圍護樁設計參數對明挖基坑穩定性的影響分析

張麗麗

(北京市工業職業技術學院，100042，北京∥副教授)

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圍護樁設計參數對明挖基坑穩定性的影響分析

張麗麗

(北京市工業職業技術學院，100042，北京∥副教授)

北京地鐵8號線某區間隧道為明挖法施工,使用鉆孔灌注樁和鋼支撐支護。通過FLAC3D數值模擬軟件對圍護樁的設計參數進行模擬,得到了較可靠的模擬結果。模擬結果表明:增加樁長和樁徑，在一定范圍內可以有效地控制基坑變性、提高基坑穩定性；但是持續增加樁長和樁徑對基坑穩定性的增加效果不大,反而會增加經濟成本。通過與現場實測數據的對比,驗證了模擬結果的可靠性。

地鐵基坑; 穩定性; 圍護樁; 樁長; 樁徑

Author′s address Beijing Polytechnic College,100042,Beijing,China

1 工程概況

北京地鐵8號線某標段采用明挖法施工。該區段全長568.626 m,寬11.2～21.3 m,深12.7～19.4 m。該區段沿線均為低層樓房,施工場地充足。

該明挖隧道采用機械對稱挖土,鉆孔灌注樁和鋼支撐支護。圍護樁有兩種,分別為直徑600 mm間距1 000 mm和直徑800 mm間距1 500 mm。縱筋直徑為25 mm,箍筋直徑為8 mm,樁長為17.7～24.4 m,入土深度均為5 m。鋼支撐長度根據基坑寬度不同,設計為11.2～21.3 m,采用φ609×12 mm鋼管,順向間距為3.0 m。基坑圍護樁樁間采用掛鋼絲網噴射混凝土的護壁形式,潮噴法噴射強度標號為C20的素混凝土，噴射厚度為70 mm。

根據勘察報告,區間內地層自上而下依次為:①人工填土層——粉土填土層、雜填土層,層底標高36.89～44.01 m；②第四紀全新世沖洪積層——粉土層、粉質黏土層、黏土層、粉細砂層、黏土層、層底標高26.89～32.75 m；③ 第四紀晚更新世沖洪積層——粉細砂層,粉質黏土層,黏土層、粉土層,層底標高19.55～27.45 m。土層分布及參數見表1。

表1 土層分布及參數

本區共存在4層地下水,分別為上層滯水、潛水、層間潛水、微承壓水。上層滯水僅在部分地區分布且埋藏較淺,分布不均勻,水位高低變化很大；潛水總體呈現西高東低,埋深8.6～11.3 m;層間潛水埋深11.3～17.8 m;微承壓水埋深17.8～23.2 m。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型的確立

該模型側面和底面為位移邊界,側面限制水平移動,底部限制垂直移動。模型上面為地表,取為自由邊界。

鋼支撐采用Beam(梁)結構單元模擬,掛網噴射混凝土采用Shell(殼體)單元模擬,在相應位置設置樁結構Pile(柱),用Null模型取代開挖。鋼支撐支護模擬見圖1。

圖1 模擬鋼支撐支護

土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體,樁、梁和噴射混凝土假設為彈性體。強度準則采用摩爾-庫侖準則[1]。由于施工過程會采取降水措施,所以不考慮地下水的影響。模型采用大應變變形模式[2]。

模型設計以基坑開挖和支護不波及模型邊界為基本原則。根據以往的工程經驗,基坑開挖的影響深度為開挖深度的2～4倍,影響寬度為開挖深度的3～4倍[3]。所以算例取長為45 m、寬為96 m、深為50 m、開挖深度為15 m的計算模型,生成24 719個單元,27 558個節點。

開挖、支護分4步完成:第1次開挖至-3.0 m,在-2.0 m處進行第1道鋼支撐支護;第2次開挖至-8.0 m,在-7.0 m處進行第2道鋼支撐支護;第3次開挖至-12.0 m,在-11.0 m處進行第3道鋼支撐支護;第4次開挖至-15.0 m。

2.2 模擬結果及分析

模型開挖后的位移趨勢見圖2。從圖中可以看出,在圍護結構的中下部有向基坑側的較大變形,圍護樁旁地表有向下及向基坑內側的移動趨勢,基坑底部有回彈，并且由基坑邊至基坑中部回彈逐漸增大,在基坑中部達到最大值。

3 樁徑及樁長對基坑穩定性影響的模擬分析

3.1 樁徑對基坑穩定性的模擬分析

本工程選用的鉆孔灌注樁樁長為20.0 m,入土深度5.0 m,間距1.5 m,樁徑800 mm。為比較不同樁徑對基坑穩定性的影響,數值模擬中分別采用600、800和1 000 mm的樁徑進行分析,其他參數及條件均不變。

圖2 基坑位移矢量

圖3是不同樁徑引起的地表沉降曲線。由該曲線可以看出,地表沉降是先增加后減小,呈拋物線型。地表沉降在1～8 m范圍內較大,4 m左右的沉降最大,隨后迅速減小。隨著樁徑的增大,地表沉降隨之減小,同時,地表沉降減小的趨勢也在放緩[4]。這說明增大樁徑可以有效減少地表沉降,但持續增大樁徑只能在一定范圍內減少地表沉降。

圖3 不同樁徑對地表沉降的影響

圖4是不同樁徑所產生的樁體水平位移曲線,呈拋物線型。樁徑為1 000 mm的樁體最大水平位移是13.8 mm,樁徑為600 mm的樁體最大水平位移是18.4 mm,都發生在樁下11 m左右位置,兩者最大位移相差4.6 mm。隨著樁徑的增加,樁體水平位移逐漸減小,同時,位移減小變化率也在降低。這說明樁徑增大到一定程度將不再能有效地控制樁體水平位移。

3.2 樁長對基坑穩定性的模擬分析

樁長的差別主要是入土深度的不同[5]。圍護樁入土深度對基坑的變形及穩定性有著較大的影響,尤其以懸臂結構中樁身的入土深度對基坑變形影響最大[6]。本文明挖區段標準入土深度為5 m,所以模擬過程中選擇的入土深度為3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m,對應的樁長分別為18.0 m、19.0 m、20.0 m、21.0 m、22.0 m。除樁長外,其他參數不變。模擬結果見圖5。

圖4 不同樁徑的樁體水平位移

圖5 不同樁長對地表面沉降的影響

由圖5可以看出,不同樁長情況下對基坑周圍地表沉降的影響曲線呈拋物線型。沉降量最大的位置并不在基坑邊緣,而是在距基坑邊緣2～4 m處,0～2 m的沉降值增加迅速。到12 m時,沉降值已經基本趨同。不同樁長對地表沉降的影響主要在0～10 m范圍內,其中2～4 m范圍內影響最大。但從各個沉降曲線間的距離可以看出,樁長從18 m增加到20 m時,沉降值顯著降低；樁長從20 m增加到22 m時,僅僅減低了一點沉降值。由此可以得出結論,增加樁長可以降低地面沉降,但持續增加樁長并不能完全控制沉降量。

圖6給出了不同樁長的樁體水平位移。由圖可以看出,不同樁長對樁體水平位移的影響曲線呈拋物線型，且具有很強的規律性。在樁體中部達到最大水平位移,也就是最大變形量。18 m長的樁最大水平位移為19.3 mm,22 m長的樁最大水平位移是15.2 m,兩者相差4.1 mm。隨著樁長的增加,樁體水平位移逐漸減小,且位移減小的趨勢也在放緩。這說明增加樁長可以減小樁體水平位移,但增加到一定程度將不再能有效地控制樁體水平位移。

圖6 不同樁長的樁體水平位移

4 模擬結果與現場監測結果對比

數值模擬參數為第三工段13號樁附近的勘察結果。以此樁作為對比樁體,與數值模擬結果進行對比分析。

4.1 地表沉降對比

圖7為實測地表沉降與數值模擬地表沉降的對比。

圖7 地表沉降實測值與模擬值對比

圖7中，兩曲線均為拋物線型,在1～7 m范圍內沉降較大,3 m處達到最大值,隨后迅速減小。基坑邊緣實測沉降為4.7 mm,模擬沉降為2.2 mm,相差2.5 mm;實測沉降最大值為9.3 mm,模擬沉降最大值為6.6 mm,相差2.7 mm。數值模擬結果與實測結果相差較小,可以較準確地反映基坑周邊的地表沉降。

4.2 樁體水平位移對比

圖8為13號樁現場實測水平位移與數值模擬水平位移的對比。由圖中水平位移曲線可以看出,兩曲線均為拋物線型。實測樁體的最大位移值出現在入土9 m附近,最大值為14.8 mm;模擬樁體的最大位移值出現在入土10 m附近,最大值為15.1 mm,與實測值相差0.3 mm。實測樁頂水平位移為7.2 mm,模擬樁頂水平位移4.2 mm,兩者相差3 mm。實測樁底水平位移0.3 mm,模擬樁底水平位移4.3 mm,兩者相差4 mm。模擬結果較好地反映了實際情況。

圖8 對比13號樁水平位移實測值與模擬值

5 結論

(1) 通過數值模擬分析,增加圍護樁長度,也就是增加樁體入土深度,可以有效減小圍護樁的水平位移和基坑周邊的地表沉降,但持續增加樁長并不能有效控制基坑變性和穩定性。

(2) 增大樁徑也可以減小基坑變性、增強基坑穩定性,同增加樁長一樣,只能在一定程度上控制基坑變性。如要進一步控制基坑變性,需考慮其經濟和技術的可行性,否則應改變技術措施。

(3) 模擬結果較好地擬合了實測結果。在明挖施工時通過數值模擬選取最佳的圍護樁設計參數,可以有效增加支護效果、降低施工成本。

[1] 房師軍,付擁軍,姚愛軍.某地鐵工程深基坑排樁圍護結構變形規律分析[J].巖土工程學報,2011,33(增1):223-226.

[2] 崔溦,王寧,宋慧芳.基于修正硬化模型的軟土深基坑變形數值分析[J].巖石力學與工程學報,2013(增2):4041-4047.

[3] 李輝,楊羅沙,李征,等.基于MIDAS/GTS對地鐵站超深基坑空間效應的研究[J].鐵道建筑,2011(4):83-85.

[4] 譚永朝,唐雅茹,彭加強,等.基于數值分析的深基坑圍護結構優化設計[J].城市軌道交通研究,2009,12(8):21-24.

[5] 石鈺鋒,陽軍生,白偉,等.緊鄰鐵路偏壓基坑圍護結構變形與內力測試分析[J].巖石力學與工程學報,2011,30(4):826-833.

[6] 王彥君.徐州某基坑SMW工法支護體系數值模擬及分析[J].能源技術與管理,2015,40(6):154-156.

Influence of Retaining Pile Design Parameters on the Stability of Open Cutting Metro Foundation Pit

ZHANG Lili

Open cutting method is used in Beijing metro Line 8 tunnel construction, with bored piles and steel support. By using FLAC3D numerical simulation software, the design parameters of the retaining piles are simulated, a reliable result is obtained. The simulation shows that, by increasing the pile length and pile diameter within a certain range, the pit degeneration can be effectively controlled, the stability of foundation pit be improved. But constant increase of the pile length and pile diameter can not improve the stability of foundation pit obviously, instead, the cost will be increased.Finally,the reliability of the simulation result is verified by comparing with the field tested data.

metro foundation pit; stability; retaining pile; pile length; pile diameter

TU 94+2

10.16037/j.1007-869x.2017.05.010

2016-08-23)