仿真單排樁支護體系安全極限挖深分析

丁克勝，董克強，易順建

(1. 天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2. 機械工業第六設計研究院有限公司 第四工程院，鄭州450007)

仿真單排樁支護體系安全極限挖深分析

丁克勝1，董克強1，易順建2

(1. 天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；2. 機械工業第六設計研究院有限公司 第四工程院，鄭州450007)

以實際工程為背景，通過ABAQUS軟件分別建立了懸臂式和單層支撐式單排樁支護結構的三維有限元數值模擬計算模型，對單排樁式深基坑安全開挖深度進行了數值模擬計算，并與實際工程監測數據進行了對比分析，結果表明：直徑為800,mm的懸臂式樁的安全極限開挖深度為5～6,m，單層支撐式樁的安全極限開挖深度為12.0～12.5,m，充分發揮了其支護結構的空間效應，同時基底土層分布的變化對其支護能力也有一定的影響．所得結論可為單排樁支護設計和施工提供參考依據．

排樁；深基坑；ABAQUS模擬；極限開挖深度；空間效應

目前，隨著城市建設的深入發展，市區土地資源更加緊缺．為了充分利用每一寸土地，節省空間，各類使用功能的建筑物在向高、深迅速發展，特別是在城區內的住宅小區和辦公樓建設中，充分利用有限場地建設地下停車場、商場和人防工程；而這類工程基坑開挖面積大，深度在10～14,m之間．按我國住建部有關規定：該類基坑屬于一級基坑，在軟土地區可供選擇的支護結構體系的擋土結構為排樁和地下連續墻兩種，但為了節約支護結構費用，多數選擇排樁支護形式[1-2]．

排樁式支護結構支撐剛度大、變形小，施工難度不高，總體施工費用較低．根據我國深基坑平面設計理念和現狀，單排樁單層支護結構多數用于9.0,m以內基坑，但由大量實測資料表明，該情況遠沒有發揮出排樁的支護能力．為此有必要探尋“既安全可靠，又能發揮最大支護能力，節約支護費用”的最佳方案[3-4]．

以天津某工程采用的排樁支護結構為工程背景，以實測數據為依托，利用ABAQUS有限元程序[5]分別建立了懸臂開挖和單層支撐開挖方式的模型，對800,mm樁徑支護樁樣在不同的開挖方式下的極限開挖深度進行數值模擬計算，并將計算結果與實測數據對比分析，找出能充分發揮其支護能力的最佳方案，為今后排樁支護結構設計、方案審核提供更可靠、方便、快捷的理論保障．

1 工程概況

本文依托的工程位于天津市中心城區，該工程基坑形狀類似一個長方形，尺寸為120,m×60,m，地下兩層開挖深度為11.4,m，局部為14.05,m(在坑中間部位)．基坑支護方案為單排樁單層混凝土支撐，排樁樁徑大部分為800,mm，樁中心距為950,mm，部分樁徑為1,000,mm，樁中心距為1,150,mm，支撐形式為鋼筋混凝土環梁加對撐，支撐位置設置在冠梁以下2.8,m處，冠梁頂面在自然地面以下1.5,m．

該基坑場地西側大約39,m處是繁忙的市內主干道，北側是緊鄰基坑外延的一條馬路，東側不遠處是原有辦公大樓，南側約30,m處為某建筑群，周邊的環境復雜．此基坑為一級基坑．各土層的物理力學指標如表1所示．

表1 地基土物理力學指標

2 模型建立

所建基坑模型與實際工程一致，排樁的長度為21.9,m，樁頂冠梁寬1,000,mm，高為700,mm．考慮到基坑開挖對周邊建(構)筑物的影響，排樁的四周各取60,m(相當于開挖深度的5.26倍)寬、30,m深的土體．

對本工程來說，基坑開挖分為三個工況：工況一，開挖至支撐位置；工況二，支撐的澆筑與養護；工況三，開挖至基坑底部．

模擬基坑的土體、排樁均采用8節點縮減積分實體單元(C38,DR)；支撐環梁采用梁單元(B31)．模型的底部約束三個方向的位移，各個側面分別約束其單方向的位移．模型土體采用D-P模型，根據所提供的地質勘察報告，土體采用加權平均值進行合并．模型如圖1所示．

圖1 基坑計算模型

3 數值模擬計算結果分析

在基坑開挖過程中，排樁的位移是要控制的一個重要指標，其內力及變形與嵌固深度、土層分布、排樁直徑、基坑的降水方式以及承壓水作用有直接的關系．對于單層支撐單排樁來說，在基坑開挖過程中，樁身直徑、支撐位置不同，圍護結構的變形也會不同．

以滿足抗傾覆要求下的嵌固深度為定值，建立800,mm直徑樁，分別采用懸臂開挖和單層環梁支撐開挖，分析樁在同一種開挖方式以及天津地區一定土質分布條件下，對其相應的安全極限開挖深度進行研究．

為了更加準確地研究變形情況，選取了3條路徑：路徑1，基坑長邊方向二分之一處；路徑2，基坑長邊方向四分之一處；路徑3，基坑短邊方向二分之一處．

3.1 懸臂開挖時圍護結構的變形

在擋土結構懸臂階段的數值模擬計算，其側向位移結果如圖2所示，基坑外側地表沉降如圖3所示(其中深度方向0代表的是排樁樁頂)．

圖2 懸臂階段擋土結構側向位移

圖3 懸臂階段基坑外側地表沉降

由圖2-3分析可以得出：

(1)排樁沿豎向的水平變形呈拋物線狀，且圍護結構頂部水平位移值最大；沿豎向的水平位移隨排樁深度的增加而迅速減?。?/p>

(2)在滿足一級基坑變形控制值為3,cm的條件下，800,mm樁徑在懸臂開挖時的安全極限開挖深度為5.5,m，考慮樁下送1.5,m，所以實際懸臂高度為4.0,m(即當懸臂高度為2.8,m時，最大位移為28.3,mm)．

(3)外側土體沉降達到最大位移之后，地面的沉降逐漸減?。粡淖畲笾堤庨_始到離基坑邊較近的區域內，土體的沉降值呈迅速變小的趨勢．

(4)當底層土土質改變時，其相應的極限開挖深度也會改變；極限開挖深度隨土質的不同相應地發生改變，但變化范圍較?。?/p>

(5)基坑的邊長越大，其擋土結構的變形也越大，基坑開挖的極限深度越小，但變形趨勢相同，即基坑的邊長控制極限開挖深度．

3.2 單層環梁支撐時圍護結構的變形

通過懸臂階段數值模擬計算結果，結合工程實際情況，在開挖深度4.3,m處設置一道水平支撐體系，形成單支撐，其數值模擬計算的側向位移結果如圖4所示，基坑外側地表沉降如圖5所示(其中深度方向0代表的是排樁樁頂)．

圖4 單層支撐階段擋土結構側向位移

圖5 單層支撐階段基坑外側地表沉降

由圖4-5分析可以得出：

(1)排樁沿豎向的水平變形呈雙曲弓形，且靠近上端的水平位移比較大；由于環梁支撐的作用，排樁的位移遞增速度變緩，但是并沒有改變其變形的發展趨勢．

(2)800,mm樁徑采用單層支撐的開挖方式時，支撐位置為冠梁以下2.8,m，水平位移最大值位于開挖深度8,m左右，最大位移為27.2,mm；當達到一級基坑變形控制值30,mm要求時，其極限開挖深度為12.5,m．

(3)地表沉降的最大值為9.10,mm，在距離基坑邊緣約7.0,m的位置；沉降值的整體趨勢表現為隨距基坑邊距離的增大而減小．

(4)當底層土土質改變時，其相應的極限開挖深度也會改變，極限開挖深度隨土質的不同相應地發生改變，但變化范圍較小．

(5)離支頂位置越近，變形越小，在跨中處變形最大，但變形趨勢相同．

4 模擬計算與實測數據對比分析

由于土體的個體性很強，且各種計算模型均有局限性，大量的基坑工程的理論計算結果與實測數據對比都相差較大．本基坑工程主要進行基坑圍護墻和周邊建筑物的水平位移、沉降等項目的實時監測，對監測數據進行分析對比．

為保證基坑開挖的順利進行，在基坑開挖期間進行嚴密的監測是十分必要的[6]．將圍護墻頂部的水平位移作為基坑監測的重要組成部分，對于一級基坑來說，應予以測量[7]．

4.1 排樁側移的對比

在擋土結構懸臂階段和單層支撐階段，其模擬計算與實測數據水平位移對比結果如圖6所示(其中深度方向0代表的是排樁樁頂)．

圖6 模擬計算與實測數據水平位移對比結果

由圖6可知：兩個階段各自的水平位移變形趨勢大致相同，但數值不同；懸臂階段模擬最大位移值為26.61,mm，監測最大位移值為16.61,mm，模擬值大于監測值，說明土方對稱開挖，卸荷緩慢，時效明顯，而模擬計算沒有考慮開挖進展時效；單層支撐階段模擬最大位移值為27.2,mm，監測最大位移值為29.52,mm，模擬值小于監測值，說明模擬計算的支護結構空間作用效果明顯．

4.2 周邊地面沉降的對比

在擋土結構懸臂階段和單層支撐階段，其模擬計算與實測數據周邊土體地表沉降對比結果如圖7所示．

由圖7可知：兩個階段各自基坑周邊地表沉降值的變化趨勢基本一致，但沉降值不同；對于懸臂階段，模擬值大于監測值，但沉降值都不是很大；對于單層支撐階段，模擬值與監測值的最大沉降值很接近，整體上模擬值大于監測值；周邊地表的最大沉降發生在距基坑大約5.0,m處；隨著基坑的開挖，沉降值也越來越大．

圖7 模擬計算與實測數據周邊土體地表沉降對比結果

綜上所述，對于同一階段，支護結構位移越大，其地表沉降量也越大，基坑開挖過程是土體卸荷的過程；對于不同階段，地表的沉降值與土質有關．在基坑開挖的過程中，土體變形遵循“時空效應”這一規律[8]，基坑開挖則遵循“先變形、后支撐”的原則．

5 結論與建議

5.1 結論

(1)在滿足支護結構抗傾覆和一級基坑變形控制要求的情況下，懸臂式直徑為800,mm樁的極限開挖深度達5～6,m；設置單層支撐時其極限開挖深度可達12.0～12.5,m．

(2)基坑長度越長，其變形越大；支頂層為水平線約束，并不能形成豎向線約束；支頂層下部變形仍符合擋土結構無約束的雙曲變形特點．

(3)在支頂位置，擋土結構的變形增長幅度減小，但向基坑內的變形方向不改變．

(4)土的疏密程度對支護結構有一定的影響，支護能力與土質有關．

(5)數值模擬分析彌補了現有平面設計計算的不足，該方法為今后設計提供了新的設計理念．

5.2 建議

(1)在建模時按照一定的土層進行模擬分析，沒有反映出不同土層分布對支護結構的影響，而改變不同土層分布對支護結構會產生一定的影響．建議應通過改變不同土層分布來具體分析．

(2)基坑的設計理念是以控制變形為主，而本文主要研究排樁支護體系豎向變形等方面的因素，并沒有考慮影響基坑安全穩定的經濟性等綜合指標．

(3)在建模時只考慮了一種樁徑的情況，不同樁徑的樁樣其極限開挖深度也會有所不同，圍護結構的變形也不盡相同．今后應對多個樁徑進行分析．

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．建筑基坑支護技術規程：JGJ120—2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012：9-10.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．建筑深基坑工程施工安全技術規范：JGJ311—2013[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013：14-15.

［3］ 天津市城鄉建設和交通委員會．建筑基坑工程技術規程：DB29-202—2010[S]. 天津：天津市建設科技信息中心，2010：37-38.

［4］ 楊曉強. 某基坑支護方案的設計優化[J]. 山西建筑，2012，38(3)：71-72.

［5］ 秦會來，張甲峰，郭院成，等. ABAQUS在計算基坑開挖變形中的應用研究[J]. 巖土工程學報，2012(增刊1)：82-86.

［6］ 姚世宏. 排樁及拱圈支護體系在軟土深基坑中的應用研究[D]. 天津：天津大學，2012：38-39.

［7］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．建筑基坑工程監測技術規范：GB50497—2009[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2009：7-8.

［8］ 張 磊. 基于FLAC3D對深基坑空間效應的分析[D].太原：太原理工大學，2011：1-2.

Analysis on the Safety Limit of Simulation Single Row Piles Supporting System

DING Kesheng1，DONG Keqiang1，Yi Shunjian2
(1. School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China；2. Fourth Academy of Engineering，Sixth Design and Research Institute Co.，Ltd，Zhengzhou 450007，China)

Based on the actual engineering situation，the three-dimensional finite element numerical simulation calculation model of the cantilever and single support type single row pile retaining structure are established with the ABAQUS software,meanwhile，the safety excavation depth of single row piles is simulated，and the results are compared with the actual monitoring data. The result shows that the safety limit diameter of cantilever pile 800 mm excavation depth is 5～6 m，and the excavation depth of the safety limit of single pile supported piles is 12.0～12.5 m，the space effect of the supporting structure is fully played，besides,the change of the distribution of basal soil layer has a certain influence on the supporting capacity. The conclusions provide a reference for design and construction of single row piles.

piles；deep excavation；ABAQUS simulation；limit excavation depth；space effect

TU473

A

2095-719X(2016)06-0423-04

2015-11-06；

2016-03-11

丁克勝（1961—），男，天津人，天津城建大學教授．