增大以確保基坑周圍建筑物的安全。本工程基坑開挖深度9.5 m，基坑底部CFG樁的最大樁長24.5 m，因此，根據上述計算結果，建議類似基坑工程監測范圍距基坑邊緣的距離采用基坑開挖深度與基坑底面以下CFG樁長之和。

4.2基坑內不同CFG樁施工順序的數值模擬

為了分析基坑CFG樁成樁順序對基坑穩定性的影響，本文模擬了四種成樁順序,包括原施工方案(由基坑外側向基坑內側，隔樁間隔跳打施工CFG樁)和三種模擬方案：(1)由基坑外側向內側，隔排施工CFG樁；(2)由基坑內側向外側，隔樁間隔跳打施工CFG樁；(3)由基坑內側向外側逐排施工CFG樁，三種方案模擬CFG施工完成后基坑周邊位移值如圖5。

圖5　各施工方案基坑周圍土體位移對比 Fig.5　Soils displacement comparison around the foundation pit using different construction plans

CFG樁體施工方案一在距離基坑邊緣較近的位置有一定的作用，但是在基坑南側建筑物所在位置，土體位移超出了規范中規定的基坑周圍土體的位移限值(60 mm)，而且該區域塑性區域發展迅速。方案二和方案三在位移值上均能夠滿足規范要求。方案三要求CFG樁的施工方式是從基坑中心向基坑外圍施工，而且前面施工的樁體需要達到一定強度才能進行下一排樁的施工。該施工方法在工期短、施工速度比較快的工程中很難操作。通常情況下CFG樁體的鉆孔施工都是從場地的邊緣開始，該方案中需要將鉆機移到基坑的內部，將增大施工難度。而方案二采用由內向外梅花式的隔樁跳打的施工方法，同樣需要將施工機械移到基坑中心進行施工，雖然基坑周圍土體的位移較方案三來說稍大，但是其優點在于工程所耗費的時間比較少。

綜上所述，在部分開挖基坑內施工CFG樁過程中，最好采用梅花式隔樁跳打的方式進行施工，如果施工條件允許，最好從基坑的中心向基坑邊緣施工，并適當延長施工工期以保證CFG樁體的強度，減小由于CFG樁施工對基坑內大量快速取土的影響，從而有效控制基坑周圍土體的變形。

4.3不同支護樁長度對基坑開挖變形的影響

為了提升類似工程的安全性，本文模擬了支護樁長分別為14.0、15.0、17.0、19.0和21.0 m的情況。模擬結果見圖6。

圖6　不同支護方案下CFG樁施工完畢后基坑位移曲線 Fig.6　Displacement curve of each point in the foundation pit after CFG piles construction using different support schemes

圖6可知，基坑支護長度越大，其周圍土體位移值越小，當支護樁超過15 m時，隨著支護樁長度增加，土體位移值變化不大，說明此時樁長增加對基坑周圍土體位移的影響逐漸減小。故本基坑的支護結構長度的敏感值在15 m左右，而原設計方案中支護樁長13 m。因此在該工程中，支護結構的長度選用基坑開挖深度與CFG樁長之和的0.4～0.5倍時，基坑支護效果最經濟有效。

4.4不同止水帷幕長度對基坑開挖變形的影響

由于本工程土層基本上為粉土和粉質黏土，其滲透系數在0.15 ～0.25 m/d，所以增大基坑止水帷幕的長度有助于改變土體內水的滲流路徑，減小滲流作用造成的土體的位移值。本文在原止水帷幕長度14 m的基礎上，模擬了增加止水帷幕長度下基坑的變形，以分析不同止水帷幕長度對基坑開挖變形的影響。模擬的止水帷幕深度分別為15.0、16.0、17.0、18.0、19.0和20 m。模擬結果如圖7所示。

圖7　不同止水帷幕長度下CFG樁施工后基坑位移曲線對比 Fig.7　Displacement curve of each point in the foundation pit after CFG piles construction with different lengths of waterproof curtain

由圖7可知，本工程止水帷幕的敏感深度在18～20 m，超過之后增加止水帷幕長度的效果不再明顯。此止水帷幕深度大概為基坑開挖深度與CFG樁長之和的0.6～0.7倍。在方案一中，基坑止水帷幕加長之后，距基坑0～30 m地表各點的位移值比原設計方案位移的減小值從1.67 mm增長到15.41 mm，說明改變止水帷幕的深度對于減小距離基坑邊緣較遠區域的位移作用更大。

5結論

(1) 部分開挖基坑內施工CFG樁時，由于基坑內的快速取土作用，對基坑內被動土壓力區產生擾動，消弱原有的被動土壓力，導致基坑周圍土體變形，建筑物開裂損壞。

(2) 對于部分開挖基坑內施工CFG樁的基坑工程，基坑周圍環境的監測范圍在滿足國家規范要求的基礎上應該適當增大。建議采用基坑開挖深度與基坑底面以下CFG樁長之和。如果有重要建筑物時，監測范圍應該進一步增大。

(3) 通過改變CFG樁體的施工順序，從基坑內部向外部隔樁跳打，并適當增加工期，有利于降低CFG樁施工對基坑周圍土體的影響。

(4) 通過增加基坑支護結構的長度可以有效減

小基坑周圍土體的變形。在該工程中，支護結構的長度選用基坑開挖深度與CFG樁長之和的0.4～0.5倍時，基坑支護效果最經濟有效。

(5) 如果基坑內土體滲透特性基本相同，通過增加止水帷幕的長度可以減小滲流引起的基坑周圍地表沉降。數值模擬計算表明，該工程止水帷幕長度選用基坑開挖深度與CFG樁長之和的0.6～0.7倍時，止水效果最經濟有效。

參考文獻(References)

[1]張建雋.CFG樁復合地基工作性狀及工程應用研究[D].太原：太原理工大學，2008.

ZHANG Jian-juan.Study on Working Behavior and Engineering Application of CFG Pile Composite Foundation[D].Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2008.(in Chinese)

[2]馮志先， 申海森， 萬林海， 等.軟土地區CFG樁施工對周圍環境影響分析[J].華北水利水電學院學報，2004，25(1)：58-60.

FENG Zhi-xian，SHEN Hai-sen，WAN Lin-hai，et al.Analysis of the Effect of CFG Piles Construction on the Surrounding Environment in Soft Soil[J].Journal of North China of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2004，25(1)：58-60.(in Chinese)

[3]姜晨光.基坑工程理論與實踐[M].北京：化學工業出版社，2009：4-6.

JIANG Chen-guang.Excavation Theory and Practice[M].Beijing：Chemical Industry Press，2009：4-6.(in Chinese)

[4]熊保林，王希良，路春嬌.高邊坡預應力錨索格子梁加固系統三維有限元分析[J].鐵道建筑，2010(2)：67-70.

XIONG Bao-lin，WANG Xi-liang，LU Chun-jiao.Three-dimensional Finite Element Analysis of High Slope Prestressed Anchor Lattice Beam Reinforcement System[J].Railway Engineering，2010(2)：67-70.(in Chinese)

[5]劉健航，侯學淵. 基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.

LIU Jian-hang，HOU Xue-yuan.Excavation Engineering Handbook[M].Beijing：China Building Industry Press，1997.(in Chinese)

[6]王芳，郭紅仙.帶陽角基坑空間效應的三維數值分析[J].鐵道建筑，2006(12)：69-72

WANG Fang，GUO Hong-xian.The Three-dimensional Numerical Analysis of the Pit Spatial Effect With a Positive Angle[J].Railway Engineering，2006(12)：69-72.(in Chinese)

[7]陸培毅，李紹忠，顧曉魯，等.基坑支護結構的空間分析[J].巖土力學，2004，25(1)：121-124.

LU Pei-yi，LI Shao-zhong，GU Xiao-lu，et al.Space Analysis of Retaining Structures for Foundation Pits[J].Rock and Soil Mechanics，2004，25(1)：121-124.(in Chinese)